一种联合视频压缩和帧级别FEC的自适应码率控制方法

本发明涉及无线通信，具体涉及一种联合视频压缩和帧级别fec的自适应码率控制方法。

背景技术：

1、实时视频传输已经成为当今世界前景最优、发展突飞猛进的项目。目前对于实时视频传输的服务质量优化莫过于依赖高压缩比的视频编码技术和差错控制技术。全面地对无线移动网络的发展进行考察与评估，发现在网络的带宽、丢包率、时延等方面制约着实时视频传输业务的发展速度。视频传输码率不得不匹配受限的网络带宽以确保移动互联网用户基本体验。过低的视频发送码率会导致链路带宽利用率不足，过高的视频发送码率可能导致链路拥塞，造成更大的端到端时延。视频传输中的联合信源信道码率控制被认为是解决无线网络丢包的有效方案，其主要包括信源端的码率分配以及信道编码的冗余度配置。

2、当下已有许多研究人员在视频的联合信源信道码率自适应技术上做了规模庞大的研究工作，但依然还存在一部分问题，比如现有的联合信源信道码率控制的研究主要集中优化一个gop视频帧的码率，缺乏针对视频帧级别码率控制的前沿理论体系和研究成果。在网络性能突发下降时，视频码率调整需要执行在下一个gop中，对于时变网络的敏感度不足，造成更多的数据丢失。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种联合视频压缩和帧级别fec的自适应码率控制方法，以大大减少视频传输中的有效损失率，获得更高的视频传输质量。

2、在带宽有限的无线网络中，通过合理分配信源信道码率，使得码率能够精确匹配网络时变，以降低视频帧的有效损失率，提升视频传输质量。包括以下步骤：步骤s1：初始化参数，通过建立视频帧的端到端时延模型，计算目标时延下当前传输链路所能承受的视频帧比特资源上限；步骤s2：针对关键帧和非关键帧分别获得当前丢包状态下fec冗余率的最优解，动态调整信源编码码率和信道fec编码码率。该方法不仅使传输码率动态适应网络资源，而且对于视频帧的类型具有不等的错误恢复能力，大大减少了视频传输中的有效损失率，从而获得相对较高的psnr增益。

3、本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：

4、一种联合视频压缩和帧级别fec的自适应码率控制方法，其特征在于，在带宽有限的无线网络中，通过分配信源信道码率，使得码率能够精确匹配网络时变，以降低视频帧的有效损失率；包括以下步骤：

5、步骤s1：初始化参数，通过建立视频帧的端到端时延模型，计算目标时延下当前传输链路所能承受的视频帧比特资源上限；

6、步骤s2：针对关键帧和非关键帧分别获得当前丢包状态下fec冗余率的最优解，动态调整信源编码码率和信道fec编码码率。

7、进一步地，在通过步骤s2重新获得并配置编码端的fec冗余率后，根据比特资源和冗余比特资源的分配确定每帧的最优量化参数。

8、进一步地，步骤s1具体包括以下步骤：

9、步骤s11：初始化参数：设置目标时延γtar，第n帧的往返时间rttn，关键帧比特资源下界fec数据包固定大小ω，视频帧的编码复杂度ε，δr＝0.5％和δl＝0.1％；按照如下式子初始化和

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11、

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14、步骤s12：基于无线网络的失真建模，利用gilbert损失模型和双状态马尔科夫链模拟网络链路上的丢包和突发长度；通过g和b两种状态描述成功接收数据包和丢失数据包，传输状态之间的转移概率通过参数θbg对应状态从b到g和参数θgb对应状态从g到b进行表征；通过实时传输协议rtcp感知损失过程参数：

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16、步骤s13：计算当前传输链路中的丢包率：

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18、其中，k为源包数，ω(n)为第n帧fec恢复后的源包数表示(丢失或未丢失)，n1为过渡初始状态，表示在时刻τ，传输链路从状态ni转移到状态nj的概率，通过分析双状态的马尔可夫链得

