CN102630006B - 一种传输视频流的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种传输视频流的系统和方法,所述系统包括:数据存储器(2)、接口(5)、和与所述数据存储器(2)连接的程序存储器(3);所述系统包括CPU单元和GPU单元;所述方法包括以下步骤:(1).对所述接口(5)接收的视频流进行传输格式转换;(2).将输入的视频流转换进行压缩编码;(3).所述接口(5)输出压缩编码后的视频流。本发明提供的传输视频流的系统和方法,采用先进的视频编码技术和搭配各种参数提高视频编码性能,使其在限制带宽一定的情况下相对提高视频质量,并且使其限制带宽边缘抖动降低,从而可将该限制带宽设置得靠近通道带宽,使通道带宽得以最大利用。

Description

一种传输视频流的装置和方法
技术领域
本发明属于移动多媒体广播领域,具体涉及一种传输视频流的装置和方法。
背景技术
近年来,随着多媒体通信和无线网络的发展,视频节目流的大量涌入和通道拥挤成为很大矛盾,也出现了一些用压缩通道带宽换取节目数量增加的方法。但是这些方法过于单一和缺乏深度,或者对视频质量造成损害,或者对公共传媒所注重的安全性、可靠性造成损害,影响了观看效果。
现有的视频编码器、转换器有多种类型,各自有不同的性能偏重,在混合使用时容易出现如同“食物相克”的现象,最后容易造成视频质量下降、视频的高频衍生物增加、码率上升的问题。
发明内容
为克服上述缺陷,本发明提供了一种传输视频流的装置和方法,采用先进的视频编码技术和搭配各种参数提高视频编码性能,使其在限制带宽一定的情况下相对提高视频质量,并且使其限制带宽边缘抖动降低,从而可将该限制带宽设置得靠近通道带宽,由此通道带宽得以充分利用。
为实现上述目的,本发明提供一种传输视频流的装置,其包括:数据存储器(2)、接口(5)、和与所述数据存储器(2)连接的程序存储器(3);其改进之处在于,所述装置包括CPU单元和GPU单元;所述CPU单元、所述GPU单元和所述接口(5)依次连接;所述CPU单元和所述GPU单元分别接收所述数据存储器(2)和所述程序存储器(3)的数据;所述程序存储器(3)与所述接口(5)连接。
本发明提供的优选技术方案中,所述CPU单元包括CPU和与其连接的VBV模块;所述CPU为多核CPU处理器,其中,CPU核心数目是8、12或16;所述CPU为至强5500系列双4核CPU处理器。
本发明提供的第二优选技术方案中,所述VBV模块包括:并列设置的视频缓存验证器加长组件(Long Video Buffer Verifier)、时空域码率控制组件(Spatio-temporaladaptive rate control)、视频编码优化组件(Rate Distortion Optimization)、P帧增设组件(P-hierarchic)、1/2像素编码提供组件(1/2PEL)和参考帧增加组件(Multireference frames)。
本发明提供的第三优选技术方案中,所述视频缓存验证器加长组件,用于增加视频缓存验证器的空间,为视频编码处理提供优化空间;时空域码率控制组件,用于优化背景及运动物体之间的编码;视频编码优化组件,根据视频流的内容选择不同的编码策略;P帧增设组件,用于增加对视频流分级的P帧,为视频流运动补偿预测方面提供支持;1/2像素编码提供组件,用于优化小分辨率视频的质量;参考帧增加组件,用于增加参考帧的数量,提升图像预测编码效果。
本发明提供的第四优选技术方案中,所述GPU单元包括GPU模块和向其提供数据参数的参数引入单元;所述GPU模块包括GPU视频处理器和与其连接的视频采集单元。
本发明提供的第五优选技术方案中,所述参数引入单元包括依次设置的图像复杂度计算组件、视频量化形式组件和动态搜索模式组件。
本发明提供的第六优选技术方案中,提供一种传输视频流的方法,其改进之处在于,所述方法包括以下步骤:
