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CN117956167A - 视频编码的码率控制方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

视频编码的码率控制方法、装置及计算机可读存储介质 Download PDF

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CN117956167A
CN117956167A CN202311837719.6A CN202311837719A CN117956167A CN 117956167 A CN117956167 A CN 117956167A CN 202311837719 A CN202311837719 A CN 202311837719A CN 117956167 A CN117956167 A CN 117956167A
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China
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video coding
curr
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CN202311837719.6A
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王曜
谭建军
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Shenzhen Yuntian Changxiang Information Technology Co ltd
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Shenzhen Yuntian Changxiang Information Technology Co ltd
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    • H04N19/10—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

本发明涉及视频编码领域，具体地说，涉及视频编码的码率控制方法、装置及计算机可读存储介质，其包括以下步骤：S1、设置初始的视频宽度、高度、帧率和比特率；S2、使用nvENC编码器进行视频编码当前输出帧的平均QP，通过nvENC编码器和历史量化参数，得到当前帧的量化参数QP_curr的平均值QP_avg；S3、通过webRTC的带宽预测，得到当前的发送带宽信息bandwidth_net；S4、通过nvENC编码器预设编码最低和最高QP值，来调整编码码率；该视频编码的码率控制方法中，针对不同帧类型设置最大和最小QP值，根据帧类型优化视频编码的效果，同时，根据当前的QP值和设定的最大最小QP值来动态调整比特率，以保证在网络传输中的视频质量。

Description

视频编码的码率控制方法、装置及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及视频编码技术领域，具体地说，涉及视频编码的码率控制方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
动态场景、静态场景、运动强度等情况下，好的码控算法不仅有助于提升整体的编码效率和质量，同时还与编码视频质量在各种实际视频特性情况下的稳定性密切相关，在实际应用中，考虑网络预测以及内容特性，尤其是在与游戏内容相结合的情况下，会有更多的挑战和需求。
在不同网络环境下的传输情况，为考虑网络预测和游戏内容质量，保持高质量的视频输出，视频在不同网络条件下会出现卡顿或者视频质量下降，鉴于此，提供视频编码的码率控制方法、装置及计算机可读存储介质。
发明内容
本发明的目的在于视频编码的码率控制方法、装置及计算机可读存储介质，以解决上述背景技术中提出的视频在不同网络条件下会出现卡顿或者视频质量下降的问题。
一方面为实现上述目的，本发明目的在于提供了视频编码的码率控制方法，包括以下步骤：
S1、设置初始的视频宽度、高度、帧率和比特率；
S2、使用nvENC编码器进行视频编码当前输出帧的平均QP，通过nvENC编码器和历史量化参数QP_n-1、QP_n-2，得到当前帧的量化参数QP-curr的平均值QP_avg；
S3、通过webRTC的带宽预测，得到当前的发送带宽信息bandwidth_net；
S4、通过nvENC编码器预设编码最低和最高QP值，针对I帧、P帧和B帧三种帧类型，各自进行设置，来调整编码码率，以使视频质量在可接受范围内；
S5、根据当前的QP值和设定的最大最小QP值来动态调整比特率，以保证在网络传输中的视频质量。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，系统允许的最大编码比特率为bitrate_max，后续的码率调节均不超过这个最大码率，且当前的编码比特率bitrate_curr＜bitrate_max。
作为本技术方案的进一步改进，当前帧的量化参数QP_curr的平均值QP_avg的计算方法为：
QP_avg＝((w1×QP_n-1)+(w2×QP_n-2)+w_curr×QP_curr)/(w1+w2+w_curr)；
