基于无线视频监控的帧率控制方法

专利名称：基于无线视频监控的帧率控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于无线视频监控的帧率控制方法，属于无线网络视频技术领域。
(二)
背景技术：
随着无线宽带技术的普及，各种各样基于无线模式的应用成为了科技热点。如无线视 频传输，无线视频会议，无线上网，无线资源共享等等。而其中无线视频传输则有非常广泛 应用前景，原有的有线视频传输模式因为灵活机动性差，只能在有限范围内进行观看，并且 无法摆脱线缆的约束，所以已经逐渐不能满足人们的需要。而以基于IEEE 802. 16标准的 WiMAX技术为代表的，新一代无线宽带技术在全球范围内的推广，使得通过无线环境进行高 质量，高速率视频传输变成了热点话题。
而无线视频传输中，极其热门的应用则是无线视频监控。以往的视频监控系统大多是基 于有线环境的，虽然视频质量好，效果稳定，但是由于摆脱不了有线的限制，所以仍然在某 些特殊应用上无能为力。比如说对于车，船，甚至是直升机等移动目标，此外还包括有线网 络无法覆盖和到达的地点，以及随机地点进行视频监控的需求，都是传统有线解决方案不能 解决的问题。同时传统有线视频监控的建设成本高，运行费用以及消耗成本也较高，同时监 控点撤离时即麻烦又容易造成浪费。
因此，相比较而言，基于无线技术的视频监控则拥有更加机动，上行端与下行端均可灵 活部署的优势。比如可以采用单点对多点的无线通信模式，只需要在中心位置安放一个单点 无线基站，就能对周边大范围地区的若干个监控点进行信号覆盖。同时采用无线监控时所需 施工时间短，不需要布线等复杂劳动，也不会对现有环境和建筑设施进行破坏。而且如果需 要增添新的无线监控点，不需要像传统有线模式那样对网络进行大面积改造，只需要简单的 对网络进行调试添加即可，可扩展性非常强。因此相比之下，无线视频监控比传统有线模式 要优秀的多。
然而无线传输却有着无法避免的问题，那就是其网络的不稳定性。无论是目前已成熟的 基于IEEE 802. 11的WiFI技术，还是新兴的WiMAX技术，都不可避免的存在此问题。由于 网络的不稳定性，会造成数据的不定时丢失，因此对于视频而言，可能会造成丢帧，甚至停 止播放的现象。如名称为"一种无线视频监控装置"、申请号为CN200820044471.2的专利， 该装置所表现的视频画面即存在以上问题，从而导致无线视频监控效果大打折扣。因此要在 无线环境下进行视频监控，就要针对其网络不稳定性作一系列的调整与优化，争取将网络不 稳定性对视频的影响减小到最低。
(三)

发明内容
为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种基于无线视频监控的帧率控制方法。 无线视频监控的传输分为发送端(一般指上行视频采集端，即监控摄像头)和接收端(一
般指下行视频观看端，如电视，电脑等)两大部分。而本发明所设计的帧率控制，主要是针
对接收端而言的。
一种基于无线视频监控的帧率控制方法，步骤如下-
1、 用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；此时当前视频帧数F,由最初 的0逐渐增长；
2、 判定当前视频帧数F,.和延时帧数F,的大小当F,〉FJ寸，进行下一步，否则再返回步骤2;
3、 视频开始常速播放，此时的视频帧率S为常速，即基准帧率Sp;视频开始正常播放 后，除了理想情况下当前视频帧数F,值稳定在延时帧数FJ付近外，有两种可能 一种是当 前视频帧数F,增长过快， 一种是当前视频帧数F,增长过慢；
4、 判定当前视频帧数F,和视频减速门限F,的大小当F,〈FJ寸，减速进行视频播放，即 S=SP_S。，返回步骤2;由于接收端帧率降低，而发送端发送速度不变，所以会增大F,的增 长速度，直到F,值由减少变为增大；当F》F,时，进行下一步，为了避免F,值保持在FJ付近， 而不是理想状态下的FJ付近，所以继续保持低速播放，直到F,〉B后，才令S二 Sp。
5、 判定当前视频帧数F,和视频加速门限F力及延时帧数F^的大小当F,F力时，进行下 一步；否则再返回步骤5;
6、 视频开始加速进行播放，即S二S/S。，然后返回步骤2;由于接收端播放帧率提高， 而发送端发送帧率没有改变，所以会降低Fj的增长速度，直到F,由增长变为减少；当F/Fa 时，为了避免Fj值保持在FA附近，而不是理想状态下的K附近，所以继续保持高速播放， 直到FXFJg，才令S二Sp。
整个视频帧率控制方法的流程图如附图1所示。 上述方法中所用参数名词解释如下
(1) 视频缓存B"