(1).对所述接口(5)接收的视频流进行传输格式转换;
(2).将输入的视频流转换进行压缩编码;
(3).所述接口(5)输出压缩编码后的视频流。
本发明提供的第七优选技术方案中,在所述步骤2中,所述GPU视频处理器和所述视频采集单元对输入的视频流处理形成量化数据序列后输入至所述双4核CPU处理器,由所述双4核CPU处理器进行压缩编码。
本发明提供的第八优选技术方案中,在所述步骤3中,所述接口(5)将接收的压缩编码后的视频流进行传输格式转换后输出。
本发明提供的第九优选技术方案中,所述压缩编码方法包括:分别计算所采集到的视频信号的电平数据动态范围以及最佳量化窗口;在编码过程中所述双4核CPU处理器控制GPU单元和视频采集单元动态调整量化形式和搜索模式,计算所采集到的视频信号的电平数据,及时对准最佳量化窗口进行匹配,使视频量化数据的动态范围上探到满足数据处理的最大空间;所述双4核CPU处理器运用图像复杂度计算组件,使对各种图像差异的搜索都能快速适配而得到特征信息;所述双4核CPU处理器根据视频流的内容调用所述VBV模块的功能,对视频流进行编码。
本发明提供的第十优选技术方案中,所述双4核CPU处理器从所述视频编码优化组件中动态选择编码策略,划分视觉侧重点;所述视觉侧重点包括移动轮廓、渐变区域、色饱和度和景深;所述双4核CPU处理器控制所述时空域码率控制组件,对背景和运动物体分别进行不同的编码,使运动物体稍显模糊而背景仍保持清晰;所述双4核CPU处理器控制所述图像复杂度计算组件对视频流进行图像复杂度计算,所述图像复杂度计算组件将视频流的I帧编码的比特数作为复杂度高低的参考值,与预置的限制带宽值进行连续对比,进而对编码比特率的峰值进行控制和平滑。
本发明提供的较优选技术方案中,在进行图像复杂度计算中引入以下参数:关键帧和加扰周期为1秒、帧率为FULL、类型为宽银幕、码率控制为CBR。
与现有技术比,本发明提供的一种传输视频流的装置和方法,采用先进的视频编码技术和搭配各种参数提高视频编码性能,在带宽一定的情况下提高视频质量,并且使带宽边缘抖动降低,从而可将该限制带宽设置得靠近通道带宽,可充分利用通道带宽;又,综合测试相关设备对视频信号的格式、码率等参数的适应性及其影响,优化转换路径使得视频的高频衍生物和画质损失均相对较小,视频编码效率得以充分发挥,通道带宽得以充分利用,也可通过压缩带宽而保持原视频质量不降,节约出来的带宽可以用来增加新的频道;适用于在有限带宽内高可靠发出视频流的场合;本装置和方法综合测试相关前端设备对视频信号的格式、码率等参数的适应性及其影响,通过组合预测和构架实测确定优化转换路径,使得限制带宽和画质损失均相对较小,视频编码效率得以充分发挥,通道带宽得以充分利用;而且,本装置和方法综合测试相关终端接收设备对视频信号的格式、码率等参数的适应性及其影响,对普通型终端其编码前端采用H.264高级编码技术以保证高画质稳定解码,对通用型终端其编码前端采用H.264超级编码技术以保证高运动画质解码,使得限制带宽和画质损失得以均衡;通过装置和方法的综合作用,可在带宽一定的情况下尽可能提高手持电视类终端的视频质量,并且使其限制带宽边缘抖动降低,由此通道带宽得以充分利用,依此可通过压缩带宽而保持原视频质量不降。
附图说明
图1为一种传输视频流的装置的结构示意图。
图2为视频流转换和播出链路的示意图。
图3为压缩带宽增加新频道的方法示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种传输视频流的装置,其包括:数据存储器(2)、接口(5)、和与所述数据存储器(2)连接的程序存储器(3);所述装置包括CPU单元和GPU单元;所述CPU单元、所述GPU单元和所述接口(5)依次连接;所述CPU单元和所述GPU单元分别接收所述数据存储器(2)和所述程序存储器(3)的数据;所述程序存储器(3)与所述接口(5)连接。
