一种适用于无人机SPI接口视频码率控制方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于无人机SPI接口视频码率控制方法，涉及无人机领域，根据串行外设接口特性以及网络流媒体数据服务端处理机制，在输出端和视频传输复接接口之间划分一块内存作为缓冲区，通过实时调整量化因子、编码器的输入帧率和缓冲区占有率门限来控制输出码率，完成编码控制机制和数据处理缓冲机制，解决视频压缩数据恒定可控问题，满足无线信道预留带宽的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于无人机SPI接口视频码率控制方法
本专利技术涉及无人机领域，尤其是一种视频码率控制方法。
技术介绍
随着无人机在现代战争中应用越来越多，其在战场情报侦察、指挥和控制中也开始发挥重要作用。这些都需要无人机视频处理系统能够提供清晰可靠的视频图像。早期的无人机视频处理系统采用JPEG2000对采集到的视频进行压缩，虽然这种方法已经能够提供不错的图像质量，但缺点是压缩后的视频数据量较大，对带宽有限的无线传输信道造成巨大的压力。我们需要的无人机视频处理系统应能够尽可能以恒定码率输出数据到数据链复接设备，便于与机载任务数据以及其他遥测数据进行复接和处理。近年来研究人员和技术人员也设计出了一些无人机视频处理系统，但是还没有很好的解决实时性问题和压缩编码数据按照信道带宽要求以恒定速率通过SPI接口传输的问题。由于无人机机载视频处理系统的压缩数据要与机载任务数据以及其他遥测数据进行复接，通过无线信道传输到地面指挥中心进行处理。因此，需要设计缓冲区码率控制机制，使视频处理系统尽可能以恒定码率输出数据到数据链复接设备，便于与机载任务数据以及其他遥测数据进行复接和处理。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，根据串行外设接口(SerialPeripheralInterface，SPI)接口特性以及网络流媒体数据服务端处理机制，本专利技术提出了一种适用于无人机SPI接口视频码率控制方法，以实际工程需求为背景，通过分析、研究在输出端和视频传输复接接口之间划分一块内存作为缓冲区，通过实时调整量化因子、编码器的输入帧率和缓冲区占有率门限来控制输出码率，完成编码控制机制和数据处理缓冲机制，解决视频压缩数据恒定可控问题，满足无线信道预留带宽的目的。本专利技术的适用于实时应用的无人机SPI接口视频码率控制方法包括了以下步骤：步骤1：缓冲区正常工作的要求为t时刻缓冲区内已缓存的视频流大小等于0～t时间段内流入缓冲区的视频流总量减去0～t时间段内流出缓冲区的视频流的总量，即满足式(1)式(1)中，Buffer(t)表示t时刻缓冲区缓存视频数据的总量，Input_rate(t)表示t时刻已编码的视频流入SPI缓冲区的速度，即当前编码器的输出码率，Output_rate(t)表示t时刻视频流出SPI缓冲区的速度，即SPI接口的视频传输速度；步骤2：根据目标码率计算初始量化参数根据单位像素的平均目标比特数确定初始量化参数QP0，其计算公式如下：其中l1，l2，l3是预定的阈值，l1，l2，l3的设置参数表1：表1图像大小l1l2l3QCIF0.10.30.6CIF0.20.61.2大于CIF0.61.42.4表1中CIF为CommonIntermediateFormat，QCIF为QuarterCommonIntermediateFormat，其中CIF和QCIF都是一种通用视频格式，CIF尺寸大小为352×288像素，QCIF尺寸大小为176×144像素；公式(2)图像中每个像素点所占的比特数bpp由下式确定：公式(3)中u(n1,1)表示起始可用信道带宽，n1，1表示第1个GOP的第1帧，Fr为编码时的帧率，单位为帧/秒，记为fps，width表示图像宽度，height表示图像高度，width和height单位均为像素；GOP第一帧为I帧，其余均为P帧，对于图像组(GroupofPicture，GOP)，起始量化参数由式(4)确定：其中，表示除第1个I帧之外的第i个GOP的起始量化参数，QPi-1(1)表示除第1个I帧之外的第(i-1)个GOP的起始量化参数，Np(i-1)表示第(i-1)个GOP中P帧个数，TotalQPforPPicture(i-1)表示第(i-1)个GOP中所有P帧量化参数之和