动态自适应视频流媒体的码率控制与版本选择方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种动态自适应视频流媒体的编码端码率控制与版本选择的方法及系统，所述方法结合动态自适应流媒体编码技术，在服务器处将各原始视频编码为多个不同码率的版本，同时兼顾各不同原始视频内容的编码复杂度‑码率‑失真模型、视频服务器的编码码率和计算资源限制、不同用户的网络连接情况以及视频点播概率分布，确定各原始视频所需编码的视频版本子集以及每个视频版本的具体编码参数，视频服务器最终通过编码输出视频最优版本集合，以实现用户观看视频整体质量的最大化。本发明专利技术所述方法提高了在编码码率和计算资源受限情况下动态自适应流媒体编码技术的编码效率，为用户提供更佳的视频服务质量。

Rate control and version selection method and system for dynamically adaptive video stream media

The present invention provides a method and a system for dynamic adaptive streaming video encoding rate control and version selection, the method combined with dynamic adaptive streaming media encoding technology, the server will be in the original video encoding rate for a number of different versions, taking into account the different content of the original video encoding complexity rate distortion model, the video server encoding bit rate and computing resource constraints, different users of the network connection and video on demand probability distribution, determine the subset of the original video version of video encoding necessary and specific encoding parameters of each video version of the video server through the video encoding output the best version set to maximize the overall quality of the video watch in order to achieve the user's. The method of the invention improves the coding efficiency of the dynamic adaptive streaming media coding technology under the condition that the coding rate and the computing resource are limited, and provides better video service quality for the users.