所述CPU单元包括CPU和与其连接的VBV模块。所述CPU为多核CPU处理器,其中,CPU核心数目是8、12或16。所述CPU为至强5500系列双4核CPU处理器。
所述VBV模块包括:并列设置的视频缓存验证器加长组件(Long Video BufferVerifier)、时空域码率控制组件(Spatio-temporal adaptive rate control)、视频编码优化组件(Rate Distortion Optimization)、P帧增设组件(P-hierarchic)、1/2像素编码提供组件(1/2 PEL)和参考帧增加组件(Multi reference frames)。
所述视频缓存验证器加长组件,用于增加视频缓存验证器的空间,为视频编码处理提供优化空间;时空域码率控制组件,用于优化背景及运动物体之间的编码;视频编码优化组件,根据视频流的内容选择不同的编码策略;P帧增设组件,用于增加对视频流分级的P帧,为视频流运动补偿预测方面提供支持;1/2像素编码提供组件,用于优化小分辨率视频的质量;参考帧增加组件,用于增加参考帧的数量,提升图像预测编码效果。
所述GPU单元包括GPU模块和向其提供数据参数的参数引入单元。所述GPU模块包括GPU视频处理器和与其连接的视频采集单元。所述参数引入单元包括依次设置的图像复杂度计算组件、视频量化形式组件和动态搜索模式组件。
传输视频流的方法,所述方法包括以下步骤:
(1).对所述接口(5)接收的视频流进行传输格式转换;
(2).将输入的视频流转换进行压缩编码;
(3).所述接口(5)输出压缩编码后的视频流。
在所述步骤2中,所述GPU视频处理器和所述视频采集单元对输入的视频流处理形成量化数据序列后输入至所述双4核CPU处理器,由所述双4核CPU处理器进行压缩编码。在所述步骤3中,所述接口(5)将接收的压缩编码后的视频流进行传输格式转换后输出。所述动态量化形式组件和所述动态搜索模式组件,分别计算所采集到的视频信号的电平数据动态范围以及最佳量化窗口;在编码过程中所述双4核CPU处理器控制GPU单元和视频采集单元动态调整量化形式和搜索模式,计算所采集到的视频信号的电平数据,及时对准最佳量化窗口进行匹配,使视频量化数据的动态范围上探到满足数据处理的最大空间;所述双4核CPU处理器运用图像复杂度计算组件,使对各种图像差异的搜索都能快速适配而得到特征信息;所述双4核CPU处理器根据视频流的内容调用所述VBV模块的功能,对视频流进行编码。
所述双4核CPU处理器从所述视频编码优化组件中动态选择编码策略,划分视觉侧重点。所述视觉侧重点包括移动轮廓、渐变区域、色饱和度和景深。
所述双4核CPU处理器控制所述时空域码率控制组件,对背景和运动物体分别进行不同的编码,使运动物体稍显模糊而背景仍保持清晰。
所述双4核CPU处理器控制所述图像复杂度计算组件对视频流进行图像复杂度计算,所述图像复杂度计算组件将视频流的I帧编码的比特数作为复杂度高低的参考值,与预置的限制带宽值进行连续对比,进而对编码比特率的峰值进行控制和平滑。
在进行图像复杂度计算中,引入以下参数:关键帧和加扰周期为1秒、帧率为FULL、类型为宽银幕、码率控制为CBR。
本发明采用先进的视频编码技术和搭配各种参数提高视频编码性能,对H.264这种编码效率高、边界码率抖动小的视频编码技术进行进一步提升:电路硬件由南北桥和双4核CPU处理器控制GPU视频处理器和视频采集单元,硬件运转所依赖的程序在加大VBV空间、模式动态适配等方面采用6项优化技术,并与相关硬件的设置进行参数搭配:
(1)Long VBV(Video Buffer Verifier):增加VBV的空间,为视频编码处理提供更多优化空间;
(2)Spatio-temporal adaptive rate control:时空域码率控制特性可以更好的优化背景及运动物体之间的编码,以便提升快速运动视频的编码质量;
