CN107659827A - 基于内容分析的桌面视频编码控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明基于内容分析的桌面视频编码控制系统，涉及用于发送屏幕画面视频的装置，包括：屏幕视频采集模块，其被配置为实时采集所述装置的屏幕画面；屏幕画面内容分析模块，其被配置为对所采集的每一帧屏幕画面进行分析；多路视频编码器，其被配置为并行或按需对所采集的屏幕画面进行视频编码；其中，所述装置被配置为：根据所述分析结果，选择所述多路视频编码器中的一路编码器输出的视频，用于发送。本发明使用了全新系统框架，基于桌面内容来分析画面，并根据分析结果来分配码率、选择传输视频的参考帧，从而能够更灵活地适应各种不同的网络状况，使内容分享传输更加可靠，保证了用户的使用体验。

Description

基于内容分析的桌面视频编码控制系统
技术领域
本发明涉及通信和视频处理技术领域，具体地，涉及用于视频会议等场合的基于内容分析的桌面视频编码控制系统。
背景技术
基于互联网的视频通信技术被广泛应用企业或个人进行视频会议等工作和生活应用场合。在这些应用中，经常需要对电脑桌面显示的画面进行抓取，然后使用视频编码技术，比如H.264、H.265等国际标准，对抓屏数据进行编码，然后实时传输。
现有的视频编码传输系统在使用视频编码技术编码电脑桌面屏幕画面的过程中，并不对桌面屏幕画面进行内容分析，而是将画面整体作为输入，交由视频编码器进行处理。
由于人们在操作电脑时，电脑桌面屏幕内容变化多端，不做内容分析，使用单一的参数设置编码器，往往不能得到最优的压缩比率、最优的视频质量和最佳的视频体验。在现有的系统中，视频编码的帧率和分辨率，一般仅根据网络带宽来确定，且某一帧是否为参考帧往往按固定模式设置。另外，各帧码率几乎平均分配，这对于例如幻灯片演示等的典型场景来说并不合理。再者，在现有的系统中，帧内编码帧(参考帧，例如I帧)的选择，要么是丢包发生时选择帧内编码帧，要么是单一周期性的帧内编码，并不对桌面内容进行任何分析。
因此，在桌面视频的传输中，为了进一步优化体验，有针对桌面内容进行分析、然后选择最佳参数对视频编码和传输系统进行控制的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，设计本视频编码和传输控制系统，针对电脑屏幕内容进行分析，然后根据内容分析结果，结合网络传输状况控制编码器的编码参数，比如码率，分辨率，帧内编码帧间隔，参考帧选择，跳帧决策和量化参数等。
根据本发明的实施例，提供了一种用于发送屏幕画面视频的装置，包括：屏幕视频采集模块，其被配置为实时采集所述装置的屏幕画面；屏幕画面内容分析模块，其被配置为对所采集的每一帧屏幕画面进行分析；多路视频编码器，其被配置为并行或按需对所采集的屏幕画面进行视频编码；其中，所述装置被配置为：根据所述分析结果，选择所述多路视频编码器中的一路编码器输出的视频，用于发送。
根据本发明的实施例，其中，所述多路视频编码器包括：第一路视频编码器，其采用静态参考帧编码方案，其具有固定模式的参考帧结构，第二路视频编码器，其采用动态参考帧编码方案，其具有动态变化的参考帧结构。
根据本发明的实施例，其中，所述多路视频编码器还包括：第三路视频编码器，其采用全帧内编码方案。
根据本发明的实施例，所述装置还被配置为：根据当前网络状况，调整所述多路视频编码器的编码参数。
根据本发明的实施例，所述装置还被配置为：根据所述分析结果，选择并指示所述多路视频编码器中的一路编码器对所采集的屏幕画面进行编码，将由该路编码器编码后的视频流直接或经由服务端分发到接收端设备。
根据本发明的实施例，其中，所述屏幕画面内容分析模块还被配置为：通过对所采集的每一帧屏幕画面进行分析，确定对视频质量影响大的帧。
根据本发明的实施例，其中，所述屏幕画面内容分析模块还被配置为：通过比较当前帧与前一帧画面的差异，将差异较大的当前帧视为对视频质量影响大的帧。
根据本发明的实施例，所述装置还被配置为：在所述网络状况良好的情况下，所述装置选择第一路视频编码器。
根据本发明的实施例，所述装置还被配置为：在所述网络状况一般的情况下，所述装置选择第二路视频编码器，其中，将对视频质量影响大的帧编码为参考帧，将其余帧编码为非参考帧。
根据本发明的实施例，所述屏幕画面内容分析模块还被配置为：通过对所采集的每一帧屏幕画面进行分析，确定对视频质量影响大的帧，
