CN102780880A - 云计算终端及其编解码控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云计算终端及其编解码控制方法，其中的云计算终端包括处理器、外围设备和编解码模块，还包括编解码控制模块，该编解码控制模块进一步包括：ρ域码率控制单元，用于基于ρ域模型对编解码率进行控制；PID控制器，用于通过输入的码率与输出的码率得到码率偏差，并进一步利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正；码率控制单元，用于根据目标码率为图像分配编码比特数，根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整，从而选择出使解码图像的失真最小的量化参数对图像进行编码。可见，本发明针对云计算系统应用的特殊性，针对云计算终端的编解码进行控制，使其具有可伸缩编解码的功能，改善云系统性能和用户体验。

Description

云计算终端及其编解码控制方法

技术领域

本发明涉及云计算技术领域，尤其涉及一种云计算终端及其编解码控制方法。

背景技术

云计算的核心思想是，将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务，提供资源的网络被称为“云”，“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。云计算的原理是，通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将与互联网更相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。

参见图1，为云计算系统功能框图。云计算系统分为四个层次，分别为：前端接入层101、无线通信层102、应用服务层103、后台计算资源分配层104。前端接入层有多种实现形式，需要满足面向办公自动化应用的无线宽带应用终端，同时也要兼容其他移动办公设备，如手机、掌上电脑、笔记本电脑、车载电脑等。本发明主要针对前端接入层101中的云计算终端(具有云计算功能的终端，或简称云终端、云设备)，云计算终端的一个主要功能就是为用户提供音视频通信服务，云计算终端的音视频编解码技术对于整个云计算系统的性能以及用户体验有较大影响，由于云计算系统中网络的异构性及用户需求的多样性，基于公共网络传输数据时，网络带宽存在一定的抖动性，目前通常采用的编解码方法往往难以满足这方方面的需求，因此传统的编解码技术应用到云计算终端中难以取得良好的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种云计算终端及其编解码控制方法，通过高效的可伸缩编解码技术提高整个云计算系统的性能，改善用户体验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种云计算终端，包括处理器、外围设备和编解码模块，还包括编解码控制模块，该编解码控制模块进一步包括：ρ域码率控制单元，用于基于ρ域模型对编解码率进行控制；PID控制器，用于通过输入的码率与输出的码率得到码率偏差，并进一步利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正；码率控制单元，用于根据目标码率为图像分配编码比特数，根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整，从而选择出使解码图像的失真最小的量化参数对图像进行编码。

所述PID控制器包括：比例环节：成比例地反映偏差信号；积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节：反映偏差信号的变化速率，并在偏差信号大于预置的最大偏差阈值时，在系统中引入早期修正信号进行修正。

所述码率控制单元将该图像的初始码率与一个预置的编码阈值进行比较；确定初始码率是否符合编码要求，若符合，得出图像所需的量化参数，否则，先对图像的初始码率进行调整，再得出该图像所需的量化参数；根据量化参数对图像进行编码。

所述码率控制单元根据该图像的初始码率与编码阈值的相对码率误差、相对码率误差总合，以及相对码率误差变化趋势对图像的初始码率进行调整。

一种云计算终端编解码控制方法，包括以下步骤：基于ρ域模型对编解码率进行控制；利用PID控制器，通过输入的码率与输出的码率得到码率偏差，并进一步利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正；根据目标码率为图像分配编码比特数，根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整，从而选择出使解码图像的失真最小的量化参数对图像进行编码。

其中，所述利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正包括：比例环节：成比例地反映偏差信号；积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节：反映偏差信号的变化速率，并在偏差信号大于预置的最大偏差阈值时，在系统中引入早期修正信号进行修正。

其中，所述根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整包括：将该图像的初始码率与一个预置的编码阈值进行比较；确定初始码率是否符合编码要求，若符合，得出图像所需的量化参数，否则，先对图像的初始码率进行调整，再得出该图像所需的量化参数；根据量化参数对图像进行编码。