(3)Rate Distortion Optimization(RDO):新的高级特性(RDO)可以根据信号源内容选择不同的编码策略,从而有效提高视频编码质量;
(4)P-hierarchic:增加了分级的P帧,类似于在Main Profile总的B帧(双向预测帧),可以在运动补偿预测方面提供更好的支持;
(5)1/2 PEL:提供1/2像素编码,有效增加了小分辨率的视频质量;
(6)Multi reference frames:增加了参考帧数量,以便提升图像预测编码效果。
采用优化技术的硬件所搭配的参数为:关键帧和加扰周期为1秒、帧率为FULL、长宽比设为自动、图像分辨率为QVGA,码率控制为CBR等。
将上述搭配参数以及限制带宽等参数信息引入图像复杂度计算,保证尽可能高的视频质量以及高稳定的输出码率。在编码过程中进一步动态调整该量化形式和搜索模式使之最合适,使编码过程缩短、效率提高。
视频编码器、转换器有多种类型,各自有不同的性能偏重,在混合使用时容易出现如同“食物相克”的现象,最后造成质量下降、反而视频的高频衍生物增加、码率上升的结果。本发明综合测试相关前端设备对视频信号的格式、码率等参数的适应性及其影响,通过组合预测和构架实测确定优化转换路径,使得限制带宽和画质损失均相对较小,视频编码效率得以充分发挥,通道带宽得以充分利用。
本发明综合测试相关终端接收设备对视频信号的格式、码率等参数的适应性及其影响,对普通型终端其编码前端采用H.264高级编码技术以保证高画质稳定解码,对通用型终端其编码前端采用H.264超级编码技术以保证高运动画质解码,使得限制带宽和画质损失得以均衡。
通过上述硬件和软件的综合作用,可在限制带宽一定的情况下相对提高手持电视类终端的视频质量,并且使其限制带宽边缘抖动降低,由此通道带宽得以充分利用,依此可通过压缩带宽而保持原视频质量不降,节约出来的带宽增加新频道。
实施例1、充分利用有限带宽传输视频流的方法,其视频流的优化编码技术与相关硬件环境示意图如图1所示。
电路硬件由南北桥和双4核CPU处理器1控制GPU视频处理器和视频采集单元4,CPU处理器1连接着海量数据存储器2和程序存储器3,程序存储器3通过CPU处理器实现加大VBV空间、模式动态适配等6项优化技术,并与相关硬件的设置进行参数搭配,控制GPU视频处理器和视频采集单元4引入图像复杂度计算、动态调整视频量化形式和搜索模式,进一步降低视频质量损失。
其中南北桥即通常服务器主板上所用的南桥和北桥芯片,可采用Intel 5520系列,双4核CPU处理器可采用两颗Intel至强5500系列的4核处理器,海量数据存储器可采用4G。
输入输出的视频数据流6可以是多路数据流,由接口5进行传输格式转换。输入的未压缩的高码率视频数据流经视频处理器和视频采集单元4后形成量化数据序列由双4核CPU处理器进行压缩编码,最后由接口5进行传输格式转换后输出压缩的低码率视频数据流。
在编码过程中,多核CPU处理器运行程序存储器里的软件,同时进行各种计算和操作:
CPU控制视频采集单元和视频处理器的动态调整量化形式和动态搜索模式,分别计算所采集到的视频信号的电平数据动态范围以及最佳量化窗口,其中最佳量化窗口由动态搜索模式对图像搜索区的形状和大小进行自动适应而形成,CPU调整该动态范围使之对准该最佳量化窗口进行动态匹配,使视频量化数据的动态范围靠近满足数据处理的最大空间,既保证尽可能充足的细节数据又不致超限失真,避免了将动态范围固定造成的量化窗口不匹配所导致的视频质量下降,从而使视频质量从信号采集环节刚一进入处理环节就损失最小;
CPU动态计算信号源内容特征,从数据库里动态选择不同的编码策略,编码策略分别按移动轮廓、渐变区域、色饱和度、景深等视觉侧重点的不同而分别优先编码,纵使图像千变万化编码效果总是最优;
