CN104270649A - 影像编码装置及影像编码方法 - Google Patents

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Abstract

一种影像编码装置及影像编码方法。影像编码装置包括编码单元、传输单元以及统计单元。编码单元以一编码帧率产生编码影像。传输单元根据编码影像经由网络提供视频流到客户端。统计单元根据编码影像计算于一第一检测时间内的编码率，并根据视频流计算于一第二检测时间内的传输率。编码单元根据编码率及传输率调整编码帧率。

Description

影像编码装置及影像编码方法
技术领域
本发明涉及一种影像编码(video encoding)的装置及方法，且特别涉及一种根据会话负载而动态调整的影像编码装置及方法。
背景技术
随着科技发展，影像编码技术被广泛应用于多种产品当中，且通常伴随着以网络传送编码后的影像。例如是网络摄影机(IP camera)，对于其拍摄的影像，经过影像编码以压缩数据量之后，可以经由网络即时传送给使用者观看。又例如是视频服务器(video server)，对于影像内容进行编码压缩后，经由网络传送给客户端(client)，以提供即时的流媒体(streaming media)服务。
对于有即时观看需求的应用，当影像数据经由网络传输时，往往因为网络传输品质不稳定或网络拥塞的问题，而导致客户端无法即时观看到流畅的视频流，造成使用者不愉快的使用经验。而如何能够有效因应不同的网络环境以提供流畅的视频流，乃目前业界所致力的课题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种影像编码装置以及影像编码方法，使得影像编码装置能够根据网络传输品质调整编码单元的编码帧率，以使得客户端能够获取流畅的视频流。
根据本发明的第一方面，提出一种影像编码装置。影像编码装置包括编码单元、传输单元以及统计单元。编码单元以一编码帧率产生编码影像。传输单元根据编码影像经由网络提供视频流到客户端。统计单元根据编码影像计算于第一检测时间内的编码率，并根据视频流计算于第二检测时间内的传输率。编码单元根据编码率及传输率调整编码帧率。
根据本发明的第二方面，提出一种影像编码方法，包括下列步骤：以编码帧率产生编码影像。根据编码影像经由网络提供视频流。根据编码影像计算第一检测时间内的编码率。根据视频流计算第二检测时间内的传输率。根据编码率及传输率，调整编码帧率。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1绘示依据本发明影像编码装置的示意图；
图2绘示依据本发明影像编码方法的流程图；
图3绘示依据本发明影像编码方法的调整编码帧率的子步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
常见的流媒体服务器例如是网络摄影机及视频服务器，而客户端例如是用户的手机、电脑等设备。当客户端建立会话(session)到服务器端请求视频流时，服务器端响应这样的请求发送视频流到客户端，而服务器端经由网络提供影音串流服务给客户端时，若是当前的网络传输品质较差(例如导因于客户端的无线网络信号接收品质下降、使用者数量增加导致的网络拥塞)，则服务器端编码完成的影像数据因当前的网络传输频宽下降而无法即时传送出去，使得服务器端会累积过多的影像帧(frame)，欲提供即时的视频流时，必须丢弃影像帧，如此会造成客户端所观看到的影像画面出现间断的感受。特别是在影像编码的过程中，通常是依据移动向量信息进行编码，即依据影像的前后帧进行移动估测与移动补偿，当丢弃影像帧时，会导致需要丢弃多张影像帧，解码端才能正确的解码，如此于客户端观赏到的视频流将出现明显的中断感。
举例而言，流媒体服务器以每秒30帧(frames per second,fps)的编码帧率进行影像编码，然而目前网络的传输品质所能容许的网络频宽，每秒仅能成功发送20帧影像至客户端，如此一来每秒必须丢弃10帧影像，因为过多的影像帧被丢弃，将造成使用者观看的影像画面有不连续感。
为解决上述问题，本发明提出一种根据会话负载(session loading)而动态调整编码帧率的影像编码装置以及影像编码方法。详细描述如下。