其中，所述对图像的初始码率进行调整包括：根据该图像的初始码率与编码阈值的相对码率误差、相对码率误差总合，以及相对码率误差变化趋势对图像的初始码率进行调整。

本发明的有益效果是：本发明针对云计算系统应用的特殊性，针对云计算终端的编解码进行控制，使其具有可伸缩编解码的功能，改善云系统性能和用户体验，例如，本发明方案可保证在网络信号不佳的情况下进行指令信息的可信化传输；可以解决在512Kb带宽情况下视频数据的无马赛克传输；以及可以实现在视频内容无变化时，视频数据量降低至原码流量的10％至15％。

附图说明

图1为现有技术云计算系统功能框图；

图2为本发明云计算终端结构示意图；

图3为本发明云计算终端实现原理图；

图4为本发明云计算终端中编解码控制模块的结构示意图；

图5为本发明云计算终端中编解码控制模块中模拟PID控制器的原理图；

图6为本发明云计算终端中编解码控制模块中码率控制单元编码流程图；

图7为本发明云计算终端编解码控制方法流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明中的云终端主要由ARM处理芯片作为主处理芯片的嵌入式硬件设备，同时配套有显示器、键盘、鼠标等外围设备，增加了系统的扩展性和系统的稳定性。如图2所示，为云终端结构示意图。终端设备采用方盒结构，具有三防功能。方盒具有固定结构，可方便在平面或墙壁上安装。视频采集头采用铰链支架安装在方盒上，可以旋转以方便调整采集角度。各个外接借口根据电路的配置合理地在方盒面上进行布置。

如图3所示，为云终端实现原理图。终端设备将采集的音视频、地理位置等信息通过软件通道技术进行同步压缩编码。经过编码后的数据可分为3路。一路采用无线传输的方式，采用IEEE802.15.4协议，通过射频(RF)进行图像短距离无线传输(基于GIF分辨率15fps/channel)。一路可采用有线传输方式，通过有线传输至后台。一路数据直接存储于本地。在终端设备中ARM主要负责任务调度作用，如：视频输入接口的音视频采集频率、终端节点ID标定、Codec编码方式及码流大小，传输通道的选择等。

下面重点对云终端的编解码实现进行介绍。

鉴于云计算环境下办公网络异构性以及用户需求多样性，采取可伸缩编码算法是解决视频通信中的网络环境异构性和用户需求多样性的重要途径。在研究H.264/AVC可伸缩编码模型的关键技术基础上，提出了一种基于运动区域的自适应可伸缩编码的优化实施方案。该方案根据基本层的运动信息及编码模式自动提取图像的运动感兴趣区域，并以独立片的形式对其进行时间、空间和质量上的可伸缩编码，不仅降低了编码复杂度，而且提高了重建图像的质量。

本发明将设计一种高效率的针对视频传输需求的可伸缩视频编解码控制方案，可伸缩编码分为三个过程，ρ域码率控制策略；PID控制器；基于ρ域模型的可伸缩性视频编码的码率控制策略。

如图4所示，为云计算终端中编解码控制模块的结构示意图，该模块用于对编解码模块进行控制，可集成在编解码模块中，也可以与编解码模块独立存在，该编解码控制模块进一步包括ρ域码率控制单元401、PID控制器402和码率控制单元403。下面对各个单元的具体功能作详细介绍。

(1)ρ域码率控制单元401

概括而言，ρ域码率控制单元401主要功能是基于ρ域模型对可伸缩编码进行控制。

具体地，在本发明中采用基于ρ域模型的可伸缩视频编码控制策略，ρ域模型利用ρ-rate的关系从所给的比特率得到目标ρ，再利用ρ.QP的关系选择所需的QP，从而达到码率控制的目的。ρ的计算如公式(1.1)所示：

