CN101552909A - 基于无线视频监控的帧率控制方法 - Google Patents

Abstract

基于无线视频监控的帧率控制方法，属于无线网络视频技术领域，步骤为：用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；判定F_i和F_d的大小：当F_i＞F_d时，进行下一步，否则再返回步骤2；视频开始常速播放，此时的视频帧率S为S_p；判定F_i和F_l的大小：当F_i＜F_l时，减速进行视频播放，即S＝S_p－S_c，返回步骤2；当F_i＞F_l时，进行下一步；判定F_i和F_h及F_d的大小：当F_i＞F_h时，进行下一步；否则再返回步骤5；视频开始加速进行播放，即S＝S_p+S_c，然后返回步骤2；当F_i＜F_b时，直到F_i＜F_d后，令S＝S_p。本发明方法有效的改善了视频流畅度，减少了网络不稳定对视频的影响。

Description

基于无线视频监控的帧率控制方法

(一)技术领域

本发明涉及一种基于无线视频监控的帧率控制方法，属于无线网络视频技术领域。

(二)背景技术

随着无线宽带技术的普及，各种各样基于无线模式的应用成为了科技热点。如无线视频传输，无线视频会议，无线上网，无线资源共享等等。而其中无线视频传输则有非常广泛应用前景，原有的有线视频传输模式因为灵活机动性差，只能在有限范围内进行观看，并且无法摆脱线缆的约束，所以已经逐渐不能满足人们的需要。而以基于IEEE 802.16标准的WiMAX技术为代表的，新一代无线宽带技术在全球范围内的推广，使得通过无线环境进行高质量，高速率视频传输变成了热点话题。

而无线视频传输中，极其热门的应用则是无线视频监控。以往的视频监控系统大多是基于有线环境的，虽然视频质量好，效果稳定，但是由于摆脱不了有线的限制，所以仍然在某些特殊应用上无能为力。比如说对于车，船，甚至是直升机等移动目标，此外还包括有线网络无法覆盖和到达的地点，以及随机地点进行视频监控的需求，都是传统有线解决方案不能解决的问题。同时传统有线视频监控的建设成本高，运行费用以及消耗成本也较高，同时监控点撤离时即麻烦又容易造成浪费。

因此，相比较而言，基于无线技术的视频监控则拥有更加机动，上行端与下行端均可灵活部署的优势。比如可以采用单点对多点的无线通信模式，只需要在中心位置安放一个单点无线基站，就能对周边大范围地区的若干个监控点进行信号覆盖。同时采用无线监控时所需施工时间短，不需要布线等复杂劳动，也不会对现有环境和建筑设施进行破坏。而且如果需要增添新的无线监控点，不需要像传统有线模式那样对网络进行大面积改造，只需要简单的对网络进行调试添加即可，可扩展性非常强。因此相比之下，无线视频监控比传统有线模式要优秀的多。

然而无线传输却有着无法避免的问题，那就是其网络的不稳定性。无论是目前已成熟的基于IEEE 802.11的WiFI技术，还是新兴的WiMAX技术，都不可避免的存在此问题。由于网络的不稳定性，会造成数据的不定时丢失，因此对于视频而言，可能会造成丢帧，甚至停止播放的现象。如名称为“一种无线视频监控装置”、申请号为CN200820044471.2的专利，该装置所表现的视频画面即存在以上问题，从而导致无线视频监控效果大打折扣。因此要在无线环境下进行视频监控，就要针对其网络不稳定性作一系列的调整与优化，争取将网络不稳定性对视频的影响减小到最低。

(三)发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种基于无线视频监控的帧率控制方法。

无线视频监控的传输分为发送端(一般指上行视频采集端，即监控摄像头)和接收端(一般指下行视频观看端，如电视，电脑等)两大部分。而本发明所设计的帧率控制，主要是针对接收端而言的。

一种基于无线视频监控的帧率控制方法，步骤如下：

1、用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；此时当前视频帧数F_i由最初的0逐渐增长；

2、判定当前视频帧数F_i和延时帧数F_d的大小：当F_i＞F_d时，进行下一步，否则再返回步骤2；

3、视频开始常速播放，此时的视频帧率S为常速，即基准帧率S_p；视频开始正常播放后，除了理想情况下当前视频帧数F_i值稳定在延时帧数F_d附近外，有两种可能：一种是当前视频帧数F_i增长过快，一种是当前视频帧数F_i增长过慢；

4、判定当前视频帧数F_i和视频减速门限F_l的大小：当F_i＜F_l时，减速进行视频播放，即S＝S_p-S_c，返回步骤2；由于接收端帧率降低，而发送端发送速度不变，所以会增大F_i的增长速度，直到F_i值由减少变为增大；当F_i＞F_l时，进行下一步，为了避免F_i值保持在F_l附近，而不是理想状态下的F_d附近，所以继续保持低速播放，直到F_i＞F_d后，才令S＝S_p。

