CN109889836B - 优化无线视频接收器能效的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化无线视频接收器能效的方法，该方法中首先构建了一种简单但有效的双边能量感知模型来描述无线视频接收器的能量消耗；然后采用最小二乘法确定所述双边能量感知模型的系数；然后通过拉格朗日乘因子法计算所述双边能量感知模型的最优解，根据最优解在无线视频发送器中选择最佳编码参数来优化接收器的能量消耗。与传统视频流策略相比，该优化无线视频接收器能效的方法所提出的双边能量感知模型具有模型简洁、计算高效易于实现的特点，在给定的视频质量约束下能显著节省接收器的能量消耗。

Description

优化无线视频接收器能效的方法

技术领域

本发明是关于移动视频通信技术领域，特别是关于一种优化无线视频接收器能效的方法。

背景技术

近年来，移动设备在计算能力、内存、屏幕分辨率等方面变得更加强大，为移动设备上观看电视和多媒体内容提供了改进的体验。然而，受到无线信道的传输差错和移动设备的有限电池功率限制，从基站按时向各种移动接收器广播视频数据是具有挑战性的任务。不稳定的无线信道通常遭受多路径和遮挡效应干扰，在编码比特率和帧内刷新率之间实现平衡就显得格外重要。此外，移动设备是便携式的，并且只能配备寿命有限的小电池，故在流媒体会话期间需要节省移动设备的能量以便用户可以观看更长时间的视频。

发明人在实现本发明的过程中发现，当前大多数关于编码比特率、失真控制和功耗之间折衷的模型高度复杂，考虑到无线传输系统的实时性要求，并不适合于实际的流式视频业务。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化无线视频接收器能效的方法，具有模型简洁、计算高效易于实现的特点，能够满足无线传输系统中流式视频业务的实时性要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种优化无线视频接收器能效的方法，该方法用于降低所述无线视频接收器播放视频流过程中的传输和解码功耗，该优化无线视频接收器能效的方法包括：根据无线视频接收器的通信能耗和解码能耗得到双边能量感知模型E＝(T×E_b+k₁)×α×R_I+(T×E_b+k₂)×(1-α)×R_P+k₃×α+k₄，其中，T为调度窗口的时长，E_b为单位比特传输能耗，α为所述调度窗口内的帧内帧的比例，R_I为所述调度窗口内的帧内帧的码率，R_p为所述调度窗口内的帧间帧的码率，R_d为所述调度窗口内的总码率，即R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p，c₁，c₂，c₃，c₄，c₅为加权系数，k₁＝c₁+c₄，k₂＝c₂+c₄，k₃＝c₃，k₄＝c₅；采用最小二乘法确定所述双边能量感知模型的系数k₁，k₂，k₃，k₄；在所述双边能量感知模型中输入所述调度窗口的时长T，所述单位比特传输能耗E_b，所述系数k₁，k₂，k₃，k₄，所述总码率R_d，接收器缓冲区长度B，以及受限失真水平最大值D，通过拉格朗日乘因子法计算所述双边能量感知模型的所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解；根据所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解，在无线视频发送器中设置最佳编码参数。

在一优选的实施方式中，根据无线视频接收器的通信能耗和解码能耗得到所述双边能量感知模型包括：计算所述通信能耗E_r＝R_d×T×E_b；计算所述解码能耗E_d＝c₁×α×R_I+c₂×(1-α)×R_P+c₃×α+c₄×R_d+c₅；计算所述无线视频接收器总能耗E＝(c₁+c₄+T×E_b)×α×R_I+(c₂+c₄+T×E_b)×(1-α)×R_P+c₃×α+c₅；令k₁＝c₁+c₄，k₂＝c₂+c₄，k₃＝c₃，k₄＝c₅，最终得到如下双边能量感知模型：E＝(T×E_b+k₁)×α×R_I+(T×E_b+k₂)×(1-α)×R_P+k₃×α+k₄。

在一优选的实施方式中，通过微软的Joulemeter软件测量接收器的能量消耗从而确定所述双边能量感知模型的所述系数k₁，k₂，k₃，k₄。

在一优选的实施方式中，通过微软的Joulemeter软件测量接收器的能量消耗从而确定所述双边能量感知模型的所述系数k₁，k₂，k₃，k₄包括：将x264编码器和ffmpeg解码器分别用于生成和解码视频包进而模拟LTE/4G网络传输；将所述调度窗口的时长T设置为秒级，根据网络接口参数配置所述单位比特传输能耗值E_b，所述调度窗口内的帧内帧的比例α设置为(0,1)范围，所述调度窗口内的总码率R_d设置在几百Kbps到几Mbps的范围；测量不同(α,R_d)组合下的能耗数据，形成E～(α,R_d)三维测量曲面；采用最小二乘方法拟合所述调度窗口内的帧内帧的比例α、所述调度窗口内的总码率R_d和相应的所述能耗数据组成的三维数据点从而得到所述双边能量感知模型的所述系数k₁，k₂，k₃，k₄。