【技术实现步骤摘要】
动态自适应视频流媒体的码率控制与版本选择方法及系统
本专利技术涉及一种数据通信
的方法和系统，具体地，涉及一种适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法及系统。
技术介绍
随着移动数据流量的迅速增长以及智能终端设备的日益普及，以移动视频服务为代表的无线视频流媒体技术在近几年得到了越来越广泛的应用。与此同时，移动用户在所使用的移动设备终端、点播内容以及网络连接性等方面呈现出更为复杂的异构特性，从而大大增加了视频流媒体服务复杂度和难度。动态自适应流媒体技术能够为用户提供同一视频内容的不同版本，以提高异构网络中用户的视频观看满意度。其中，每个视频版本以给定的码率和/或分辨率进行编码，从而使得各用户能够根据自己的视频点播需求和网络状况来确定下载最合适的视频版本。一方面，单一码率的视频编码技术需要消耗很高的编码复杂度以实现高更高的视频压缩性能。对于执行动态自适应流媒体技术的编码服务器而言，往往受到自身物理功耗的限制，无法通过编码得到过多的视频码率版本以适应不同用户的需求，因此需要将有限的计算资源合理地分配给各个视频的不同版本。另一方面，收到服务器本身存储空间的限制以及网络传输中瓶颈带宽的限制，所有视频的各不同版本的码率总和也收到限制，因此还需要将有限的码率资源合理的分配给各个视频的不同版本。经过对现有技术的检索发现，L.Toni等人在《ACMTransactionsonMultimediaComputing,Communications,andApplications，Feb.2015，(计算机协会多媒体计算、通信与应用学报，2015年2月)》上发表了题为“Optimalselectionofadaptivestreamingrepresentations(自适应流媒体版本的最优化选择)”的文章，以及R.Aparicio-Pardo等人在《ProceedingsofACMMultimediaSystemsConference，Mar.2015，pp.49-60，(计算机协会多媒体系统会议论文集，2015年3月，第49-60页)》上发表了题为“Transcodingliveadaptivevideostreamsatamassivescaleinthecloud(大规模云端转码直播自适应视频流)”的文章，这两篇文章分别研究了服务器在编码码率和功耗受限情况下，如何最优地选择各视频版本的编码码率和分别率。但是，上述工作的主要方法是将最优版本选择问题建模为一个极为复杂的整数线性规划问题，通过求解该问题得到最优的视频编码版本。这一方法的复杂度随系统的规模呈指数趋势增长，因此需要消耗极高的复杂度和计算资源，从而占用了服务器进行视频编码的计算资源，具有很大的局限性。另一方面，上述工作假设各视频的不同视频版本已经通过预编码获得，其最终目标是从这些已知版本中选取最优的版本子集，这一假设在实际系统中并不成立。例如在实时视频通信系统中，所有视频流通过实时编码后将码率传输给用户，因此没有足够的时间对所有视频进行预编码。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的方法及系统。为实现以上目的，本专利技术采用的技术方案是：根据本专利技术的一个方面，提供一种动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，所述方法结合动态自适应流媒体编码技术，在服务器处将各原始视频编码为多个不同码率的版本，同时兼顾各不同原始视频内容的编码复杂度-码率-失真模型、服务器的编码码率和计算资源限制、不同用户的网络连接情况(比如用户带宽资源)以及视频点播概率分布，确定各原始视频所需编码的视频版本子集以及每个视频版本的具体编码参数，服务器最终通过编码输出视频最优版本集合，以实现用户观看视频整体质量的最大化。具体的，所述动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，包括以下步骤：第一步、视频模型抽取步骤：抽取各原始视频的前若干帧，得到各原始视频的编码复杂度-码率-失真模型；第二步、码率控制与版本选择步骤：根据服务器处可编码得到的各视频不同版本组成的全集、第一步中得到的各原始视频的编码复杂度-码率-失真模型、服务器的编码码率和计算资源限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，建立适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的优化问题，采用最优版本集合码率控制与版本选择方法，得到各视频各最优版本的编码参数；第三步、视频版本编码步骤：使用动态自适应流媒体编码技术，并采用第二步中得到的各视频各最优版本的编码参数，将各原始视频编码为多个不同码率的视频版本，输出得到视频最优版本集合。优选地，第一步中，所述的前若干帧为任意大于二的正整数帧。优选地，第一步中，所述的各原始视频由于内容的不同呈现出不同的编码复杂度-码率-失真性能。优选地，第一步中，所述的编码复杂度-码率-失真模型将编码复杂度、码率和失真表示为具体编码参数的函数。优选地，第二步中，所述的适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的优化问题，结合服务器处可编码得到的各视频不同版本组成的全集、第一步中得到的各视频的编码复杂度-码率-失真模型、服务器的编码码率和计算资源限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，并使用网络效用最大化建模方法得到。更优选地，所述的建立适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的优化问题，包括：目标优化问题：约束条件：其中：视频文件集合视频版本集合用户集合F、M、U为任意大于二的正整数；λm表示视频版本m在编码时运动估计模块中的搜索范围，Qm表示视频版本m在编码时量化模中块的量化步长，Rf(λm，Qm)表示视频文件f的第m个视频版本的编码码率，Cf(λm，Qm)表示视频文件f的第m个视频版本的编码复杂度；定义基集合表示所有服务器处可编码得到的各视频不同版本组成的全集，其中元素vf，m表示服务器编码输出视频文件f的第m个视频版本；对于每个用户将其通过链路带宽Bu能够下载的所有视频的所有版本的集合记为：优化变量为：表示实际编码输出的各视频版本组成的集合；具体地，某一个元素表示视频文件f的第m个视频版本由服务器编码输出；优化目标为：最大化所有用户的预期视频失真减少量之和其中所有服务器处可编码得到的各原始视频不同版本集合是所述优化问题的基集合；当用户请求视频f时，将从集合中选择该视频码率最高的版本进行下载观看；因此，表示已知用户u请求视频文件f的概率为Pu，f，服务器实际编码输出的视频版本集合能够造成用户u观看视频时的预期视频失真减少量，即：上式中：指示函数的值在的时候为1、在的时候为0；Dmax分别表示当视频无法解码时的最大失真常量，Df(λm，Qm)表示视频文件f的第m个视频版本的编码失真，Dmax-Df(λm，Qm)表示用户在成功解码视频文件f的第m个视频版本之后的视频失真减少量；约束条件为：服务器编码码率限制条件，即要求所有视频版本的码率之和不超过服务器最大码率资源Rmax；以及服务器计算限制条件，即要求所有视频版本的编码复杂度之和不超过服务器最大计算资源Cmax。优选地，第二步中，所述的最优版本集合码率控制与版本选择方法，在为各原始视频确定最优版本的编码参数时，采用具有多项式时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、视频模型抽取步骤：抽取各原始视频的前若干帧，得到各视频的编码复杂度‑码率‑失真模型；第二步、码率控制与版本选择步骤：根据服务器处可编码得到的各视频不同版本组成的全集、第一步中得到的各原始视频的编码复杂度‑码率‑失真模型、服务器的编码码率和计算资源限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，建立适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的优化问题，采用最优版本集合码率控制与版本选择方法，得到各视频各最优版本的编码参数；第三步、视频版本编码步骤：使用动态自适应流媒体编码技术，并采用第二步中得到的各视频各最优版本的编码参数，将各原始视频编码为多个不同码率的视频版本，输出得到视频最优版本集合。