5、判定当前视频帧数F_i和视频加速门限F_h及延时帧数F_d的大小：当F_i＞F_h时，进行下一步；否则再返回步骤5；

6、视频开始加速进行播放，即S＝S_p+S_c，然后返回步骤2；由于接收端播放帧率提高，而发送端发送帧率没有改变，所以会降低F_i的增长速度，直到F_i由增长变为减少；当F_i＜F_h时，为了避免F_i值保持在F_h附近，而不是理想状态下的F_d附近，所以继续保持高速播放，直到F_i＜F_d后，才令S＝S_p。

整个视频帧率控制方法的流程图如附图1所示。

上述方法中所用参数名词解释如下：

(1)视频缓存B_u

接收端对接收到的视频帧进行缓存，而不是立即播放；设参数B_u值，如取值为200，则代表最大可以缓存200帧；

(2)当前视频帧数F_i

即当前在缓存中全部的视频帧数，也就是说接收端已经接收到，而并没有进行播放的视频帧数。本发明中用F_i表示该参数。该参数的取值范围为[0，B_u]。

(3)网络状态参数S_t

根据无线网络状态，即网络质量，分为“好，中，差”三个档次，本发明用S_t代表该参数，其取值方式对应分别为4，3，2。

(4)视频加速门限F_h

即当F_i值大于该门限时，对视频进行高速播放。本发明用F_h代表该参数。计算公式如下：

$F_h=\left[\frac{B_u}{S_t}\right]$

(5)视频减速门限F_l

即当F_i值小于该门限时，对视频进行低速播放。本发明用F_l代表该参数。计算公式如下：

$F_l=\left[\frac{B_u}{2S_t}\right]$

(6)延时帧数F_d

规定一个数值，当用户下达视频播放指令后，对F_i进行判断，当大于该数值时，才开始播放画面。本发明中用F_d代表该参数，计算公式如下：

$F_d=\left[\frac{F_h+F_l}{2}\right]$

(7)视频帧率S

即视频每秒播放的帧数，也就是FPS。本发明用S代表该参数。

(8)视频基准帧率S_p

在视频监控中，一般均采用25fps为基准帧率。而在本发明中，该参数由网络状态决定。本发明中用S_p代表该参数，计算公式如下：

$S_p=25\×\frac{1+S_t}{5}$

(9)视频帧率变化量S_c

既然要进行帧率控制，则必然存在帧率变化量。本发明中用S_c代表该参数，其同样由网络状态决定。计算公式如下：

S_c＝6-S_t

依据视频帧率控制原理，有很多细节需要进行分析，才能更好的完善该处理方法。以下将分几方面进行相关细节的讨论。

(1)帧率变化量问题

帧率发生变化时，视频画面会有播放速度加快或减慢的现象。如何能尽量减小这种变化，是非常重要的问题。所以S_c不能为固定值，而应由所在的无线网络状况决定。

如果所处的无线网络状态良好，则应该减小帧率变化量。当S_t＝4时，由公式(4)(5)知S_p＝25，S_c＝2，则变化幅度仅为8％。此时如果用肉眼观看视频的话，很难分辨出帧率是否存在变化。

相反，如果网络状态差，则应增加帧率变化量。当S_t＝2时，由公式(4)(5)知S_p＝15，S_c＝4，则变化幅度为26.7％。此数值已经接近变化幅度的上限，否则过度明显的帧率变化，会影响视频的准确性与可信度，从而违背了视频帧率控制的初衷。

(2)缓存中无视频帧问题

当视频播放中出现F_i＝0时，此时视频画面会定格在某时刻不动。此时可以在接收端程序或硬件中，预先存储一段简短的视频(可以为提示或广告等)。如果F_i＝0，则自动播放该内置视频，避免用户看到视频停顿或是黑屏的情况，同时可以有效提醒用户网络出现问题。

当网络状况恢复正常时，F_i值由零开始增长，当F_i＞F_d时，结束内置视频的播放，转为播放真实画面。

(3)网络状态问题

为了提高帧率控制的自适应性，应该自动对网络状态进行判断。以WiMAX网络为例，当CINR＞15时，网络状态判定为“好”；当5＜CINR＜15时，网络状态判定为“中”；当CINR＜5时，网络状态判定为“差”。当然，具体到实际网络，还可能结合信号强度RSSI等进行判定。同时，可以在接收端软件或设置界面上，允许用户强制进行网络状态选择。

(4)网络中断时间较长问题

如果网络中断时间较长，则发送端缓存已满，所以会发生发送端缓存清空，甚至数次清空的情况。此时这段时间内的视频帧永久性丢失，体现在视频画面上的将是某段时间的内容丢失。要避免这种现象的发生，最直接的方法是增大发送端缓存。同时在网络恢复正常后，为了避免接收端无法一次性处理过多视频帧，应该对发送端的视频帧发送速率作限制。每秒钟发送帧数最大不超过(S_p+S_c)帧，即不超过接收端的最大帧率。这样就能将网络中断期间的视频帧尽可能的存放起来，直到接收端将该部分视频帧处理完毕为止。