19、步骤s14：计算视频帧到达客户端超时的概率，服从指数分布：

20、

21、其中，γtar和tn分别是目标延迟和实际端到端延迟；

22、步骤s15：结合网络丢包模型，根据公式(1)和(2)得到有效传输丢失率：

23、

24、步骤s16：更新网络的预测丢包率：

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26、其中，ρ表示实际损失的偏移参数且满足1-ρ＜ρ；

27、步骤s17：视频帧的端到端失真表示为：

28、

29、其中，χs和χc分别为依赖于视频序列时空复杂度和错误隐藏机制的常数，通过编码实验得到，ns和k分别表示总包数和源包数，r(σ)为当前网络资源允许的最大编码速率，∈为视频帧的编码复杂度；

30、通过最小化实际端到端延迟tn计算χs，χc和ηb；

31、步骤s18：更新fec冗余率、fec冗余比特数和信源编码比特数：

32、

33、

34、ln＝rn+sn＝ω(kn+fn)    (5)

35、其中，λn表示第n帧的fec冗余率，ω表示每个fec数据包的固定大小，rn表示第n帧的fec冗余比特数，ln表示第n帧的视频帧比特数，fn表示第n帧的fec冗余数据包；

36、步骤s19：第n个视频帧在系统传输时的端到端时延表示为：

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38、其中，表示第n个视频帧的传输时延，表示第n个视频帧的传播时延，表示第n帧等待在链路路径队列中的数据时延，分别用如下表达式更新参数：

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40、

41、

42、其中，rttn和un分别表示发送第n个视频帧时链路的往返时间和可用带宽，κ表示往返时间不对称引起的偏移量的修正，设zqueu为从ni开始的队列链路的长度，对应比特数由定义；

43、步骤s110：计算目标时延下当前传输链路所能承受的视频帧比特资源上限：根据时延限制条件γtar≥tn，得到基于时延约束的视频帧比特数上界为：

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45、进一步地，步骤s2具体包括以下步骤：

46、步骤s21：当判断当前视频帧为非关键帧时，将视频流比特数ln取时延约束的上界值，即fec的冗余比特数rn取满足数据恢复的下界值，即

47、

48、步骤s22：判断或者条件是否满足，满足则更新sn和rn的值，分别如下：

49、

50、

51、

52、

53、步骤s23：如果步骤s22的条件不满足，则判断或者条件是否满足，满足则更新sn的值，更新sn的值同s22，更新值的公式如下：

54、

55、步骤s24；如果步骤s23的条件不满足，则更新sn和rn的值，更新rn的公式如下：

56、rn＝rn+δr

57、步骤s25：若判断当前视频帧为关键帧，则进一步判断关键帧比特数sn是否低于关键帧的比特资源下界满足则更新

58、步骤s26、若关键帧不满足步骤s25的条件，则更新进一步判断条件是否满足，满足则更新sn和rn的值，分别如下：

59、

60、

61、步骤s27、若步骤s26条件的不满足，则更新sn和rn的值，分别如下：

62、

63、

64、步骤s28、更新fec冗余度λ：

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66、步骤s29、更新最优的量化参数：

67、ln＝αq-2+βq-1+γ

68、

69、其中，q代表量化步长，α、β和γ是经过实验和线性拟合得到的系数，代表第n帧的最优量化参数。

70、以及，一种联合视频压缩和帧级别fec的自适应码率控制系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并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，能够实现如上所述的方法步骤。

71、相比于现有技术，本发明及其优选方案不仅使传输码率动态适应网络资源，而且对于视频帧的类型具有不等的错误恢复能力，大大减少了视频传输中的有效损失率，从而获得相对较高的psnr增益。此外，基于这种动态分配策略，根据视频帧的类型以及信息长度合理增大单次信道编码码长，以保证相同冗余配比下最大化fec纠删性能，获得更高的传输视频质量。