一種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法，包括：步驟A：通過分析編碼參數和配置條件對視頻流碼率的影響，建立HEVC編碼器參數模型；步驟B：用終端用戶對接收視頻質量的主觀感知，建立一個綜合考慮編碼器設置和網絡損失因素的主觀QoE模型；步驟C：基于建立的主觀QoE模型，對多用戶的視頻業(yè)務，在有限的信道容量下構建最大化所有用戶的總QoE的自適應調節(jié)算法。與現有技術相比，本發(fā)明大幅提高了多用戶情況下的用戶總滿意度，同時支持根據用戶優(yōu)先級分配資源，對提高系統(tǒng)性能，優(yōu)化網絡資源分配具有重要意義。
【專利說明】
-種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及無線通信技術領域，尤其是設及一種基于主觀質量評估的編碼器自適 應調整方法。
【背景技術】
[0002] 隨著網絡傳輸技術和視頻壓縮技術的發(fā)展，終端用戶期望得到更高質量的視頻業(yè) 務。為了得到更高的用戶滿意度，體驗質量(如ality of Experience,QoE)在2012年被mj-T提出，用來描述終端用戶感知到的業(yè)務質量，逐漸取代客觀服務質量（Quality Of Service, QoS)指標，被用于網絡的資源分配和性能優(yōu)化。一般來說，QoE同時受到應用層參 數(AQoS)和網絡層參數(NQoS)因素的共同影響。
[0003] 視頻業(yè)務是下一代網絡業(yè)務中最主要的業(yè)務之一。高效視頻編碼化EVC)作為最新 的視頻編碼標準，相比與H.264可W在幾乎不損失視頻質量的前提下節(jié)省50%帶寬，更有利 于在帶寬受限的網絡中進行視頻傳輸。但也導致皿VC編碼的視頻流對網絡丟包率更加敏 感。因此，建立一個綜合考慮編碼器設置和網絡損失因素的主觀QoE模型是非常具有必要性 的。同時，基于該主觀QoE模型，可W對編碼器進行自適應的調節(jié)，使其在有限的帶寬資源下 使得所有用戶的總QoE最大，對提高系統(tǒng)性能，優(yōu)化網絡資源分配具有重要意義。
[0004] 目前的研究工作存在有兩大問題，一是QoE同時受到應用層參數(AQoS)和網絡層 參數(NQoS)因素的共同影響。但目前對于視頻業(yè)務的QoE建模工作，大部分只單獨考察了應 用層參數、網絡參數對于視頻應用的影響，沒有給出一個綜合考慮的模型。二是基于QoE的 網絡優(yōu)化工作，也大多利用的是客觀QoE,僅通過調整信源的發(fā)送速率，而沒有考慮編碼器 參數的影響。L.Anegek址于2015年在IE趾 IYansaction on Multimedia(TMM)上發(fā)表了 ('Content-Based Video Quality Prediction for HEVC Encoded Video Streamed Over 化Cket Networks"(《分組網絡中基于內容的皿VC編碼視頻流質量預測方法》），提出了一種 基于視頻內容的質量評估方案，給出了一個比較完整可靠的視頻質量評價指標。然而，運個 指標并沒有用于網絡優(yōu)化和資源分配，因此基于QoE網絡優(yōu)化和自適應算法還有很大研究 空間。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于主觀質量 評估的編碼器自適應調整方法，大幅提高了多用戶情況下的用戶總滿意度，同時支持根據 用戶優(yōu)先級分配資源，對提高系統(tǒng)性能，優(yōu)化網絡資源分配具有重要意義。
[0006] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術方案來實現：
[0007] -種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法，其特征在于，包括：
[000引步驟A:通過分析編碼參數和配置條件對視頻流碼率的影響，建立皿VC編碼器參數 模型；
[0009]步驟B:用終端用戶對接收視頻質量的主觀感知，建立一個綜合考慮編碼器設置和 網絡損失因素的主觀QoE模型；
[0010] 步驟C:基于建立的主觀QoE模型，對多用戶的視頻業(yè)務，在有限的信道容量下構建 最大化所有用戶的總QoE的自適應調節(jié)算法。
[0011] 所述的影響視頻碼流率的編碼器參數包括序列的固有參數、量化參數QP和配置文 件決定的配置參數，其中固有參數包括帖速率、分辨率，所述的肥VC編碼器參數模型對輸出 流比特率BR與QP、W及視頻流質量PSNR與QP的關系模型化。
[0012] 所述的步驟A具體為：
[0013] 步驟Al:為了分析編碼器參數模型，利用肥VC的官方參考軟件歷16.0對不同的視 頻序列進行編碼，其中測試序列包括四種分辨率，分別為1600p、1080p、832x480和416x240; 配置文件包括S類:All Inha(AI)、Low Delay(XD)和Random Access(RA);量化參數被設 置為{1，2，7，12，22，27，32，37，42，47，51};輸入視頻格式是YUV420，視頻質量損失是由Y，U， V分量的PSNR的加權和來計算；
[0014] 步驟A2:根據訓練結果，通過比較擬合優(yōu)度R2用指數關系來近似表達輸出流比特 率BR與量化參數QP、W及視頻流質量PSNR與量化參數QP的關系，公式如下：
[0015]
[0016]
[0017]其中ai，02，&，&是與編碼器的配置文件、輸入現聯序列有關的參數，即：
[001 引（ai，0i，a2，&) = f(FR，W，H，Config.)