$\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{QP}\right)=\frac{1}{M}\underset{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{\left|x_{\mathrm{ij}}\right|<t(i,j,\mathrm{QP})}{\mathrm{\&Sigma;}}{D}_{\mathrm{ij}}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)---\left(1.1\right)$

其中，M为所编图像中系数的数量，x_ij为在4×4的子块(block)中位于位置G力的DCT变换系数x_ij，D_ij为位于位置(i，j)的变化系数的柱状图，t(i，j，QP)是判断位于位置(i，j)的变换系数T_I，是否为零系数x_ij的阀值。ρ同比特率之间的关系被定义为：

$\mathrm{\&rho;}\left(R\right)=\frac{R_0-R*(1-{\mathrm{\&rho;}}_0)}{R_0}---\left(1.2\right)$

其中，ρ₀为可由一给定的QP然后根据式(1.1)得到，R为用所给定的QP编码后所得的比特率。此定义在可伸缩性视频编码中同样适用。

(2)PID控制器402

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。模拟PID控制系统原理框图如图5所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差：

error(t)＝rin(t)-yout(t)(1.3)

PID的控制规律为：

$\mathrm{\&mu;}\left(k\right)=k_p(\mathrm{error}\left(k\right)+\frac{1}{T_I}{\&Integral;}_0^t\mathrm{error}\left(t\right)\mathrm{dt}+\frac{T_D\mathrm{derror}\left(t\right)}{\mathrm{dt}})---\left(1.4\right)$

式中，k_p为比例系数；T_I为积分时间常数；T_D为微分时间常数。离散系统的PID可写为：

$\mathrm{\&mu;}\left(k\right)=k_p(\mathrm{error}\left(k\right)+\frac{T}{T_I}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{error}\left(j\right)+\underset{T}{\overset{T_D}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{error}\left(k\right)-\mathrm{error}(k-1)))---\left(1.5\right)$

式中，k_i＝k_p/T_I，k_d＝k_pT_D，T为采样周期，k为采样序列，k＝1，2...，error(k-1)和error(k)分别为第(k-1)和k时刻所得的偏差信号。PID控制器中校正环节的作用如下：

(2.1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

(2.2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T_I，T_I越大，积分作用越弱，反之越强。

(2.3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

应用到本发明，PID控制器通过输入的码率与输出的码率得到码率偏差，并进一步利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正。

(3)码率控制单元403

码率控制单元403主要功能是基于ρ域模型对可伸缩性视频编码的码率进行控制。

码率控制的主要目的是控制编码输出的比特流以满足给定的目标码率，包括两个方面：首先，根据目标码率给GOP，帧或者宏块分配编码比特数；然后，选择合适的量化参数对图像进行编/解码，以尽可能地达到目标码率并使解码图像的失真最小。以编码为例，本文所采用的码率控制算法，如图6所示，对可伸缩性视频编码的各编码层分别进行控制，在各层中都采用相同的码率控制策略。

S601：图像组码率分配；

S602：对图像组的各个图像进行初始码率分配；具体地，根据该图像的

复杂度以及在图像组中的重要性进行初始化码率分配。

S603：取出图像组的任意一个图像(一般按照顺序取)，将该图像的初始码率与一个预置的编码阈值进行比较，确定初始码率是否符合编码要求？若符合，执行S605，否则，先执行S604再执行S605；

S604：对该图像的初始码率进行调整；具体地，根据该图像的初始码率与编码阈值的相对码率误差、相对码率误差总合，以及相对码率误差变化趋势进行调整。

S605：得出该图像所需的量化参数；

S606：根据量化参数对图像进行编码。

参见图7，为本发明云计算终端编解码控制方法，包括以下步骤：

S701：基于ρ域模型对编解码率进行控制；

S702：利用PID控制器，通过输入的码率与输出的码率得到码率偏差，并进一步利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正；

S703：根据目标码率为图像分配编码比特数，根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整，从而选择出使解码图像的失真最小的量化参数对图像进行编码。