图1绘示依据本发明的影像编码装置的示意图。影像编码装置1包括编码单元10、传输单元12以及统计单元14。编码单元10以一编码帧率RFPS产生一编码影像Y。传输单元12根据编码影像Y经由网络提供一视频流Z到一客户端20。统计单元14根据编码影像Y计算于一第一检测时间To1内的编码率EBPS，并根据视频流Z计算于一第二检测时间To2内的传输率NBPS。编码单元10根据编码率EBPS及传输率NBPS调整编码帧率RFPS。
编码率EBPS及传输率NBPS的单位可以是数据量除以时间，例如可以是比特数/每秒(bits per second，亦即比特率)。第一检测时间To1与第二检测时间To2在时间轴上的重迭度越高越好，若第一检测时间To1等于第二检测时间To2，理论上应可获得较佳的效果。
编码单元10对一来源影像(未绘示于图中)执行编码。对于网络摄影机，来源影像例如是拍摄到的原始影像；对于视频服务器，来源影像例如是数据库内的多媒体数据。编码单元10可设定编码帧率RFPS，即决定编码后的影像每秒有多少帧影像，编码单元10以编码帧率RFPS产生编码影像Y，编码程序例如包括数据压缩处理，编码影像Y的影像格式例如是H.264或是MPEG-4。
在初始状态时，即客户端20刚建立会话请求视频流时，编码帧率RFPS初始设定为目标帧率TFPS。目标帧率TFPS例如是预先配置好的组态设定，或是客户端送出的会话请求所指定的目标帧率TFPS，目标帧率TFPS可以代表提供理想视频流品质的帧率的一个目标值。在不同的使用需求及环境下，目标帧率TFPS例如可以是30fps或是60fps。
传输单元12例如是一网络接口单元，负责网络的数据传输及数据控制，例如特别是针对网络传输层(transport layer)的工作。传输单元12根据编码影像Y，经由网络提供视频流Z到客户端20，视频流Z的传输视当前的网络传输品质而定，例如包括等待客户端送出的回应信号(ACK)、网络流量控制，以决定视频流Z的传输速率。
统计单元14根据编码影像Y计算于第一检测时间To1内的编码率EBPS，第一检测时间To1的长度例如是1秒，即每秒更新一次编码率EBPS。编码率EBPS代表编码影像Y的影像品质，编码率EBPS较高例如代表影像分辨率较高、影像帧率较高、及/或编码压缩过程的失真程度较低等等，编码率EBPS是取决于编码影像Y，与传输单元12经由网络传送的视频流Z无关。如前文所举例，编码率EBPS的单位可以是比特数/每秒，网络摄影机的编码率EBPS例如是每秒一百万比特(1Mbps)。
另一方面，统计单元14并根据视频流Z计算于第二检测时间To2内的传输率NBPS，第二检测时间To2的长度例如是1秒。传输率NBPS代表当前网络的传输品质，传输率NBPS较高例如代表所使用的网络连线频宽较高、目前使用的使用者数较低等等。对于不同的网络传输接口，例如WiFi、3G/4G移动通讯、有线网络，传输率NBPS的变动范围可能很宽，传输率NBPS的单位同样可以是比特数/每秒。
编码单元10根据统计单元14所计算得到的编码率EBPS及传输率NBPS调整编码帧率RFPS(单位:fps)。亦即，编码单元10考虑了当前的会话负载，而根据当前的网络状况，调整在编码程序当中的编码帧率RFPS，以改变编码影像Y的影像帧率。
于本发明上述实施例的影像编码装置，由于同时计算了编码率EBPS以及传输率NBPS，能够衡量目前编码单元10所输出的编码影像Y与目前传输单元12所输出的视频流Z的相对关系，而得知目前的网络状况是否处于拥塞，进一步能够对应地调整编码帧率RFPS，改变编码单元10的编码动作，使得编码影像Y的影像帧率能够更符合目前的网络传输频宽。
举例而言，当网络拥塞时，即传输率NBPS下降，此时编码单元10每秒所输出的数据量(编码率EBPS)大于传输单元12每秒所能输出的数据量(传输率NBPS)，此时便可以通知编码单元10调降编码帧率RFPS，使得编码单元10每秒所输出的数据量下降，以符合传输单元12每秒所输出的数据量。如此能够避免服务器端需要丢弃影像帧的情形，让客户端能够观赏到流畅的视频流。
本实施例当中的编码单元10、传输单元12、及统计单元14皆可以使用软件、硬件、或软硬件整合的方式实现。以软件方式实现例如可以是由非暂态电脑可读取媒介储存特定的程序码，由处理器载入程序码而执行。以硬件方式实现例如是执行特定功能的数字信号处理电路(DSP)，编码单元10、传输单元12、及统计单元14分别可以硬件实作，以达到高效率以及低功率的要求。