[0019] 步驟A3:確定參數ai，〇2，&，防，Qi視為不經過量化的輸出流比特率，與輸入序列的分 辨率和帖速率成正比，與編碼配置文件對應的壓縮率成反比，故
其中H X W為視頻的高和寬，FR為帖速率，O為壓縮率，與帖間預測、帖內預巧U、輸入序列的內 容和運動特征有關，通過訓練獲得，帖間預測的壓縮率要高于帖內預測的壓縮率，其中帖間 預測包括LD和RA配置文件，帖內預測包括AI配置文件;02視為不經過量化的輸出流重建后 的視頻質量PSNR，主要與編碼配置文件有關;&，&視為訓練得到的常數參數。
[0020] 所述的步驟B具體為：
[0021] 步驟BI:主觀用戶打分統(tǒng)計，主觀QoE模型既與應用層視頻業(yè)務的發(fā)送速率、信源 端壓縮質量有關，又與傳輸網絡的丟包率有關;利用終端用戶對重建視頻的平均意見得分 MOS值，綜合考慮應用層網絡層參數的影響，建立Q主觀QoE模型，其中MOS區(qū)間為[1，5]，由 mj-T P.800，P.910和P.920定義；
[0022] 步驟B2:將編碼器參數對視頻流的影響模型化，根據主觀實驗結果，視頻質量損失 是影響MOS的主要因素，其次，對于相同分辨率的序列，大的視頻流比特率會帶來更高的MOS 值，故編碼器的影響被建模為：
[0023]
[0024] 其中Bo是一個與輸入序列的分辨率相關的常數，BR是視頻流比特率;S是由視頻質 量損失PSNR決定的變量，計算如下：
[0025]
[0026] 步驟B3:對網絡損失對視頻流的影響模型化，考慮由于信道丟包率化R造成的傳輸 損失，丟包率被設置為0 %，1 %，3 %，5 %，10 % W得到不同丟包率與用戶MOS值的關系近似 用指數關系擬合，公式如下所示：
[0027]
[0028] 步驟B4:由于編碼器參數和網絡損失會共同影響主觀視頻質量評估的預測，故MOS值可U戸加1下/入井袖:軒化》1.
[0029]
[0030] 其中Bo、Do是建模中通過擬合結果得到的常數參數。
[0031] 所述的步驟C具體為：
[0032] 步驟Cl:根據步驟A和B獲取的主觀視頻質量評價指標，設計編碼器自適應調整算 法，考慮一個資源受限的網絡，存在多個視頻業(yè)務的用戶，通過反饋信息調節(jié)用戶編碼器參 數，使得碼率更適應于網絡條件，達到提高用戶滿意度的目的；
[0033] 優(yōu)化間顆艦連趙責.