在一优选的实施方式中，通过拉格朗日乘因子法计算所述双边能量感知模型的所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解包括：以所述调度窗口内的总码率约束、缓冲区约束以及失真约束为约束条件，以总能量消耗最低为目标函数，根据拉格朗日乘因子法计算所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解，其中，所述总码率约束为R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p≤R；所述缓冲区约束为R_d×T×(R-R_d)/(n×R)≤B，其中n是每个突发完全填充和清空所述接收器缓冲区的最小值；所述失真约束为

其中，(δ_I ²,γ_I)和(δ_P ²,γ_P)分别表示帧内帧、帧间帧中量化后DCT系数的方差和标定系数；所述目标函数为

与现有技术相比，根据本发明的优化无线视频接收器能效的方法具有如下优点：本发明所提出的双边能量感知模型只优化帧内帧比例、帧内帧码率和帧间帧码率三种目标参数，进而通过拉格朗日方法优化求解，因而具有模型简洁计算高效易于实现的特点。另外，本发明还考虑了视频流的总码率、延迟和可接受失真三种约束，因而能够在明显降低接收器播放功耗的前提下不影响体验质量。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的优化无线视频接收器能效的方法的流程图；

图2是根据本发明一实施方式的E～(α,R_d)三维测量曲面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

为了解决现有技术的问题，本发明从假设参考接收器的码率、延迟和失真约束出发，提出了一种简单但有效的双边能量感知模型来描述无线视频接收器的能量消耗，通过在发送器中选择最佳编码参数(即比特率和帧内刷新率)来优化接收器的能量消耗。为了实现对双边能量感知模型的高效求解，本发明采用最小二乘法确定模型系数，通过拉格朗日乘因子法计算模型的最优解。在基本不增加计算复杂度的前提下，有效降低了无线视频接收器播放流式视频的传输和解码功耗，给出了满足码率、延迟和失真约束的视频流方案。

图1是根据本发明一实施方式的优化无线视频接收器能效的方法的流程图。该优化无线视频接收器能效的方法包括步骤S1～S4。

在步骤S1中构建双边能量感知模型。根据无线视频接收器的通信能耗和解码能耗得到双边能量感知模型。

具体地，无线视频接收器的通信能耗取决于传输的比特数以及单位比特传输能量，传输的比特数又进一步由传输时长和传输码率计算。为此无线视频接收器通信能耗E_r的算法为E_r＝R_d×T×E_b，其中，R_d为总码率，T为调度窗口时长，E_b为单位比特传输能耗。

无线视频接收器的解码能耗为解码接收数据所需的能量消耗，由于帧间帧使用了空域和时域编码，而帧内帧仅使用空域编码，因此解码帧间帧将消耗更多能量，因而解码接收数据所消耗的能量取决于帧间帧与帧内帧的比例。另外，对于视频解码器，逆量化过程的能耗与编码比特率无关(因为图像块的每个DCT系数都需要逆量化)，但是熵解码的能耗却正比于比特率。因此，用于解码接收数据的能耗E_d＝c₁×α×R_I+c₂×(1-α)×R_P+c₃×α+c₄×R_d+c₅，其中，α为调度窗口内帧内帧的比例，R_I为帧内帧的码率，R_p为帧间帧的码率，R_d为总码率，即R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p，c₁，c₂，c₃，c₄，c₅为加权系数。

综合通信能耗和解码能耗，无线视频接收器播放视频流的能耗计算如下：E＝E_r+E_d＝R_d×T×E_b+[c₁×α×R_I+c₂×(1-α)×R_P+c₃×α+c₄×R_d+c₅]，代入R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p，进一步得到：

E＝(c₁+c₄+T×E_b)×α×R_I+(c₂+c₄+T×E_b)×(1-α)×R_P+c₃×α+c₅，令k₁＝c₁+c₄，k₂＝c₂+c₄，k₃＝c₃，k₄＝c₅，最终得到如下双边能量感知模型：E＝(T×E_b+k₁)×α×R_I+(T×E_b+k₂)×(1-α)×R_P+k₃×α+k₄。

