CN113038127A - 一种基于roi的实时视频多路并行传输码率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法。通过YOLO对输入的YUV数据进行感兴趣区域检测提取，之后根据发送缓冲区充盈度和接收端反馈的各条链路状况，分别针对感兴趣区域和非感兴趣区域调整码率控制策略，编码后的视频码流通过分流策略分发到各条链路，最终由视频帧集成器合并复原，通过视频解码器解码播放。本发明即可以通过多路并行传输提升带宽，还可以针对感兴趣区域和非感兴趣区域设置合理不同QP，从而避免比特资源的浪费，有效提升主观直觉质量。

Description

一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法。
背景技术
在异构网络下的多路视频并行传输过程中(见专利《一种基于多路并行传输技术的实时视频传输系统及其方法》)，为了克服链路带宽不足问题，移动终端同时使用LTE和WIFI链路进行视频数据的并行传输，有效提升了传输带宽，框架如图1所示。
从图1可以看出，视频流根据监控获取各个链路的带宽和时延参数动态调整视频编码的量化参数，即QP参数，并根据QP参数对视频进行编码。将编码后的视频流根据各路径的带宽、时延按照不同比权重分流至不同的传输链路同时进行视频传输。利用多路并行传输有效加大了传输带宽，缩短了视频传输的端到端延时，但其并未考虑人眼系统(HVS)对于感兴趣区域(ROI)和非感兴趣区域(N-ROI)的关注度差异，根据链路参数对一帧所有宏块无差异化设定QP,对于主观视觉质量而言就造成了比特资源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于为解决在实时视频传输过程中即可利用多路并行传输技术进行提升传输带宽，又可提供符合人眼系统的更佳主观视觉质量，提供一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，通过YOLO对输入的YUV数据进行感兴趣区域检测提取，之后根据发送缓冲区充盈度和接收端反馈的各条链路状况，分别针对感兴趣区域和非感兴趣区域调整码率控制策略，编码后的视频码流通过分流策略分发到各条链路，最终由视频帧集成器合并复原，通过视频解码器解码播放。
在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下：
步骤S1、采集视频帧原始数据，每帧图像按预设像素划分后依照光栅顺序排列，获得区域块坐标；
步骤S2、以YOLO作为目标检测框架，在COCO数据集上训练完成之后，读取视频YUV序列，将视频帧逐帧送进训练好的YOLO目标检测模型进行目标检测，获取每一帧视频的感兴趣区域的像素坐标；
步骤S3、实时探测获取多路并行传输LTE和WIFI链路带宽μn、往返时延RTTn，根据“注水算法”作为帧号为k的视频帧分流策略以获取各条传输链路分配的数据大小
Figure BDA0002999705750000021
分流后视频帧在LTE链路和WIFI链路上拥有相同的传输时延，该传输时延即“注水算法”中的“水线”
Figure BDA0002999705750000022
Figure BDA0002999705750000023
其中kleft表示第k个帧推送到发送缓冲区前，当前端正在发送视频帧号；由
Figure BDA0002999705750000024
及“注水算法”能够获得含ROI帧比特上界
Figure BDA0002999705750000025
步骤S4、根据监控反馈的发送缓冲区充盈度B，获得满足缓冲区不上溢的最大ROI帧比特大小L2，L2≤B；
步骤S5、比较L1，L2含ROI帧比特上界大小，共同决策含ROI帧比特资源上界L＝Min(L1，L2)；
步骤S6、基于视频帧感兴趣区域及非感兴趣区域二者与量化步长之间的关系进行建模后，根据L推出视频帧平均量化参数QPave；编码所需比特数与量化步长成反比，编码整个帧所需要的比特数等于编码感兴趣区域和非感兴趣区域的比特数目之和，因此：
Figure BDA0002999705750000026
其中QPstep-roi、QPstep-nroi及QPave-step分别表示ROI、非ROI以及帧的量化步长，当感兴趣区域及非感兴趣区域的量化参数QProi、QPn-roi分别取20、51极端情况下，假定帧平均量化步长QPave-step所对应的量化参数为26时，X＝47％，即，帧平均量化参数为26的取值能确保图像一半大小的面积区域为高质量感兴趣区域，如果感兴趣区域小于图像大小的一半，其质量会更好；令QPaccept＝26，表示视频质量良好，将QPave同QPaccept进行比较预估当前比特资源充裕度；
步骤S7、在QPave≥QPaccept比特资源充裕情况下，比特资源足够保证整帧图像主观视觉良好；此时比特资源不应该浪费在感兴趣区域内，去提升视觉上察觉不到的质量改善上，而应该用于增强非感兴趣区域，提高图像质量；此时通过将多余比特资源分配给非ROI区域，提高视频整体质量；