，Ngop是第i个GOP中的总帧数；公式(4)的代入公式(5)，与QPi-1(1)-2相比求出最大值，即可求出迭代后的QPi(1)：步骤3：根据目标缓冲区大小，确定当前P帧图像的目标比特数在第i个GOP的第一个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的起始值依照下式确定：Tbl(ni,2)＝Bc(ni,2)(6)其中Tbl(ni,2)是第i个GOP的第一个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的起始值，Bc(ni,2)是第i个GOP的第一个P帧编码完成后实际缓冲区大小；随后的P帧的目标缓冲区大小按照式(7)计算：其中，Tbl(ni,2)表示第i个GOP的第一个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的起始值；Tbl(ni,j)表示第i个GOP的第(j-1)个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的值；Tbl(ni,j+1)表示第i个GOP的第j个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的值；Np表示第i个GOP中P帧的总帧数；第i个GOP的第j个P帧应分配的目标比特数取决于目标缓冲区大小、帧率、可用信道带宽和实际缓冲区大小，计算公式如下：其中表示第i个GOP的第j个P帧应分配的目标比特数，u(ni,j)表示第i个GOP的第j个P帧应分配的可用信道带宽，γ是常数，Tbl(ni,j)表示第i个GOP的第j-1个P帧应分配的目标缓冲区大小，Bc(ni,j)表示第i个GOP的第j-1个P帧应分配的实际缓冲区大小；对于第i个GOP开始编码时，分配的比特数由式(9)计算：其中Tr(ni,0)表示第i个GOP分配的比特数，u(ni,1)表示第i个GOP起始可用信道带宽，Ngop表示第i个GOP中的总帧数，Bc(ni-1,Ngop)表示编码完第(i-1)个GOP后虚拟缓冲区实际大小；根据公式(9)计算剩余可用比特数，当信道带宽随时间变化时，剩余比特数Tr(ni,j)通过下式计算：其中Tr(ni,j)表示第i个GOP的第j个P帧的剩余比特数，Tr(ni,j-1)表示第i个GOP的第(j-1)个P帧的剩余比特数，u(ni,j-1)表示第i个GOP的第j-1个P帧应分配的可用信道带宽，A(ni,j-1)表示第i个GOP的第j-1个P帧实际编码比特数；当信道带宽恒定时，当前帧的剩余比特数通过下式计算：Tr(ni,j)＝Tr(ni,j-1)-A(ni,j-1)(11)有公式(12)：其中表示第i个GOP的第j个P帧的目标比特数，Np,r(j-1)表示未编码的第(j-1)个P帧数目，当前P帧图像的目标比特数由和的加权组合计算得到：其中β是0至1之间的任意常数；为了满足假想的解码器HRD(HypotheticalReferenceDecoder)要求，目标比特数作如下限制：即L(ni,j)<f(ni,j)<U(ni,j)，其中，f(ni,j)表示目标比特数，U(ni,j)和L(ni,j)分别表示为保证缓冲区既不上溢又不下溢时，编码图像n所产生的比特数的上界和下界，其中，U(ni,j)为比特数的上界，L(ni,j)为比特数的下界；步骤4：确定帧级量化参数QPP帧量化参数的计算如下：设定当前帧的量化参数QPpc，当前帧为I帧或者是紧接I帧之后的第一个P帧时QPpc＝QP0；否则，根据MADPi＝a1*MADPi-1+a2，a1，a2为预测模型的两个参数，初始值分别为a1＝1，a2＝0，MADPi代表当前基本单元相应位置处的MAD，MADPi-1代表前一帧相应位置处的MAD，用前一帧的实际平均绝对差MAD(Me本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于无人机SPI接口视频码率控制方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：缓冲区正常工作的要求为t时刻缓冲区内已缓存的视频流大小等于0～t时间段内流入缓冲区的视频流总量减去0～t时间段内流出缓冲区的视频流的总量，即满足式(1)

【技术特征摘要】