根据本发明的实施例，所述装置还被配置为：在所述网络状况不良的情况下，选择第三路视频编码器，其中，仅对视频质量影响大的帧进行帧内编码，而不对其余帧进行编码。
根据本发明的实施例，所述装置还被配置为：通过帧重复方式，使第三路视频编码器的输出帧率与第二和第一路视频编码器相同。
根据本发明的实施例，提供了一种采用所述装置来发送屏幕画面视频的方法，包括以下步骤：实时采集所述装置的屏幕画面；对所采集的每一帧屏幕画面进行分析；并行或按需对所采集的屏幕画面进行视频编码；根据所述分析结果，选择所述多路视频编码器中的一路编码器输出的视频，用于发送。
本发明使用了全新系统框架，基于桌面内容来分析画面，并根据分析结果来分配码率(通过调节分辨率、帧率、跳帧方式而实现)、选择传输视频的参考帧，从而能够更灵活地适应各种不同的网络状况，使内容分享传输更加可靠，保证了用户的使用体验。此外，本发明采用了全帧内编码系统以及基于全帧内编码的码流切换技术。本发明可使用无线局域网通信标准协议的5GHz频段来传输传屏装置和终端的数据，在传屏装置和终端在同一会议室的情况下，数据传输更加稳定可靠。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的基于内容分析的桌面视频编码控制系统的系统框架示意图；
图2为根据本发明的实施例的基于内容分析的桌面视频编码控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。
另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。
下面结合附图对具体实施方案进行详细描述。
按照以下章节顺序来说明本发明的原理。
1、系统框架；2、基于内容分析的参考帧选择；3、基于内容分析的编码参数设置；4、基于内容分析的全帧内编码。
本领域的技术人员能够理解，本发明的实现并不依赖于、也不限于上述列举的特征，能够在省略或添加特征、改变特征次序的情况下实现本发明，只要不背离本发明的原理即可。
图1为根据本发明的实施例的基于内容分析的桌面视频编码控制系统的系统框架示意图；图2为根据本发明的实施例的基于内容分析的桌面视频编码控制方法的流程示意图。
如图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种采用所述装置来发送屏幕画面视频的方法，主要包括以下步骤：实时采集所述装置的屏幕画面；对所采集的每一帧屏幕画面进行分析；并行或按需对所采集的屏幕画面进行视频编码；根据所述分析结果，选择所述多路视频编码器中的一路编码器输出的视频，用于发送。
下面具体说明本发明的实施例的实现。
1、系统框架
如图1所示，该系统包括：位于发送端的电脑桌面采集模块、电脑桌面内容分析模块、多路视频编码器；位于服务端的网络传输模块；位于接收端的多个客户端。
其中，服务端及其网络传输模块是可选的，即，所述发送端可在不通过服务端中转的情况下，直接向接收端发送屏幕画面。
根据本发明的实施例，通过在发送端(即，要传送电脑桌面视频的一端)使用多路视频编码器对同一电脑桌面进行编码，可为每路视频编码器设置不同的分辨率、帧率和码率等编码参数。因此，每路视频编码器输出的视频将具有不同的视频格式细节。
例如，多路视频编码器可包括三路视频编码器。
第一路视频编码器可采用静态参考帧编码方案，其具有默认的参考帧结构，即，采用固定模式选择参考帧。另外，可对此路编码器初始设置具有典型帧率(例如，15帧/秒)、固定的码率(例如1000kbps)和分辨率(例如480p)等的编码参数。在良好的网络状况下(例如，发送和接收端均处于Wifi网络环境下)，可采用此路编码器的初始设置。如下所述，在网络状况发生变化时、或者，结合视频内容的分析，例如根据视频内容的复杂度，也可动态调整此路编码器的编码参数。
第二路视频编码器可采用如下所述的动态参考帧的编码方案，即，根据对桌面视频内容进行分析的结果，选择对视频质量影响大的帧作为参考帧(例如，I帧)，而其它作为非参考帧。
第三路视频编码器可采用如下所述的全帧内编码(例如全I帧编码)方案，其用于在网络传输条件受限时(例如，发送端处于移动3G/4G网络，其不如Wifi网络稳定)，通过内容分析，仅对视频质量影响大的帧进行帧内编码。