在步骤S2中采用最小二乘法确定双边能量感知模型的系数k₁，k₂，k₃，k₄。

在一实施方式中，利用微软的Joulemeter软件测量接收器的能量消耗并确定双边能量感知模型的系数。具体地，x264编码器和ffmpeg解码器分别用于生成和解码H.264视频包从而模拟LTE/4G网络传输，调度窗口时长T设置为秒级，根据网络接口参数配置单位比特能耗E_b，帧内帧比例参数α设置为(0,1)范围，总码率R_d一般设置在几百Kbps到几Mbps间；根据上述配置，测量不同(α,R_d)组合下的能耗数据，形成E～(α,R_d)三维测量曲面；由于R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p且E＝(T×E_b+k₁)×α×R_I+(T×E_b+k₂)×(1-α)×R_P+k₃×α+k₄，当固定α，R_d，T，E_b时，E为模型系数k₁，k₂，k₃，k₄的线性函数，因此采用最小二乘方法拟合α、总码率R_d和相应的能耗组成的三维数据点，从而得到模型的系数k₁，k₂，k₃，k₄。

具体地，在一实施方式中，将窗口时长T设置为1s，单位比特能耗E_b值根据网络接口参数配置，帧内帧比例参数α分别设为0.1、0.15、0.2、...、0.5，总码率R_d分别设为1000、1100、1200、300、1400和1500Kbps，然后测量能耗数据，得到的E～(α,R_d)三维测量曲面如图2所示。

在步骤S3中确定双边能量感知模型的最优解：在双边能量感知模型中输入调度窗口的时长T，单位比特传输能耗E_b，系数k₁，k₂，k₃，k₄，总码率R_d，接收器缓冲区长度B，以及受限失真水平最大值D，通过拉格朗日乘因子法计算双边能量感知模型的帧内帧的比例α、帧内帧的码率R_I、帧间帧的码率R_p的最优解。

具体地，在一实施方式中，为了能够为视频流选择最佳编码比特率和帧内刷新率参数，且最小化接收端的总能量消耗，同时将图像失真保持在可接受的水平，考虑以下三个约束以获得最佳编码参数：比特率约束、缓冲区约束、失真约束。具体地，由于实时视频流的解码速度不能快于接收速度，比特率约束条件为：R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p≤R。设B表示接收器的缓冲容量，假设解码速率是固定的并且等于平均编码比特率R_d，n是每个突发完全填充和清空接收器缓冲区的最小值，则接收器缓冲区的容量必须满足以下约束：R_d×T×(R-R_d)/(n×R)≤B。设D是用户可接受的受限失真水平，无线视频流的编码失真必须满足以下约束：

其中，(δ_I ²,γ_I)和(δ_P ²,γ_P)分别表示帧内帧、帧间帧中量化后DCT系数的方差和标定系数。

因此双边能量感知模型可以通过关于总能量消耗的编码比特率、缓冲和失真约束的目标函数来表达，从而转化为求解如下条件约束最小化问题：

Subject to:

R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p≤R

R_d×T×(R-R_d)/(n×R)≤B

0≤α≤1和R_I,R_p≥0

该多元变量的条件极值问题可以用经典的拉格朗日乘因子法求解。

基于上述分析，在一实施方式中，在双边能量感知模型中输入调度窗口的时长T(取1s)，根据网络接口参数配置单位比特传输能耗E_b，系数k₁，k₂，k₃，k₄，总码率R_d(取1Mbps)，接收器缓冲区长度B(取512KB)，以及受限失真水平最大值D(取21)，通过拉格朗日乘因子法计算双边能量感知模型的帧内帧的比例α、帧内帧的码率R_I、帧间帧的码率R_p的最优解。

在步骤S4中在无线视频发送器中设置最佳编码参数：根据所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解，在无线视频发送器中设置最佳编码参数(编码码率和帧内刷新率)来优化接收器的能量消耗。

综上，根据本实施方式的优化无线视频接收器能效的方法与现有技术相比具有以下优点：本实施方式提出的模型只优化帧内帧比例、帧内帧码率和帧间帧码率三种目标参数，进而通过拉格朗日方法优化求解，因而具有模型简洁计算高效易于实现的特点。另外，本实施方式考虑了视频流的总码率、延迟和可接受失真三种约束，因而能够在明显降低接收器播放功耗的前提下不影响体验质量。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种优化无线视频接收器能效的方法，该方法用于降低所述无线视频接收器播放视频流过程中的传输和解码功耗，其特征在于，该优化无线视频接收器能效的方法包括：