其中，w1表示历史量化参数QP_n-1的权重；w2表示历史量化参数QP_n-2的权重；w_curr表示当前帧的量化参数QP_curr的权重。
作为本技术方案的进一步改进，所述当前输出帧的平均QP的范围为[1，51]。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，webRTC采用GCC或BBR算法中的任一种或两者结合，用于估算当前的发送带宽信息bandwidth_net。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，预设的最低QP值QP_min＝24；预设的最高QP值QP_max＝36。
作为本技术方案的进一步改进，所述S5中，调整比特率的方法具体为：
降低比特率：
增加比特率：
其中，reduce_ratio表示减小比率；increase_ratio表示增加比率；QPnew表示调整比特率后得到的新的量化参数；
作为本技术方案的进一步改进，调整比特率的步骤如下：
S9.1、当QP_curr＜QP_min时，则降低比特率，以降低码率；
S9.2、当QP_curr＞QP_max时，则增加比特率，以提升码率；
S9.3、若QP_min和QP_max与目标码率的设置冲突的时候，按照目标码率执行，通过调节帧率或分辨率以控制输出的码率。
作为本技术方案的进一步改进，所述比特率的调整范围限制在带宽和设定的最大比特率内；带宽指通过webRTC对网络连接的带宽进行估算和预测，得到的当前可用的带宽；所述目标码率指在视频编码中设置的期望输出视频的比特率。
另一方面，为实现上述目的，本发明还提供视频编码的码率控制装置，所述视频编码的码率控制装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的码率控制程序，所述码率控制程序被所述处理器执行时实现上述任一项所述的视频编码的码率控制方法的步骤。
另一方面，为实现上述目的，本发明还提供计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有码率控制程序，所述码率控制程序被处理器执行时实现上述任一项所述的视频编码的码率控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该视频编码的码率控制方法中，针对不同帧类型设置最大和最小QP值，根据帧类型优化视频编码的效果，同时，根据当前的QP值和设定的最大最小QP值来动态调整比特率，以保证在网络传输中的视频质量。
2、该视频编码的码率控制方法中，通过确保视频在不同网络条件下都能够平稳播放，避免卡顿或者视频质量下降，并综合考虑网络预测和游戏内容质量，保持高质量的视频输出，通过动态调整比特率，根据网络条件的变化自动调整码率大小来确保画面的清晰度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的整体方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参阅图1所示，本实施例提供了一种视频编码的码率控制方法，包括以下步骤：
S1、设置初始的视频宽度、高度、帧率和比特率；
当前档位最大码率表示为bitrate_max，表示系统允许的最大编码比特率，是视频编码输出的上限值，单位Kbps；后续的码率调节以不超过这个最大码率为宜，bitrate_curr＜bitrate_max；
当前的编码比特率bitrate_curr根据系统运行时的条件和算法动态调整的值；根据视频质量、网络带宽和其他因素进行调节，以确保视频编码输出的比特率不超过系统设定的最大值bitrate-max。
S2、使用nvENC编码器进行视频编码当前输出帧的平均QP，通过nvENC编码器和历史量化参数，得到当前帧的量化参数QP_curr的平均值QP_avg；QP_curr是当前帧的输出平均值，这个值在nvENC编码器的编码结果中可以得到；QP_curr表示预设的初始参数，为当前输出帧的平均QP，用于评估当前帧的编码质量，在视频编码中，不同帧可能具有不同的QP值，表示针对当前正在编码的帧所采用的量化参数；QP表示量化参数，是nvENC编码器中用来控制图像量化级别的参数，影响着压缩率和图像质量，用于控制视频编码时量化步长的大小。较小的QP值表示更精细的量化，更高的质量，但更高的比特率；QP_avg表示一系列帧的平均量化参数值，表示一段时间内多个帧的QP值的平均值，用于评估整体视频的编码质量。
其中，QP_n-1，QP_n-2是前一帧，前2帧的平均QP；使用nvENC()函数或类似的功能来启动nvENC编码器，将视频数据编码为压缩格式；在编码过程中，nvENC编码器通常会提供对历史量化参数的访问，这些参数表示nvENC编码器用于控制视频质量和比特率的重要指标，通过访问nvENC编码器提供的接口或函数，以获取历史帧的量化参数；根据当前的量化参数QP_curr的平均值QP_avg，分析当前状态和视频数据的稳定性；
在本实施例中，使用历史量化参数QP_n-1、QP_n-2以及当前帧的量化参数QP_curr，其中，QP_n-1是前一帧平均QP，QP_n-2是前2帧的平均QP，计算得到当前的量化参数QP_curr的平均值QP_avg。
进一步的，当前的量化参数δP_curr的平均值QP_avg的计算方法为：
QP_avg＝((w1×QP_n-1)+(w2×QP_n-2)+w_curr×QP_curr)/(w1+w2+w_curr)；
其中，w1表示历史量化参数QP_n-1的权重；w2表示历史量化参数QP_n-2的权重；w_curr表示当前帧量化参数QP_Curr的权重。