1.一种适用于无人机SPI接口视频码率控制方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：缓冲区正常工作的要求为t时刻缓冲区内已缓存的视频流大小等于0～t时间段内流入缓冲区的视频流总量减去0～t时间段内流出缓冲区的视频流的总量，即满足式(1)式(1)中，Buffer(t)表示t时刻缓冲区缓存视频数据的总量，Input_rate(t)表示t时刻已编码的视频流入SPI缓冲区的速度，即当前编码器的输出码率，Output_rate(t)表示t时刻视频流出SPI缓冲区的速度，即SPI接口的视频传输速度；步骤2：根据目标码率计算初始量化参数根据单位像素的平均目标比特数确定初始量化参数QP0，其计算公式如下：其中l1，l2，l3是预定的阈值，l1，l2，l3的设置参数表1：表1图像大小l1l2l3QCIF0.10.30.6CIF0.20.61.2大于CIF0.61.42.4表1中CIF为CommonIntermediateFormat，QCIF为QuarterCommonIntermediateFormat，其中CIF和QCIF都是一种通用视频格式，CIF尺寸大小为352×288像素，QCIF尺寸大小为176×144像素；公式(2)图像中每个像素点所占的比特数bpp由下式确定：公式(3)中u(n1,1)表示起始可用信道带宽，n1，1表示第1个GOP的第1帧，Fr为编码时的帧率，单位为帧/秒，记为fps，width表示图像宽度，height表示图像高度，width和height单位均为像素；GOP第一帧为I帧，其余均为P帧，对于图像组(GroupofPicture，GOP)，起始量化参数由式(4)确定：其中，表示除第1个I帧之外的第i个GOP的起始量化参数，QPi-1(1)表示除第1个I帧之外的第(i-1)个GOP的起始量化参数，Np(i-1)表示第(i-1)个GOP中P帧个数，TotalQPforPPicture(i-1)表示第(i-1)个GOP中所有P帧量化参数之和，Ngop是第i个GOP中的总帧数；公式(4)的代入公式(5)，与QPi-1(1)-2相比求出最大值，即可求出迭代后的QPi(1)：步骤3：根据目标缓冲区大小，确定当前P帧图像的目标比特数在第i个GOP的第一个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的起始值依照下式确定：Tbl(ni,2)＝Bc(ni,2)(6)其中Tbl(ni,2)是第i个GOP的第一个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的起始值，Bc(ni,2)是第i个GOP的第一个P帧编码完成后实际缓冲区大小；随后的P帧的目标缓冲区大小按照式(7)计算：其中，Tbl(ni,2)表示第i个GOP的第一个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的起始值；Tbl(ni,j)表示第i个GOP的第(j-1)个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的值；Tbl(ni,j+1)表示第i个GOP的第j个P帧编码完成后，目标缓冲区大小的值；Np表示第i个GOP中P帧的总帧数；第i个GOP的第j个P帧应分配的目标比特数取决于目标缓冲区大小、帧率、可用信道带宽和实际缓冲区大小，计算公式如下：其中表示第i个GOP的第j个P帧应分配的目标比特数，u(ni,j)表示第i个GOP的第j个P帧应分配的可用信道带宽，γ是常数，Tbl(ni,j)表示第i个GOP的第j-1个P帧应分配的目标缓冲区大小，Bc(ni,j)表示第i个GOP的第j-1个P帧应分配的实际缓冲区大小；对于第i个GOP开始编码时，分配的比特数由式(9)计算：其中Tr(ni,0)表示第i个GOP分配的比特数，u(ni,1)表示第i个GOP起始可用信道带宽，Ngop表示第i个GOP中的总帧数，Bc(ni-1,Ngop)表示编码完第(i-1)个GOP后虚拟缓冲区实际大小；根据公式(9)计算剩余可用比特数，当信道带宽随时间变化时，剩余比特数Tr(ni,j)通过下式计...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，张修飞，辛向龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61