其中S702进一步包括：

比例环节：成比例地反映偏差信号；

积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度；

微分环节：反映偏差信号的变化速率，并在偏差信号大于预置的最大偏差阈值时，在系统中引入早期修正信号进行修正。

其中S703进一步包括：

将该图像的初始码率与一个预置的编码阈值进行比较；

确定初始码率是否符合编码要求，若符合，得出图像所需的量化参数，否则，先对图像的初始码率进行调整，再得出该图像所需的量化参数；

根据量化参数对图像进行编码。

具体地，对图像的初始码率进行调整包括：

根据该图像的初始码率与编码阈值的相对码率误差、相对码率误差总合，以及相对码率误差变化趋势对图像的初始码率进行调整。

可见，本发明针对云计算系统应用的特殊性，针对云计算终端的编解码进行控制，使其具有可伸缩编解码的功能，例如，本发明方案可保证在网络信号不佳的情况下进行指令信息的可信化传输；可以解决在512Kb带宽情况下视频数据的无马赛克传输；以及可以实现在视频内容无变化时，视频数据量降低至原码流量的10％至15％。

以上所述仅是本的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本的保护范围。

Claims (8)

1.一种云计算终端，包括处理器、外围设备和编解码模块，其特征在于，还包括编解码控制模块，该编解码控制模块进一步包括：

ρ域码率控制单元，用于基于ρ域模型对编解码率进行控制；

PID控制器，用于通过输入的码率与输出的码率得到码率偏差，并进一步利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正；

码率控制单元，用于根据目标码率为图像分配编码比特数，根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整，从而选择出使解码图像的失真最小的量化参数对图像进行编码。

2.根据权利要求1所述云计算终端，其特征在于，所述PID控制器包括：

比例环节：成比例地反映偏差信号；

积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度；

微分环节：反映偏差信号的变化速率，并在偏差信号大于预置的最大偏差阈值时，在系统中引入早期修正信号进行修正。

3.根据权利要求1所述云计算终端，其特征在于，所述码率控制单元将该图像的初始码率与一个预置的编码阈值进行比较；确定初始码率是否符合编码要求，若符合，得出图像所需的量化参数，否则，先对图像的初始码率进行调整，再得出该图像所需的量化参数；根据量化参数对图像进行编码。

4.根据权利要求3所述云计算终端，其特征在于，所述码率控制单元根据该图像的初始码率与编码阈值的相对码率误差、相对码率误差总合，以及相对码率误差变化趋势对图像的初始码率进行调整。

5.一种云计算终端编解码控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于ρ域模型对编解码率进行控制；

利用PID控制器，通过输入的码率与输出的码率得到码率偏差，并进一步利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正；

根据目标码率为图像分配编码比特数，根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整，从而选择出使解码图像的失真最小的量化参数对图像进行编码。

6.根据权利要求5所述云计算终端编解码控制方法，其特征在于，所述利用比例环节、积分环节和微分环节对码率进行修正包括：

比例环节：成比例地反映偏差信号；

积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度；

微分环节：反映偏差信号的变化速率，并在偏差信号大于预置的最大偏差阈值时，在系统中引入早期修正信号进行修正。

7.根据权利要求5所述云计算终端编解码控制方法，其特征在于，所述根据预置的码率阈值对编码比特数进行调整包括：

将该图像的初始码率与一个预置的编码阈值进行比较；

确定初始码率是否符合编码要求，若符合，得出图像所需的量化参数，否则，先对图像的初始码率进行调整，再得出该图像所需的量化参数；

根据量化参数对图像进行编码。

8.根据权利要求7所述云计算终端编解码控制方法，其特征在于，所述对图像的初始码率进行调整包括：

根据该图像的初始码率与编码阈值的相对码率误差、相对码率误差总合，以及相对码率误差变化趋势对图像的初始码率进行调整。

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