加权平均方法可以根据实际情况调整权重，以更好地反映历史帧对于当前帧量化参数的影响
进一步的，所述当前输出帧的平均QP的范围为[1，51]；当前输出帧的平均QP是视频序列中所有输出帧的量化参数的平均值，用来评估整个视频的编码质量水平，较低的平均QP通常表示更高质量的视频，但也可能意味着更高的比特率。
S3、通过webRTC的带宽预测，得到当前的发送带宽信息bandwidth_net；用于控制输出的比特率；webRTC的带宽预测涉及GCC、BBR算法；
网络预测带宽bandwidth_net，根据webRTC的带宽预测所获得的网络预测带宽，被视为一个预设值；
在本实施例中，webRTC采用GCC或BBR算法中的任一种或两者结合，用于估算当前的发送带宽信息bandwidth_net。
其中，GCC算法基于TCP的拥塞控制机制，通过观察网络延迟和丢包情况来判断网络拥塞程度，并相应地调整数据传输速率，根据网络丢包情况、ACK确认等信息，调整发送数据量的大小以控制网络拥塞，以确保通信的稳定性和质量；
BBR算法结合了带宽估计和拥塞控制，通过观察往返时间(RTT)和带宽利用率来优化网络数据传输；BBR通过观察网络的RTT和数据包传输率来估计可用的带宽；基于对带宽和延迟的估计来动态调整拥塞窗口，以最大化带宽利用并避免网络拥塞。
S4、通过nvENC编码器预设编码最低和最高QP值，预设的最低QP值QP_min＝24；预设的最高QP值QP_max＝36；并针对I帧、P帧和B帧三种帧类型，各自进行设置，来调整编码码率，以使视频质量在可接受范围内；
设置编码最大最小QP针对这些帧类型意味着针对不同类型的帧设定了最大和最小的量化参数(QP)值。量化参数用于控制视频压缩的程度，从而影响视频质量和压缩率。较低的量化参数通常会产生更高质量的图像，但会占用更多的比特率，而较高的量化参数则会减少比特率但可能会降低图像质量；
针对不同帧类型设置最大和最小QP值的目的是根据帧类型优化视频编码的效果。通常情况下，对于不同类型的帧，可以采用不同的量化参数范围以达到平衡压缩率和视频质量的目标。如关键帧(I帧)可能会被设置较低的量化参数以确保高质量，而在预测帧(P帧)和双向预测帧(B帧)中则可能允许使用更高的量化参数以节省比特率而稍微牺牲一些质量。
S5、根据当前的QP值和设定的最大最小QP值来动态调整比特率，以保证在网络传输中的视频质量；
如果视频质量良好，即QP_curr＜QP_min时，则降低比特率，以保持在带宽、设定的最大比特率之内。
如果视频质量不佳，即QP_curr＞QP_max时，则提高比特率，但限制在带宽和设定的最大比特率内。
如果码率超出预期，则降低帧率或分辨率以控制输出的码率，不需要人为统计的方法，只用设置QPmin[3]，QPmax[3]即可；进一步的，QPmin[3]，QPmax[3]表示针对三种不同类型的帧(I帧、P帧和B帧)设置的最小和最大量化参数值的集合，视频编码器在对不同类型的帧进行编码时，为每种类型设定最小值QP_min和最大值QP_max；其中，关键帧(I帧)，可设置较低的δP_min以确保高质量；对于预测帧(P帧)和双向预测帧(B帧)，允许更高的QP_min以节省比特率，尽管牺牲一些图像质量，当设置的最大最小量化参数与目标码率产生冲突时，系统会依据目标码率优先执行，即忽略QPmin[3]，QPmax[3]的设置，而根据设定的目标码率来调整编码码率，无需进行额外的人为统计或干预。
通过监控编码质量(QP值)和网络带宽，动态调整视频编码参数，调整输出的比特率、分辨率和帧率，以保证在网络传输中的稳定性和视频质量。
当最大最小QP的设置与目标码率的设置冲突时，以目标码率为准进行执行，通过设置的最低QP值QPmin和最高QP值QPmax来调整编码码率，无需额外的人为统计方法。
在本实施例中，调整比特率的方法具体为：
降低比特率：
增加比特率：
其中，reduce_ratio表示减小比率；increase_ratio表示增加比率；QPnew表示调整比特率后得到的新的量化参数；
确保新的量化参数QPnew在设定的最小值(QP_min)和最大值(QP_max)范围内；根据需求动态调整比特率；
当系统检测到可以降低比特率时，静态场景或者网络条件较差时，则reduce-ratio决定了降低量化参数的比率，较小的比率会使得量化参数增加，进而减小码率，但会牺牲一些视频质量以保持较低的码率；
当需要提高比特率以提升视频质量时，有更多动态变化或者网络条件改善时，则increase_ratio决定了增加量化参数的比率，较大的比率会使得量化参数减少，从而增加码率以改善视频质量，但可能会增加文件大小或带宽占用：
视频质量的优化通常需要根据量化参数(QP)的大小以及带宽等因素进行动态调整，系统根据QP值和预设的比特率范围来调整压缩参数，以平衡视频质量和带宽利用率。同时，降低比特率和提高比特率可以通过调整视频编码参数来实现，增加量化参数(QP)的值会导致视频质量降低，但同时也会降低输出的比特率，较大的QP值意味着更大的量化步长，压缩率更高；进一步的，减小量化参数(QP)的值会提高视频的质量，但也会增加输出的比特率。较小的QP值意味着更小的量化步长，视频质量更高。
根据实时场景的变化来调整量化参数，以平衡视频质量和压缩率，通过动态调整码率，根据网络条件的变化自动调整码率大小来确保画面的清晰度和稳定性，这样的自适应性能够使视频在不同场景下都能保持较好的观看体验，同时根据需要在视频质量和压缩率之间做出权衡；优选的，reduce_ratio＝0.75；increase_ratio＝1.25。
在本实施例中，比特率的动态调整步骤如下：