步骤S8、在QPave＜QPaccept比特资源有限的情况下，比特资源不足够保证整帧图像保持良好主观视觉，故需要牺牲非感兴趣区域的比特资源保证感兴趣区域的资源，以满足时延约束，并保证ROI质量；基于优先级，首先保证ROI的QP为26，其次将剩余比特分配给非ROI区域。
在本发明一实施例中，所述发送缓冲区充盈度B由累积编码比特和累积发送比特之差计算。
在本发明一实施例中，量化参数QP取52个数值，从0到51。
在本发明一实施例中，在QP＝20的情况下，视频质量非常好；在QP＝51的情况下，视频压缩大，导致非常差的视觉质量。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如上述所述的方法步骤。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明针对多路并行传输技术中对于帧内宏块无差异编码可能导致的比特资源浪费问题，提出一种新型的基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，即可以通过多路并行传输提升带宽，还可以针对感兴趣区域和非感兴趣区域设置合理不同QP，从而避免比特资源的浪费，有效提升主观直觉质量。
附图说明
图1为现有多路视频并行传输框架图。
图2为本发明系统模型图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，通过YOLO对输入的YUV数据进行感兴趣区域检测提取，之后根据发送缓冲区充盈度和接收端反馈的各条链路状况，分别针对感兴趣区域和非感兴趣区域调整码率控制策略，编码后的视频码流通过分流策略分发到各条链路，最终由视频帧集成器合并复原，通过视频解码器解码播放。
以下为本发明的具体实现过程。
如图2所示，本发明方法涉及硬件系统主要包括客户端和服务端两部分组成。客户端由YOLO对输入的YUV数据进行感兴趣区域检测提取，之后根据发送缓冲区充盈度和接收端反馈的各条链路状况(如带宽、往返时延)，分别针对感兴趣区域和非感兴趣区域调整码率控制策略，由ROI编码器执行。编码后的视频码流通过分流策略分发到各条链路，最终由视频帧集成器合并复原，通过视频解码器解码播放。
本发明的核心点为通过多路并行传输各个链路参数动态地为每一帧图像的不同区域宏块赋予不同的QP，实现低延时，高带宽，良好主观质量的实时视频传输。
在多路并行传输系统下，为了给每个视频帧的感兴趣区域和非感兴趣区域提供最佳的QP决策和数据分配，本发明按照如下方法进行不同宏块区域的量化参数决策：
(1)采集视频帧原始数据，格式为1920x1080P，每帧图像按16x16像素划分后依照光栅顺序排列，获得区域块坐标。
(2)以YOLO作为目标检测的框架，在COCO数据集上训练完成之后，读取视频YUV序列。将视频帧逐帧送进YOLO目标模型进行目标检测，获取每一帧的感兴趣区域的像素坐标。
(3)实时探测获取多路并行传输LTE和WIFI链路带宽μn、往返时延RTTn，根据“注水算法”作为视频帧分配决策以获取各条传输链路分配的数据大小
Figure BDA0002999705750000041
分流后视频帧在LTE链路和WIFI链路上拥有相同的传输时延，该时延就是“注水算法”中的“水线”
Figure BDA0002999705750000042
Figure BDA0002999705750000043
由
Figure BDA0002999705750000044
及“注水算法”模型能够获得含ROI帧比特上界
Figure BDA0002999705750000045
(4)根据监控反馈的发送缓冲区充盈度B(由累积编码比特和累积发送比特之差计算)获得满足缓冲区不上溢的最大ROI帧比特大小小L2，L2≤B；
(5)比较(4)，(5)含ROI帧比特上界大小，共同决策含ROI帧比特资源上界L＝Min(L1，L2)
(6)基于视频帧感兴趣区域及非感兴趣区域二者与量化步长之间的关系进行建模后，根据L推出视频帧平均量化参数QPave。量化参数QP能够取52个数值，从0到51。通常认为，在QP＝20的情况下，视频质量非常好；在QP＝51的情况下，视频压缩大，导致非常差的视觉质量。编码所需比特数与量化步长成反比，编码整个帧所需要的比特数等于编码感兴趣区域和非感兴趣区域的比特数目之和，因此：
Figure BDA0002999705750000046
当感兴趣区域及非感兴趣区域的量化参数QProi、QPn-roi分别取20、51极端情况下，假定帧平均量化步长QPave-step所对应的量化参数为26时，X＝47％，即，帧平均量化参数为26的取值能确保图像一半大小的面积区域为高质量感兴趣区域，如果感兴趣区域小于图像大小的一半，其质量会更好。令QPaccept＝26，将QPave同QPaccept进行比较预估当前比特资源充裕度；
(7)在QPave≥QPaccept比特资源充裕情况下，比特资源足够保证整帧图像主观视觉良好。此时比特资源不应该浪费在感兴趣区域内，去提升视觉上察觉不到的质量改善上，而应该用于增强非感兴趣区域，提高图像质量。此时通过将多余比特资源分配给非ROI区域，提高视频整体质量。