CPU按时域、空域分别控制码率,进一步对背景和运动物体施以不同的编码,使得快动区域稍作模糊而固定背景仍保清晰,避免单一编码造成的背景残缺的弊病,有效提升快速运动视频的整个画面的编码质量;
CPU简化图像复杂度计算,将I帧编码的比特数大小直接作为复杂度高低的参考值,与所预置的限制带宽值连续对比,进而对编码比特率的峰值的大小进行分布式控制和平滑,保证尽可能高的视频质量以及高稳定的输出编码比特率。
在编码过程中CPU同时进行的上述计算和操作,保证了尽可能高的视频质量以及高稳定的输出编码比特率。
实施例2、充分利用有限带宽传输视频流的方法,其视频流转换和播出链路的示意图如图2所示。
图中节目1、节目2经过优化路径进入视频编码器,节目1是CCTV-1,加密节目;节目2是CCTV-新闻,清流节目。两节目经过视频编码后视频流进入网络数据交换机,与加密机复合后再进入复用器,再经激励器变成射频、放大发射,供接收终端收看。
在高性能编码器中,按照编码器配置表1,对这两个节目的参数进行配置。
修改复用器配置,见配置表2。通道带宽由440kbit降为330kbit,缩为75%;编码器限制带宽由原370kbit降为300kbit,其与通道带宽的边界保护差由70kbit缩小为30kbit,通道带宽得以充分利用。
对链路中产生的视频流进行端到端的对比测试,在采用H.264高级编码技术、带宽缩为75%后图像质量没有明显差别。
编码器配置表1:
复用器配置表2:
实施例3、充分利用有限带宽传输视频流的方法,其压缩带宽增加新频道的方法示意图如图3所示。
在24个时隙里,按每套节目占用4个时隙,总共可安排6套节目,采用高性能编码器后,按每套节目占用3个时隙,总共可安排8套节目,增加了两套节目而保持原节目质量不降低。
需要声明的是,本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用,不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下,可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (8)

1.一种传输视频流的装置,其包括:数据存储器(2)、接口(5)、和与所述数据存储器(2)连接的程序存储器(3);其特征在于,所述装置包括CPU单元和GPU单元;所述CPU单元、所述GPU单元和所述接口(5)依次连接;所述CPU单元和所述GPU单元分别接收所述数据存储器(2)和所述程序存储器(3)的数据;所述程序存储器(3)与所述接口(5)连接;
VBV模块包括:并列设置的视频缓存验证器加长组件(Long Video Buffer Verifier)、时空域码率控制组件(Spatio‐temporal adaptive rate control)、视频编码优化组件(Rate Distortion Optimization)、P帧增设组件(P‐hierarchic)、1/2像素编码提供组件(1/2PEL)和参考帧增加组件(Multi reference frames);
所述视频缓存验证器加长组件,用于增加视频缓存验证器的空间,为视频编码处理提供优化空间;时空域码率控制组件,用于优化背景及运动物体之间的编码;视频编码优化组件,根据视频流的内容选择不同的编码策略;P帧增设组件,用于增加对视频流分级的P帧,为视频流运动补偿预测方面提供支持;1/2像素编码提供组件,用于优化小分辨率视频的质量;参考帧增加组件,用于增加参考帧的数量,提升图像预测编码效果;
压缩编码方法包括:分别计算所采集到的视频信号的电平数据动态范围以及最佳量化窗口;在编码过程中双4核CPU处理器控制GPU单元和视频采集单元动态调整量化形式和搜索模式,计算所采集到的视频信号的电平数据,及时对准最佳量化窗口进行匹配,使视频量化数据的动态范围上探到满足数据处理的最大空间;所述双4核CPU处理器运用图像复杂度计算组件,使对各种图像差异的搜索都能快速适配而得到特征信息;所述双4核CPU处理器根据视频流的内容调用所述VBV模块的功能,对视频流进行编码;