接收端对接收到的视频帧进行缓存，而不是立即播放；设参数B"值，如取值为200，则 代表最大可以缓存200帧；
(2) 当前视频帧数Fj
即当前在缓存中全部的视频帧数，也就是说接收端已经接收到，而并没有进行播放的视 频帧数。本发明中用Fj表示该参数。该参数的取值范围为[O, B ]。
(3) 网络状态参数St
根据无线网络状态，即网络质量，分为"好，中，差"三个档次，本发明用St代表该参 数，其取值方式对应分别为4， 3， 2。
(4) 视频加速门限F力
即当F,值大于该门限时，对视频进行高速播放。本发明用F^代表该参数。计算公式如下
(5) 视频减速门限F;
即当F,值小于该门限时，对视频进行低速播放。本发明用F,代表该参数。计算公式如下
"会]
(6) 延时帧数F,
规定一个数值，当用户下达视频播放指令后，对F,进行判断，当大于该数值时，才开始 播放画面。本发明中用F,代表该参数，计算公式如下
(7)视频帧率S
4即视频每秒播放的帧数，也就是FPS。本发明用S代表该参数。 (8)视频基准帧率Sp
在视频监控中， 一般均采用25fps为基准帧率。而在本发明中，该参数由网络状态决定。
本发明中用Sp代表该参数，计算公式如下
(9)视频帧率变化量S。
既然要进行帧率控制，则必然存在帧率变化量。本发明中用S。代表该参数，其同样由网
络状态决定。计算公式如下
依据视频帧率控制原理，有很多细节需要进行分析，才能更好的完善该处理方法。以下 将分几方面进行相关细节的讨论。
(1) 帧率变化量问题
帧率发生变化时，视频画面会有播放速度加快或减慢的现象。如何能尽量减小这种变化，
是非常重要的问题。所以s。不能为固定值，而应由所在的无线网络状况决定。
如果所处的无线网络状态良好，则应该减小帧率变化量。当S^4时，由公式(4)(5)知 SP=25， S。=2，则变化幅度仅为8%。此时如果用肉眼观看视频的话，很难分辨出帧率是否存 在变化。
相反，如果网络状态差，则应增加帧率变化量。当Sf=2时，由公式(4) (5)知S^15， St=4， 则变化幅度为26.7%。此数值已经接近变化幅度的上限，否则过度明显的帧率变化，会影响 视频的准确性与可信度，从而违背了视频帧率控制的初衷。
(2) 缓存中无视频帧问题
当视频播放中出现F^0时，此时视频画面会定格在某时刻不动。此时可以在接收端程 序或硬件中，预先存储一段简短的视频(可以为提示或广告等)。如果F尸0，则自动播放该 内置视频，避免用户看到视频停顿或是黑屏的情况，同时可以有效提醒用户网络出现问题。
当网络状况恢复正常时，F,值由零开始增长，当F》FJ寸，结束内置视频的播放，转为 播放真实画面。
(3) 网络状态问题
为了提高帧率控制的自适应性，应该自动对网络状态进行判断。以WiMAX网络为例，当 CINR〉15时，网络状态判定为"好，，;当5〈CINR〈15时，网络状态判定为"中";当CINR〈5 时，网络状态判定为"差"。当然，具体到实际网络，还可能结合信号强度RSSI等进行判定。 同时，可以在接收端软件或设置界面上，允许用户强制进行网络状态选择。
(4) 网络中断时间较长问题
如果网络中断时间较长，则发送端缓存已满，所以会发生发送端缓存清空，甚至数次清 空的情况。此时这段时间内的视频帧永久性丢失，体现在视频画面上的将是某段时间的内容 丢失。要避免这种现象的发生，最直接的方法是增大发送端缓存。同时在网络恢复正常后， 为了避免接收端无法一次性处理过多视频帧，应该对发送端的视频帧发送速率作限制。每秒 钟发送帧数最大不超过(Sp+S》帧，即不超过接收端的最大帧率。这样就能将网络中断期间 的视频帧尽可能的存放起来，直到接收端将该部分视频帧处理完毕为止。本发明方法的优点为简单可行，只需简单修改接收装置的处理程序即可；适用范围广， 不仅是无线网络，在有线网络中同样适用；效果显著，有效降低了网络不稳定对视频造成的 影响，提高了视频的流畅度。
(四)


图1是本发明帧率控制方法的处理流程图，图2是本发明具体实施测试网络拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例
一种基于无线视频监控的帧率控制方法，步骤如下
1) 用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；此时当前视频帧数F,由最初 的0逐渐增长；
2) 判定当前视频帧数R和延时帧数F,的大小当F, 〉Fd时，进行下一步，否则再返回 步骤2);
3) 视频开始常速播放，此时的视频帧率S为常速，即基准帧率Sp;视频开始正常播放 后，除了理想情况下当前视频帧数F,值稳定在延时帧数FJ付近外，有两种可能 一种是当 前视频帧数F,增长过快， 一种是当前视频帧数F,增长过慢；