这样，系统能够用户当前的网络状况(例如，发送端用户的网络上行带宽、接收端用户的网络下行带宽)、以及发送端和接收端的用户设备的编解码能力，灵活选择多路视频编码器中的一路用于发送，即，系统根据带宽不同、设备不同，将发送不同的视频编码码流。对网络带宽比较好且设备处理能力比较高的用户，发送高分辨率、高帧率和高质量的视频编码码流，反之发送较低分辨率、较低帧率和较低质量的视频编码码流。
本发明在嵌入式开发平台上经过验证，能够满足多路1920×1080i和1920×1080p高清视频的实时编解码和实时显示。
2、基于内容分析的参考帧选择
根据本发明的实施例在对桌面内容进行分析后(例如，如上所述，比较当前和前一画面之间的差异)，选择对视频质量影响大的帧，作为参考帧，而对视频质量影响不大的帧，作为非参考帧。
接下来，可结合视频传输的数据包保护技术，对参考帧进行保护，在网络传输丢包情况下优先选择丢弃非参考帧，在易丢包环境下也能保证视频质量和用户体验。
3、基于内容分析的编码参数设置
在编码过程中，对每一帧电脑桌面数据进行内容分析，根据内容的不同，采用不同的编码参数对编码器进行设置。
在本发明的实施例中，除了基于网络带宽，还结合视频内容的分析，根据视频内容的复杂度，来确定编码的帧率和分辨率，保障最优的视频质量，并在视频编码过程中实时进行调整。当视频内容是文档展示这类应用，则优先设置以高分辨率编码；当视频内容是电影这类应用，则优先设置以高帧率编码。
根据本发明的实施例，在对桌面内容进行分析后，分配更较高码率给视频质量影响大的帧，对视频质量影响小的帧分配较低码率，甚至不分配码率(即，当前帧的画面无变化，直接重复上一帧)，以在有限的码率下得到更优异的视频质量。
具体地，作为示例，可通过比较当前帧与前一帧画面的差异，将差异较大(例如，超过预定阈值)的当前帧视为对视频质量影响大的帧，对当前帧分配较高的码率。这样，根据桌面内容的特点，例如在播放PPT时，能够在切换每页演示稿时，对显示演示稿的新一页的当前帧分配较高的码率，而对演示稿页面无变化情况下的帧分配较低码率(或简单重复上一帧)，从而能够在保证观看体验的同时节省发送和接收带宽。
4、基于内容分析的全帧内编码
本发明在系统中使用一路编码器做全帧内编码，结合带宽情况，选择跳帧编码；由于帧内编码帧有不依赖前后帧进行解码的特点，当丢包发生时，可以不依赖前后帧直接恢复解码图像。非全帧内编码帧的编码方式，当丢包发生时，需要反馈进行帧内编码，或者反复重传数据，延迟较大。而全帧内编码帧，在丢包情况严重时，可以有效的减少视频延迟。
另外当有客户端严重丢包时，可以直接从当前视频流切换到全帧内编码的流中，减少了视频切换的延迟。
基于上述内容分析，除了基于网络带宽，还结合视频内容的分析，根据视频内容的重要性，选择对重要的视频进行编码，对不重要的视频进行跳帧，在满足网络带宽需求的条件下保障了最优的视频质量，同时还能节省网络带宽。
5、桌面视频画面差异计算
下面，举例说明如何进行当前帧与前一帧画面差异的计算。
具体地，作为示例，如上所述，可通过比较当前帧与前一帧画面的差异，将差异较大(例如，超过预定阈值)的当前帧视为对视频质量影响大的帧，并编码为参考帧。
根据本发明的实施例，桌面视频画面差异计算可主要包括以下步骤：
步骤1、对已采集图像的特定周期(定义为观察窗，例如，5秒周期的观察窗)内的视频帧，以第二帧至最后一帧依次作为当前帧，分别判定当前帧与前一帧的画面差异程度；
步骤2、根据当前帧与前一帧的画面差异程度，将当前帧分类为静态帧、小动态帧、大动态帧，其中，静态帧、小动态帧、大动态帧与前一帧的画面差异程度逐步增大；
步骤3、统计所述特定周期中的静态帧、小动态帧、大动态帧各自所占的比例，并且，该方法根据所述统计的结果跳转到以下步骤4至6中的一个；
步骤4、根据步骤3的统计结果，如果所述静态帧的比例大于第一阈值，则将所述视频判定为第一类型的视频(视频内容处于静态，如呈现文档、没有对桌面任何操作的视频)；
步骤5、根据步骤3的统计结果，如果所述静态帧的比例不大于第一阈值、且所述小动态帧在所述静态帧之外的帧中所占的比例大于第二阈值，则将所述视频判定为第二类型的视频(视频内容有较小变化，如图像内容为文档编辑模式，通常用户是在对文档做局部编辑、修改)；
步骤6、根据步骤3的统计结果，如果静态帧的比例不大于第一阈值、且所述小动态帧在所述静态帧之外的帧中所占的比例不大于第二阈值，则将所述视频判定为第三类型的视频(视频内容有较大变化，如视频播放模式，通常用户是在播放视频)。