所述双4核CPU处理器从所述视频编码优化组件中动态选择编码策略,划分视觉侧重点;所述视觉侧重点包括移动轮廓、渐变区域、色饱和度和景深;所述双4核CPU处理器控制所述时空域码率控制组件,对背景和运动物体分别进行不同的编码,使运动物体稍显模糊而背景仍保持清晰;所述双4核CPU处理器控制所述图像复杂度计算组件对视频流进行图像复杂度计算,所述图像复杂度计算组件将视频流的I帧编码的比特数作为复杂度高低的参考值,与预置的限制带宽值进行连续对比,进而对编码比特率的峰值进行控制和平滑。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述CPU单元包括CPU和与其连接的VBV模块;所述CPU为多核CPU处理器,其中,CPU核心数目是8、12或16;所述核心数目是8的CPU为至强5500系列双4核CPU处理器。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述GPU单元包括GPU模块和向其提供数据参数的参数引入单元;所述GPU模块包括GPU视频处理器和与其连接的视频采集单元。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述参数引入单元包括依次设置的图像复杂度计算组件、视频量化形式组件和动态搜索模式组件。
5.根据1‐4项权利要求任一项所述的传输视频流装置的传输视频流的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1).对所述接口(5)接收的视频流进行传输格式转换;
(2).将输入的视频流转换进行压缩编码;
(3).所述接口(5)输出压缩编码后的视频流;
所述压缩编码方法包括:分别计算所采集到的视频信号的电平数据动态范围以及最佳量化窗口;在编码过程中所述双4核CPU处理器控制GPU单元和视频采集单元动态调整量化形式和搜索模式,计算所采集到的视频信号的电平数据,及时对准最佳量化窗口进行匹配,使视频量化数据的动态范围上探到满足数据处理的最大空间;所述双4核CPU处理器运用图像复杂度计算组件,使对各种图像差异的搜索都能快速适配而得到特征信息;所述双4核CPU处理器根据视频流的内容调用所述VBV模块的功能,对视频流进行编码;
所述双4核CPU处理器从所述视频编码优化组件中动态选择编码策略,划分视觉侧重点;所述视觉侧重点包括移动轮廓、渐变区域、色饱和度和景深;所述双4核CPU处理器控制所述时空域码率控制组件,对背景和运动物体分别进行不同的编码,使运动物体稍显模糊而背景仍保持清晰;所述双4核CPU处理器控制所述图像复杂度计算组件对视频流进行图像复杂度计算,所述图像复杂度计算组件将视频流的I帧编码的比特数作为复杂度高低的参考值,与预置的限制带宽值进行连续对比,进而对编码比特率的峰值进行控制和平滑。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,在所述步骤2中,GPU视频处理器和视频采集单元对输入的视频流处理形成量化数据序列后输入至双4核CPU处理器,由所述双4核CPU处理器进行压缩编码。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,在所述步骤3中,所述接口(5)将接收的压缩编码后的视频流进行传输格式转换后输出。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,在进行图像复杂度计算中引入以下参数:关键帧和加扰周期为1秒、帧率为FULL、类型为宽银幕、码率控制为CBR。
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