【技术特征摘要】
1.一种动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、视频模型抽取步骤：抽取各原始视频的前若干帧，得到各视频的编码复杂度-码率-失真模型；第二步、码率控制与版本选择步骤：根据服务器处可编码得到的各视频不同版本组成的全集、第一步中得到的各原始视频的编码复杂度-码率-失真模型、服务器的编码码率和计算资源限制、以及用户的网络连接情况和视频点播概率分布，建立适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的优化问题，采用最优版本集合码率控制与版本选择方法，得到各视频各最优版本的编码参数；第三步、视频版本编码步骤：使用动态自适应流媒体编码技术，并采用第二步中得到的各视频各最优版本的编码参数，将各原始视频编码为多个不同码率的视频版本，输出得到视频最优版本集合。2.根据权利要求1所述的一种动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，其特征在于，第一步中，所述的前若干帧为任意大于二的正整数帧。3.根据权利要求1所述的一种动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，其特征在于，第一步中，所述的各原始视频由于内容的不同呈现出不同的编码复杂度-码率-失真性能；所述的编码复杂度-码率-失真模型将编码复杂度、码率和失真表示为具体编码参数的函数。4.根据权利要求1所述的一种动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，其特征在于，第二步中，所述的适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的优化问题，使用网络效用最大化建模方法得到。5.根据权利要求4所述的一种动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择方法，其特征在于，所述的建立适用于动态自适应视频流媒体的编码码率控制与版本选择的优化问题，包括：目标优化问题：约束条件：其中：视频文件集合视频版本集合用户集合F、M、U为任意大于二的正整数；λm表示视频版本m在编码时运动估计中的搜索范围，Qm表示视频版本m在编码时量化中的量化步长，Rf(λm，Qm)表示视频文件f的第m个视频版本的编码码率，Cf(λm，Qm)表示视频文件f的第m个视频版本的编码复杂度；定义基集合表示所有服务器处可编码得到的各视频不同版本组成的全集，其中元素υf，m表示服务器编码输出视频文件f的第m个视频版本；对于每个用户将其通过链路带宽Bu能够下载的所有视频的所有版本的集合记为优化变量为：表示实际编码输出的各视频版本组成的集合；具体地，某一个元素表示视频文件f的第m个视频版本由服务器编码输出；优化目标为：最大化所有用户的预期视频失真减少量之和其中，所有服务器处可编码得到的各视频不同版本集合是所述优化问题的基集合；当用户请求视频f时，将从集合中选择该视频码率最高的版本进行下载观看；因此，表示已知用户u请求视频文件f的概率为Pu，f，服务器实际编码输出的视频版本集合能够造成用户u观看视频时的预期视频失真减少量，即：

【专利技术属性】
技术研发人员：熊红凯，李成林，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31