(8)在QPave＜QPaccept比特资源有限的情况下，比特资源不足够保证整帧图像保持良好主观视觉，故需要牺牲非感兴趣区域的比特资源保证感兴趣区域的资源，以满足时延约束，并保证ROI质量。基于优先级，首先保证ROI的QP为26,其次将剩余比特分配给非ROI区域。
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。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，其特征在于，通过YOLO对输入的YUV数据进行感兴趣区域检测提取，之后根据发送缓冲区充盈度和接收端反馈的各条链路状况，分别针对感兴趣区域和非感兴趣区域调整码率控制策略，编码后的视频码流通过分流策略分发到各条链路，最终由视频帧集成器合并复原，通过视频解码器解码播放。
2.根据权利要求1所述的一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，其特征在于，该方法具体实现步骤如下：
步骤S1、采集视频帧原始数据，每帧图像按预设像素划分后依照光栅顺序排列，获得区域块坐标；
步骤S2、以YOLO作为目标检测框架，在COCO数据集上训练完成之后，读取视频YUV序列，将视频帧逐帧送进训练好的YOLO目标检测模型进行目标检测，获取每一帧视频的感兴趣区域的像素坐标；
步骤S3、实时探测获取多路并行传输LTE和WIFI链路带宽μn、往返时延RTTn，根据“注水算法”作为帧号为k的视频帧分流策略以获取各条传输链路分配的数据大小
Figure FDA0002999705740000015
分流后视频帧在LTE链路和WIFI链路上拥有相同的传输时延，该传输时延即“注水算法”中的“水线”
Figure FDA0002999705740000016
Figure FDA0002999705740000011
其中kleft表示第k个帧推送到发送缓冲区前，当前端正在发送视频帧号；由
Figure FDA0002999705740000012
及“注水算法”能够获得含ROI帧比特上界
Figure FDA0002999705740000013
步骤S4、根据监控反馈的发送缓冲区充盈度B，获得满足缓冲区不上溢的最大ROI帧比特大小L2，L2≤B；
步骤S5、比较L1，L2含ROI帧比特上界大小，共同决策含ROI帧比特资源上界L＝Min(L1，L2)；
步骤S6、基于视频帧感兴趣区域及非感兴趣区域二者与量化步长之间的关系进行建模后，根据L推出视频帧平均量化参数QPave；编码所需比特数与量化步长成反比，编码整个帧所需要的比特数等于编码感兴趣区域和非感兴趣区域的比特数目之和，因此：
Figure FDA0002999705740000014
其中QPstep-roi、QPstep-nroi及QPave-step分别表示感兴趣区域ROI、非感兴趣区域ROI以及帧的量化步长，当感兴趣区域及非感兴趣区域的量化参数QProi、QPn-roi分别取20、51极端情况下，假定帧平均量化步长QPave-step所对应的量化参数为26时，X＝47％，即，帧平均量化参数为26的取值能确保图像一半大小的面积区域为高质量感兴趣区域，如果感兴趣区域小于图像大小的一半，其质量会更好；令QPaccept＝26，表示视频质量良好，将QPave同QPaccept进行比较预估当前比特资源充裕度；
步骤S7、在QPave≥QPaccept比特资源充裕情况下，比特资源足够保证整帧图像主观视觉良好；此时比特资源不应该浪费在感兴趣区域内，去提升视觉上察觉不到的质量改善上，而应该用于增强非感兴趣区域，提高图像质量；此时通过将多余比特资源分配给非ROI区域，提高视频整体质量；
步骤S8、在QPave＜QPaccept比特资源有限的情况下，比特资源不足够保证整帧图像保持良好主观视觉，故需要牺牲非感兴趣区域的比特资源保证感兴趣区域的资源，以满足时延约束，并保证ROI质量；基于优先级，首先保证ROI的QP为26，其次将剩余比特分配给非ROI区域。
3.根据权利要求2所述的一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，其特征在于，所述发送缓冲区充盈度B由累积编码比特和累积发送比特之差计算。
4.根据权利要求2所述的一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，其特征在于，量化参数QP取52个数值，从0到51。
5.根据权利要求4所述的一种基于ROI的实时视频多路并行传输码率控制方法，其特征在于，在QP＝20的情况下，视频质量非常好；在QP＝51的情况下，视频压缩大，导致非常差的视觉质量。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如权利要求1-5所述的方法步骤。
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