4) 判定当前视频帧数F,和视频减速门限F;的大小当FXFJ寸，减速进行视频播放，即 S=SP-S。，返回步骤2;由于接收端帧率降低，而发送端发送速度不变，所以会增大F,的增 长速度，直到F,值由减少变为增大；当Fj〉F;时，进行下一步，为了避免F,值保持在F,附近， 而不是理想状态下的FJ付近，所以继续保持低速播放，直到F,〉b后，才令S二 Sp。
5) 判定当前视频帧数F,和视频加速门限F力及延时帧数^的大小当F》FJ寸，进行下 一歩；否则再返回步骤5;
6) 视频开始加速进行播放，即S^Sp+S。，然后返回步骤2;由于接收端播放帧率提高， 而发送端发送帧率没有改变，所以会降低F,的增长速度，直到F,由增长变为减少；当FXFa 时，为了避免Fj值保持在F,附近，而不是理想状态下的F,附近，所以继续保持高速播放， 直到F,〈FJg，才令S:Sp。
测试网络环境为WiMAX单基站，上行端采用监控摄像头+编码器+CPE，下行端采用装有 W這AX接入设备的电脑进行软解码。通过修改客户端监控软件中的帧率处理部分，进行帧率 控制的测试与实现。同时在软件中添加参数追踪记录程序，由其自动生成的日志文件统计出 如下数据。测试环境的网络拓扑图如附图2所示。
(1) 测试参数将接收端缓存设置为200帧，即8 =200。同时令S,2，由公式可计算 得FA=100， F;=50， Frf=75， SP =15， Se =4。在该次测试中，网络状态保持为"差"不变。
(2) 测试结果与分析本次测试采用物体屏蔽接收端的方法，模拟了一次短时间网络中 断。在5秒左右时F,〉Fd，此时S二 SP =15。在10秒左右时，网络开始中断，F,急速下降直 到为O。在20秒左右时网络恢复正常，在25秒左右时F,〉 F力，此时S二 Sp + S。 =19。此时 发送端以每秒19帧的速度，将网络中断期间存储在发送端缓存的所有视频帧进行发送。接 收端经过近30多秒的高速播放，于62秒左右时F,.〈 Frf，此时5= Sp=15。
由测试结果可看出，帧率控制方法将网络中断期间的视频帧作了有效处理，最大程度上 保证了视频的流畅性。
权利要求
1、一种基于无线视频监控的帧率控制方法，步骤如下1)用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；此时当前视频帧数Fi由最初的0逐渐增长；2)判定当前视频帧数Fi和延时帧数Fd的大小当Fi＞Fd时，进行下一步，否则再返回步骤2)；3)视频开始常速播放，此时的视频帧率S为常速，即基准帧率Sp；视频开始正常播放后，除了理想情况下当前视频帧数Fi值稳定在延时帧数Fd附近外，有两种可能一种是当前视频帧数Fi增长过快，一种是当前视频帧数Fi增长过慢；4)判定当前视频帧数Fi和视频减速门限F1的大小当Fi＜F1时，减速进行视频播放，即S＝Sp-Sc，返回步骤2；由于接收端帧率降低，而发送端发送速度不变，所以会增大Fi的增长速度，直到Fi值由减少变为增大；当Fi＞F1时，进行下一步，为了避免Fi值保持在F1附近，而不是理想状态下的Fd附近，所以继续保持低速播放，直到Fi＞Fd后，才令S＝Sp；5)判定当前视频帧数Fi和视频加速门限Fh及延时帧数Fd的大小当Fi＞Fh时，进行下一步；否则再返回步骤5；6)视频开始加速进行播放，即S＝Sp+Sc，然后返回步骤2；由于接收端播放帧率提高，而发送端发送帧率没有改变，所以会降低Fi的增长速度，直到Fi由增长变为减少；当Fi＜Fh时，为了避免Fi值保持在Fh附近，而不是理想状态下的Fd附近，所以继续保持高速播放，直到Fi＜Fd后，才令S＝Sp。
全文摘要
基于无线视频监控的帧率控制方法，属于无线网络视频技术领域，步骤为用户开始下达视频播放指令，接收端开始接收视频帧；判定F_i和F_d的大小当F_i＞F_d时，进行下一步，否则再返回步骤2；视频开始常速播放，此时的视频帧率S为S_p；判定F_i和F_l的大小当F_i＜F_l时，减速进行视频播放，即S＝S_p-S_c，返回步骤2；当F_i＞F_l时，进行下一步；判定F_i和F_h及F_d的大小当F_i＞F_h时，进行下一步；否则再返回步骤5；视频开始加速进行播放，即S＝S_p+S_c，然后返回步骤2；当F_i＜F_b时，直到F_i＜F_d后，令S＝S_p。本发明方法有效的改善了视频流畅度，减少了网络不稳定对视频的影响。
文档编号H04L29/08GK101552909SQ200910014849
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者晶 荆, 曙 陈 申请人:山东大学