S9.1、当QP_curr＜QP_min时，则降低比特率，以降低码率；
S9.2、当QP_curr＞QP_max时，则增加比特率，以提升码率；
S9.3、若QP_min和QP_max与目标码率的设置冲突的时候，按照目标码率执行，通过调节帧率或分辨率以控制输出的码率。
进一步的，所述比特率的调整范围限制在带宽和设定的最大比特率内，即最大码率bitrate_max，后续的码率调节以不超过这个最大码率为宜，即bitrate_curr必小于bitrate_max，确保了视频在传输过程中不会超出网络通道的传输能力或系统能够处理的最大数据量；
为保持高质量的视频输出，来确保画面的清晰度和稳定性，比特率的调节在尽量不改变编码分辨率和码率的情况下进行，通过优化视频内容或者调整编码器的参数来降低比特率；
在视频编码过程中，编码器会根据图像内容、压缩需求和预设的参数等因素来决定每一帧的量化参数，从而控制图像的压缩率和质量。较低的量化参数通常对应更高的图像质量，但也可能会导致更大的比特率；而较高的量化参数则可能降低图像质量但能达到更高的压缩率。
带宽指通过webRTC对网络连接的带宽进行估算和预测，得到的当前可用的带宽；所述目标码率指在视频编码中设置的期望输出视频的比特率，即S1中设置的初始比特率。
实施例2
本实施例还提供视频编码的码率控制装置，所述视频编码的码率控制装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的码率控制程序，所述码率控制程序被所述处理器执行时实现上述任一项所述的视频编码的码率控制方法的步骤。
此外，本实施例还提供计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有码率控制程序，所述码率控制程序被处理器执行时实现上述任一项所述的视频编码的码率控制方法的步骤。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.视频编码的码率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、设置初始的视频宽度、高度、帧率和比特率；
S2、使用nvENC编码器进行视频编码当前输出帧的平均QP，通过nvENC编码器和历史量化参数QP_n-1、QP_n-2，得到当前帧的量化参数QP_curr的平均值QP_avg；
S3、通过webRTC的带宽预测，得到当前的发送带宽信息bandwidth_net；
S4、通过nvENC编码器预设编码最低和最高QP值，针对I帧、P帧和B帧三种帧类型，各自进行设置；
S5、根据当前的QP值和设定的最大最小QP值来动态调整比特率，以保证在网络传输中的视频质量。
2.根据权利要求1所述的视频编码的码率控制方法，其特征在于：所述S1中，系统允许的最大编码比特率为bitrate-max，且当前的编码比特率bitrate-curr＜bitrate_max。
3.根据权利要求2所述的视频编码的码率控制方法，其特征在于：当前帧的量化参数QP_curr的平均值QP_aug的计算方法包括：
QP_avg＝((w1×QP_n-1)+(w2×QP_n-2)+w_curr×QP_curr)/(w1+w2+w_curr)；
其中，w1表示历史量化参数QP_n-1的权重；w2表示历史量化参数QP_n-2的权重；w_curr表示当前帧的量化参数QP_curr的权重。
4.根据权利要求3所述的视频编码的码率控制方法，其特征在于：所述当前输出帧的平均QP的范围为[1，51]。
5.根据权利要求1所述的视频编码的码率控制方法，其特征在于：所述S4中，预设的最低QP值QP_min＝24；预设的最高QP值QP_max＝36。
6.根据权利要求5所述的视频编码的码率控制方法，其特征在于：所述S5中，调整比特率的方法包括：
降低比特率：
增加比特率：
其中，reduce_ratio表示减小比率；increase_ratio表示增加比率；QPnew表示调整比特率后得到的新的量化参数。
7.根据权利要求6所述的视频编码的码率控制方法，其特征在于：调整比特率的步骤如下：
S9.1、当QP_curr＜QP_min时，则降低比特率，以降低码率；
S9.2、当QP_curr＞QP_max时，则增加比特率，以提升码率；
S9.3、若QP_min和QP_max与目标码率的设置冲突的时候，按照目标码率执行，通过调节帧率或分辨率以控制输出的码率。
8.根据权利要求7所述的视频编码的码率控制方法，其特征在于：所述比特率的调整范围限制在带宽和设定的最大比特率内；所述目标码率指在视频编码中设置的期望输出视频的比特率。
9.视频编码的码率控制装置，其特征在于：所述视频编码的码率控制装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的码率控制程序，所述码率控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的视频编码的码率控制方法的步骤。
10.计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有码率控制程序，所述码率控制程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的视频编码的码率控制方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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