根据无线视频接收器的通信能耗和解码能耗得到双边能量感知模型E＝(T×E_b+k₁)×α×R_I+(T×E_b+k₂)×(1-α)×R_P+k₃×α+k₄，其中，T为调度窗口的时长，E_b为单位比特传输能耗，α为所述调度窗口内的帧内帧的比例，R_I为所述调度窗口内的帧内帧的码率，R_p为所述调度窗口内的帧间帧的码率，R_d为所述调度窗口内的总码率，即R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p，c₁，c₂，c₃，c₄，c₅为加权系数，k₁＝c₁+c₄，k₂＝c₂+c₄，k₃＝c₃，k₄＝c₅；

采用最小二乘法确定所述双边能量感知模型的系数k₁，k₂，k₃，k₄；

在所述双边能量感知模型中输入所述调度窗口的时长T、所述单位比特传输能耗E_b、所述系数k₁，k₂，k₃，k₄、所述总码率R_d、接收器缓冲区长度B以及受限失真水平最大值D，通过拉格朗日乘因子法计算所述双边能量感知模型的所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解；以及

根据所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解，在无线视频发送器中设置最佳编码参数。

2.如权利要求1所述的优化无线视频接收器能效的方法，其特征在于，根据无线视频接收器的通信能耗和解码能耗得到所述双边能量感知模型包括：

计算所述通信能耗E_r＝R_d×T×E_b；

计算所述解码能耗E_d＝c₁×α×R_I+c₂×(1-α)×R_P+c₃×α+c₄×R_d+c₅；

计算所述无线视频接收器播放视频流的总能耗E＝(c₁+c₄+T×E_b)×α×R_I+(c₂+c₄+T×E_b)×(1-α)×R_P+c₃×α+c₅；以及

令k₁＝c₁+c₄，k₂＝c₂+c₄，k₃＝c₃，k₄＝c₅，最终得到如下双边能量感知模型：E＝(T×E_b+k₁)×α×R_I+(T×E_b+k₂)×(1-α)×R_P+k₃×α+k₄。

3.如权利要求1所述的优化无线视频接收器能效的方法，其特征在于，通过微软的Joulemeter软件测量接收器的能量消耗从而确定所述双边能量感知模型的所述系数k₁，k₂，k₃，k₄。

4.如权利要求3所述的优化无线视频接收器能效的方法，其特征在于，通过微软的Joulemeter软件测量接收器的能量消耗从而确定所述双边能量感知模型的所述系数k₁，k₂，k₃，k₄包括：

将x264编码器和ffmpeg解码器分别用于生成和解码视频包进而模拟LTE/4G网络传输；

将所述调度窗口的时长T设置为秒级，根据网络接口参数配置所述单位比特传输能耗值E_b，所述调度窗口内的帧内帧的比例α设置为(0,1)范围，所述调度窗口内的总码率R_d设置在几百Kbps到几Mbps的范围；

测量不同(α,R_d)组合下的能耗数据，形成E～(α,R_d)三维测量曲面；以及

采用最小二乘方法拟合所述调度窗口内的帧内帧的比例α、所述调度窗口内的总码率R_d和相应的所述能耗数据组成的三维数据点从而得到所述双边能量感知模型的所述系数k₁，k₂，k₃，k₄。

5.如权利要求3所述的优化无线视频接收器能效的方法，其特征在于，通过拉格朗日乘因子法计算所述双边能量感知模型的所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解包括：

以所述调度窗口内的总码率约束、缓冲区约束以及失真约束为约束条件，以总能量消耗最低为目标函数，根据拉格朗日乘因子法计算所述帧内帧的比例α、所述帧内帧的码率R_I、所述帧间帧的码率R_p的最优解，

其中，所述总码率约束为R_d＝α×R_I+(1-α)×R_p≤R；所述缓冲区约束为R_d×T×(R-R_d)/(n×R)≤B，其中，n是每个突发完全填充和清空所述接收器缓冲区的最小值，R为所述无线视频接收器对实时视频流的接收速率；所述失真约束为

其中，(δ_I ²,γ_I)和(δ_P ²,γ_P)分别表示帧内帧、帧间帧中量化后DCT系数的方差和标定系数；所述目标函数为

Images