请参考图2，图2绘示依据本发明影像编码方法的流程图。影像编码方法包括下列步骤：首先，于步骤30，以编码帧率RFPS产生编码影像Y，例如以一个编码电路执行影像编码动作，初始状态将编码帧率RFPS设定为等于目标帧率TFPS。接着，于步骤32，根据编码影像Y经由网络提供视频流Z，例如以一个网络接口电路传输视频流Z到远端的用户设备。之后，于步骤34，根据编码影像Y计算第一检测时间To1内的编码率EBPS，第一检测时间To1例如是1秒。并且于步骤36，根据视频流Z计算第二检测时间To2内的传输率NBPS，第二检测时间To2例如是1秒。然后，于步骤38，根据编码率EBPS及传输率NBPS，调整编码帧率RFPS。图2的流程可以在会话(session)中反复(iteratively)执行，亦即只要会话没结束，步骤38之后可再次回到步骤30，并选择新的第一及第二检测时间。
以下说明本发明实施例当中调整编码帧率RFPS的详细步骤。请参考图3，图3绘示依据本发明影像编码方法的调整编码帧率的子步骤流程图。
首先，于步骤380，判断传输率NBPS是否小于等于编码率EBPS。当传输率NBPS小于等于编码率EBPS时(分支「是」)，代表目前的网络频宽可能不足以负荷目前的编码影像，可能有需要调降编码帧率RFPS，需做进一步判断。
于步骤381，计算传输率NBPS相对于编码率EBPS的相对比例R(＝NBPS/EBPS)，相对比例R是介于0到1之间的实数，根据相对比例R以调整编码帧率RFPS。如图1影像编码装置1的示意图，编码单元10根据相对比例R调整编码帧率RFPS。
当相对比例R大于等于第一参考系数x1时(分支「否」)，维持该编码帧率RFPS不变(步骤385)。第一参考系数x1例如设定为0.9，当传输率NBPS大于等于0.9倍的编码率EBPS时，代表目前的网络状况可能还足以应付数据传输，目前仅是略低于编码率EBPS，有可能是因为暂时的网络不稳定所导致，此时可以维持编码帧率RFPS不变以避免频繁地更动编码帧率RFPS。第一参考系数x1可以视使用需求而设定，上文当中设定为0.9仅为示例性说明。
当相对比例R小于第一参考系数x1时(分支「是」)，代表网络频宽已经太低，需要调降编码帧率RFPS，详细的调整方法如步骤382所示。第一暂定值TMP1_FPS设定为目前的编码帧率RFPS乘上相对比例R(R＝NBPS/EBPS)，第二暂定值TMP2_FPS设定为目前的编码帧率RFPS乘上第二参考系数x2，将编码帧率RFPS设定为第一暂定值TMP1_FPS与第二暂定值TMP2_FPS二者当中较大的一者。
换言之，当相对比例R大于等于第一参考系数x1时，维持编码帧率RFPS不变。当相对比例R小于第一参考系数x1且大于等于第二参考系数x2时，编码帧率RFPS乘上相对比例R。当相对比例R小于第二参考系数x2时，编码帧率RFSP乘上第二参考系数x2。
第二参考系数x2例如设定为0.5。步骤382即表示将编码帧率RFPS调降成为目前编码帧率RFPS的R倍(R代表传输率NBPS相对于编码率EBPS的相对比例)，但若相对比例R小于0.5，则将编码帧率RFPS调降为目前编码帧率RFPS的0.5倍。将编码帧率RFPS调降为R倍即是为了使得降低编码帧率RFPS之后的编码率EBPS能够符合目前网络状况的传输率NBPS，但若相对比例R太小，则一次调降的最大幅度设定为0.5倍，以避免编码帧率RFPS跳动幅度太大。
回到步骤380，当传输率NBPS大于编码率EBPS时(分支「否」)，代表目前的网络频宽足以负荷目前的编码影像，且可能尚有余裕，有机会可以增加编码帧率RFPS，需做进一步判断。
于步骤383，判断目前的编码帧率RFPS是否小于目标帧率TFPS，根据编码帧率RFPS与目标帧率TFPS的关系，以调整编码帧率RFPS。如图1影像编码装置1的示意图，编码单元10根据编码帧率RFPS与目标帧率TFPS的关系调整编码帧率RFPS。
当编码帧率RFPS小于目标帧率TFPS时(分支「是」)，此时可能网络频宽尚有余裕，可以增加编码帧率RFPS，于步骤384对于编码帧率RFPS增加一数值M。数值M大于等于1且小于等于编码帧率RFPS与目标帧率TFPS的差值，即编码帧率RFPS最多增加到等于目标帧率TFPS。M值例如可设定为1，即代表编码帧率RFPS于增加时每次增加1，是采取逐步增加的方式，不会一次突然增加太多而使得编码帧率RFPS有太大幅度的跳动，也不会因为突然的大幅增加而可能又导致网络频宽不足以负荷的情形。
当编码帧率RFPS等于目标帧率TFPS时(分支「是」)，即已经到达一开始预设的目标帧率TFPS，则维持编码帧率RFPS不变(步骤385)。