具体地，作为示例，在步骤1中，根据分块规则(例如，均匀分块、或者基于感兴趣区域来分块)，以同样方式，将已采集图像的每帧各自分成若干个单元块，并判断每个单元块的内容是否有变化。之后，在步骤2中，基于以上单元块变化情况，统计每帧中的单元块变化比率，根据比率的大小将当前帧分类为静态帧、小动态帧、大动态帧。
更具体地，作为示例，在步骤1中，使用循环冗余校验(CRC)算法，计算得出每帧中每个单元块数据的散列(Hash)值。通过比较前后两帧相同位置的单元块的散列值，判断单元块内容是否有变化，例如，如果相同单元块的散列值不同，则单元块内容有变化；如果相同位置单元块的散列值相同，则单元块内容没有变化。由此，基于以上单元块变化情况，统计每帧单元块变化比率，根据比率的大小把图像帧分类为上述三类。
可选地，在步骤2中，可对图像的每一帧使用循环冗余校验算法，计算得出每帧图像的散列值。基于计算得出的散列值，在视频观察窗中统计静态帧(相同帧)的数目。
这样，上级的控制系统能够例如上述图像帧分类的结果，结合用户当前的网络状况(例如，发送端用户的网络上行带宽、接收端用户的网络下行带宽)、适当地选择编码方式、以及编码参数，例如编码方式包括常规编码、全帧内编码、跳帧编码等方式，编码参数包括编码帧率、码率、分辨率等参数。由此，还结合视频内容的分析，在满足网络带宽需求的条件下保障了最优的视频质量，同时还能节省网络带宽。
最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于发送屏幕画面视频的装置，包括：
屏幕视频采集模块，其被配置为实时采集所述装置的屏幕画面；
屏幕画面内容分析模块，其被配置为对所采集的每一帧屏幕画面进行分析；
多路视频编码器，其被配置为并行或按需对所采集的屏幕画面进行视频编码；
其中，所述装置被配置为：根据所述分析结果，选择所述多路视频编码器中的一路编码器输出的视频，用于发送。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多路视频编码器包括：
第一路视频编码器，其采用静态参考帧编码方案，其具有固定模式的参考帧结构，
第二路视频编码器，其采用动态参考帧编码方案，其具有动态变化的参考帧结构。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述多路视频编码器还包括：
第三路视频编码器，其采用全帧内编码方案。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其还被配置为：根据当前网络状况，调整所述多路视频编码器的编码参数。
5.根据权利要求4所述的装置，其还被配置为：根据所述分析结果，选择并指示所述多路视频编码器中的一路编码器对所采集的屏幕画面进行编码，将由该路编码器编码后的视频流直接或经由服务端分发到接收端设备。
6.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述屏幕画面内容分析模块还被配置为：通过对所采集的每一帧屏幕画面进行分析，确定对视频质量影响大的帧。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述屏幕画面内容分析模块还被配置为：通过比较当前帧与前一帧画面的差异，将差异较大的当前帧视为对视频质量影响大的帧。
8.根据权利要求6所述的装置，其还被配置为：在所述网络状况良好的情况下，所述装置选择第一路视频编码器。
9.根据权利要求6所述的装置，其还被配置为：在所述网络状况一般的情况下，所述装置选择第二路视频编码器，其中，将对视频质量影响大的帧编码为参考帧，将其余帧编码为非参考帧。
10.根据权利要求3所述的装置，其中，所述屏幕画面内容分析模块还被配置为：通过对所采集的每一帧屏幕画面进行分析，确定对视频质量影响大的帧，
所述装置还被配置为：在所述网络状况不良的情况下，选择第三路视频编码器，其中，仅对视频质量影响大的帧进行帧内编码，而不对其余帧进行编码。
11.根据权利要求9所述的装置，其还被配置为：通过帧重复方式，使第三路视频编码器的输出帧率与第二和第一路视频编码器相同。
12.一种采用权利要求1至11中的一个所述的装置来发送屏幕画面视频的方法，包括以下步骤：
实时采集所述装置的屏幕画面；
对所采集的每一帧屏幕画面进行分析；
并行或按需对所采集的屏幕画面进行视频编码；
根据所述分析结果，选择所述多路视频编码器中的一路编码器输出的视频，用于发送。
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