本发明方法的优点为：简单可行，只需简单修改接收装置的处理程序即可；适用范围广，不仅是无线网络，在有线网络中同样适用；效果显著，有效降低了网络不稳定对视频造成的影响，提高了视频的流畅度。

(四)附图说明

图1是本发明帧率控制方法的处理流程图，图2是本发明具体实施测试网络拓扑图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种基于无线视频监控的帧率控制方法，步骤如下：

1)用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；此时当前视频帧数F_i由最初的0逐渐增长；

2)判定当前视频帧数F_i和延时帧数F_d的大小：当F_i＞F_d时，进行下一步，否则再返回步骤2)；

3)视频开始常速播放，此时的视频帧率S为常速，即基准帧率S_p；视频开始正常播放后，除了理想情况下当前视频帧数F_i值稳定在延时帧数F_d附近外，有两种可能：一种是当前视频帧数F_i增长过快，一种是当前视频帧数F_i增长过慢；

4)判定当前视频帧数F_i和视频减速门限F_l的大小：当F_i＜F_l时，减速进行视频播放，即S＝S_p-S_c，返回步骤2；由于接收端帧率降低，而发送端发送速度不变，所以会增大F_i的增长速度，直到F_i值由减少变为增大；当F_i＞F_l时，进行下一步，为了避免F_i值保持在F_l附近，而不是理想状态下的F_d附近，所以继续保持低速播放，直到F_i＞F_d后，才令S＝S_p。

5)判定当前视频帧数F_i和视频加速门限F_h及延时帧数F_d的大小：当F_i＞F_h时，进行下一步；否则再返回步骤5；

6)视频开始加速进行播放，即S＝S_p+S_c，然后返回步骤2；由于接收端播放帧率提高，而发送端发送帧率没有改变，所以会降低F_i的增长速度，直到F_i由增长变为减少；当F_i＜F_h时，为了避免F_i值保持在F_h附近，而不是理想状态下的F_d附近，所以继续保持高速播放，直到F_i＜F_d后，才令S＝S_p。

测试网络环境为WiMAX单基站，上行端采用监控摄像头+编码器+CPE，下行端采用装有WiMAX接入设备的电脑进行软解码。通过修改客户端监控软件中的帧率处理部分，进行帧率控制的测试与实现。同时在软件中添加参数追踪记录程序，由其自动生成的日志文件统计出如下数据。测试环境的网络拓扑图如附图2所示。

(1)测试参数：将接收端缓存设置为200帧，即B_u＝200。同时令S_t＝2，由公式可计算得：F_h＝100，F_l＝50，F_d＝75，S_p＝15，S_c＝4。在该次测试中，网络状态保持为“差”不变。

(2)测试结果与分析：本次测试采用物体屏蔽接收端的方法，模拟了一次短时间网络中断。在5秒左右时F_i＞Fd，此时S＝S_p＝15。在10秒左右时，网络开始中断，F_i急速下降直到为0。在20秒左右时网络恢复正常，在25秒左右时F_i＞F_h，此时S＝S_p+S_c＝19。此时发送端以每秒19帧的速度，将网络中断期间存储在发送端缓存的所有视频帧进行发送。接收端经过近30多秒的高速播放，于62秒左右时F_i＜F_d，此时S＝S_p＝15。

由测试结果可看出，帧率控制方法将网络中断期间的视频帧作了有效处理，最大程度上保证了视频的流畅性。

Claims (1)

1、一种基于无线视频监控的帧率控制方法，步骤如下：

1)用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；此时当前视频帧数F_i由最初的0逐渐增长；

2)判定当前视频帧数F_i和延时帧数F_d的大小：当F_i＞F_d时，进行下一步，否则再返回步骤2)；

3)视频开始常速播放，此时的视频帧率S为常速，即基准帧率S_p；视频开始正常播放后，除了理想情况下当前视频帧数F_i值稳定在延时帧数F_d附近外，有两种可能：一种是当前视频帧数F_i增长过快，一种是当前视频帧数F_i增长过慢；

4)判定当前视频帧数F_i和视频减速门限F₁的大小：当F_i＜F₁时，减速进行视频播放，即S＝S_p-S_c，返回步骤2；由于接收端帧率降低，而发送端发送速度不变，所以会增大F_i的增长速度，直到F_i值由减少变为增大；当F_i＞F₁时，进行下一步，为了避免F_i值保持在F₁附近，而不是理想状态下的F_d附近，所以继续保持低速播放，直到F_i＞F_d后，才令S＝S_p；

5)判定当前视频帧数F_i和视频加速门限F_h及延时帧数F_d的大小：当F_i＞F_h时，进行下一步；否则再返回步骤5；

6)视频开始加速进行播放，即S＝S_p+S_c，然后返回步骤2；由于接收端播放帧率提高，而发送端发送帧率没有改变，所以会降低F_i的增长速度，直到F_i由增长变为减少；当F_i＜F_h时，为了避免F_i值保持在F_h附近，而不是理想状态下的F_d附近，所以继续保持高速播放，直到F_i＜F_d后，才令S＝S_p。

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