在初始状态时，编码帧率RFPS设定为目标帧率TFPS。于图3所示的流程中，左半部(步骤380的分支「是」)为调降编码帧率RFPS，右半部(步骤380的分支「否」)为增加编码帧率RFPS，而于增加编码帧率RFPS的过程中，最多增加到目标帧率TFPS，因此于此流程中，编码帧率RFPS所到达的最大可能值即为目标帧率TFPS(步骤383的分支「否」代表编码帧率RFPS等于目标帧率TFPS)。
于上述的实施例中，第一检测时间To1及第二检测时间To2设定为1秒，第一参考数值x1设定为0.9，第二参考数值设定为0.5，数值M设定为1。然而并不限定于此，上述各参数均可以视使用需求而作适当调整。
于本发明上述实施例的影像编码方法，能够根据会话负载而动态地调整编码帧率，以提供流畅的视频流。特别是在有即时(real-time)需求的应用中，例如视频会议或是即时监控的网络摄影机，使用本发明上述实施例的影像编码方法，能够避免服务器端丢弃影像帧，使得服务器端能够动态地因应网络状况而调整适当的编码帧率，以维持流畅的即时视频流。
此外，依据本发明上述实施例的影像编码方法，在需要调降编码帧率时，能够准确反应出目前编码率与传输率的相对关系，而能快速地调降到所需的编码帧率。并且对于调降的条件以及调降的范围皆设有适当门槛值，不致于太过频繁地调整(当网络品质有小扰动时不受影响)，也避免调降的过程中跳动的幅度太大可能造成的不稳定现象(限制一次调降的最大容许值，况且网络传输率突然陡降有可能只是短暂的现象)。另一方面，也能够判断出何时可以适当地增加编码帧率，在网络状况好转时，逐步地增加编码帧率，例如对于编码帧率一次增加1。如此以「乘性减、加性增」的方式调整编码帧率，不仅能够在不同的网络环境中快速地适应而提供流畅的视频流，并且能够避免过于频繁地改变编码帧率。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种影像编码装置，其特征在于，包括：
一编码单元，以一编码帧率产生一编码影像；
一传输单元，根据该编码影像经由网络提供一视频流到一客户端；以及
一统计单元，根据该编码影像计算于一第一检测时间内的一编码率，并根据该视频流计算于一第二检测时间内的一传输率；
其中该编码单元根据该编码率及该传输率调整该编码帧率。
2.根据权利要求1所述的影像编码装置，其特征在于，当该传输率小于该编码率时，该编码单元根据该传输率相对于该编码率的一相对比例，调整该编码帧率。
3.根据权利要求2所述的影像编码装置，其特征在于，当该相对比例大于等于一第一参考系数时，维持该编码帧率不变；当该相对比例小于该第一参考系数且大于等于一第二参考系数时，该编码帧率乘上该相对比例；当该相对比例小于该第二参考系数时，该编码帧率乘上该第二参考系数。
4.根据权利要求1所述的影像编码装置，其特征在于，当该传输率大于等于该编码率时，该编码单元根据该编码帧率与预设的一目标帧率之间的关系，调整该编码帧率。
5.根据权利要求4所述的影像编码装置，其特征在于，当该编码帧率等于该目标帧率时，维持该编码帧率不变；当该编码帧率小于该目标帧率时，该编码帧率增加一数值，该数值大于等于1且小于等于该编码帧率与该目标帧率的差值。
6.一种影像编码方法，其特征在于，包括：
以一编码帧率产生一编码影像；
根据该编码影像经由网络提供一视频流；
根据该编码影像计算于一第一检测时间内的一编码率；
根据该视频流计算于一第二检测时间内的一传输率；以及
根据该编码率及该传输率，调整该编码帧率。
7.根据权利要求6所述的影像编码方法，其特征在于，当该传输率小于该编码率时，根据该传输率相对于该编码率的一相对比例，调整该编码帧率。
8.根据权利要求7所述的影像编码方法，其特征在于，当该相对比例大于等于一第一参考系数时，维持该编码帧率不变；当该相对比例小于该第一参考系数且大于等于一第二参考系数时，该编码帧率乘上该相对比例；当该相对比例小于该第二参考系数时，该编码帧率乘上该第二参考系数。
9.根据权利要求6所述的影像编码方法，其特征在于，当该传输率大于等于该编码率时，根据该编码帧率与预设的一目标帧率之间的关系，调整该编码帧率。
10.根据权利要求9所述的影像编码方法，其特征在于，当该编码帧率等于该目标帧率时，维持该编码帧率不变；当该编码帧率小于该目标帧率时，该编码帧率增加一数值，该数值大于等于1且小于等于该编码帧率与该目标帧率的差值。
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