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[00；3 引
[0039]
[0040] 其中ru(QPi)為第i個用戶編碼參數為QPi時對應的視頻質量MOS值，由QoE模型計算 獲得;化為信道為用戶提供可用的比特率，BRi和PSNRi為第i個用戶對應的編碼器端的輸出 流比特率和視頻流質量，量化參數的調節(jié)范圍在QPiE [1，51]; Vf € iV閉區(qū)間內，由于所有用 戶在同樣無線網絡鏈路狀況下，假設信道丟包率化R對于所有的用戶都是相同的，則用丫表 示所有用戶的信道丟包率；
[0041] 步驟C2:根據上述OPT問題的描述，求得最優(yōu)化問題的解
得到每個用戶最適合的編碼器參數。
[0042] 與現有技術相比，本發(fā)明實現了對視頻業(yè)務質量的主觀評價，同時基于該指標對 編碼器的設置進行了實時的調節(jié)，在網絡資源有限的情況下大幅提高了多用戶情況下的用 戶總滿意度，而且支持根據用戶優(yōu)先級分配資源，對提高系統(tǒng)性能，優(yōu)化網絡資源分配具有 重要意義，在視頻業(yè)務中具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0043 ]圖1為本發(fā)明的工作流程圖。
[0044] 圖2為本發(fā)明多用戶視頻業(yè)務編碼器自適應調整算法示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā) 明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實 施例，都應屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0046] 如圖1所示，本發(fā)明包括W下步驟：
[0047] 步驟A:皿VC編碼器參數模型。影響視頻碼流的編碼器參數包括序列的固有參數 (比如帖速率、分辨率等）、量化參數QP和配置文件決定的配置參數。其中量化是編碼器中造 成有損編碼的主要原因，故該步驟主要是對輸出流比特率BR和視頻流質量PSNR與QP的關系 模型化。
[0048] 步驟B:主觀視頻質量評估模型。QoE既與應用層視頻業(yè)務的發(fā)送速率、信源端壓縮 質量有關，又與傳輸網絡的丟包率有關。利用終端用戶對重建視頻的平均意見得分MOS值， 綜合考慮應用層網絡層參數的影響，建立QoE預測模型。
[0049] 步驟C:基于主觀QoE的皿VC編碼器自適應調整算法。針對網絡資源受限下多個視 頻業(yè)務的用戶，通過反饋信息調節(jié)用戶編碼器參數，使得碼率更適應于網絡條件，達到提高 用戶滿意度的目的。
[0050] 在多用戶視頻業(yè)務的情況下，編碼器自適應調整算法的應用場景示意圖如圖2所 示?？紤]6個視頻業(yè)務用戶，視頻序列分別為BQTerrace，Basketbal IDrive，Traf f ic， Kimono，PartyScene 和 Blowin 濁 ubbles，對應的日1 分別為 IM，640K，540K，270K，160K，40K。口2， Pi，&分別被設置為60.0，0.13和0.018。
[0051] 設定化=40肺PS，對步驟C中的優(yōu)化問題求解，得到的結果如表1所示。
[0化2] 表1
[0化3]
[0054] 由表1可見，自適應編碼器調整的方法可W比固定編碼器參數的方法提高MOS。
[0055] W上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明掲露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替 換，運些修改或替換都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應W權利 要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法，其特征在于，包括： 步驟A:通過分析編碼參數和配置條件對視頻流碼率的影響，建立HEVC編碼器參數模 型； 步驟B:用終端用戶對接收視頻質量的主觀感知，建立一個綜合考慮編碼器設置和網絡 損失因素的主觀Q〇E模型； 步驟C:基于建立的主觀QoE模型，對多用戶的視頻業(yè)務，在有限的信道容量下構建最大 化所有用戶的總Q〇E的自適應調節(jié)算法。2. 根據權利要求1所述的一種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法，其特征在 于，所述的影響視頻碼流率的編碼器參數包括序列的固有參數、量化參數QP和配置文件決 定的配置參數，其中固有參數包括幀速率、分辨率，所述的HEVC編碼器參數模型對輸出流比 特率BR與QP、以及視頻流質量PSNR與QP的關系模型化。3. 根據權利要求2所述的一種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法，其特征在 于，所述的步驟A具體為： 步驟A1:為了分析編碼器參數模型，利用HEVC的官方參考軟件HM 16.0對不同的視頻序 列進行編碼，其中測試序列包括四種分辨率，分別為1600p、1080p、832x480和416x240;配置 文件包括三類:A11 Intra(AI)、Low Delay(LD)和RandomAccess(RA);量化參數被設置為 {1，2，7，12，22，27，32，37，42，47，51};輸入視頻格式是YUV420，視頻質量損失是由Y，U，V分 量的PSNR的加權和來計算； 步驟A2:根據訓練結果，通過比較擬合優(yōu)度R2用指數關系來近似表達輸出流比特率BR與 量化參數QP、以及視頻流質量PSNR與量化參數QP的關系，公式如下：其中^，<12，&，&是與編碼器的配置文件、輸入測試序列有關的參數，即： (αι,βι,α2,β2) =f (FR,ff,H,Config.)步驟A3:確定參數w，α2，β:，β2，αι視為不經過量化的輸出流比特率，與輸入序列的分辨 率和幀速率成正比，與編碼配置文件對應的壓縮率成反比 中Η X W為視頻的高和寬，FR為幀速率，σ為壓縮率，與幀間預測、幀內預測、輸入序列的內容 和運動特征有關，通過訓練獲得，幀間預測的壓縮率要高于幀內預測的壓縮率，其中幀間預 測包括LD和RA配置文件，幀內預測包括ΑΙ配置文件;α 2視為不經過量化的輸出流重建后的 視頻質量PSNR，主要與編碼配置文件有關;，β2視為訓練得到的常數參數。4. 根據權利要求3所述的一種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法，其特征在 于，所述的步驟Β具體為： 步驟Β1:主觀用戶打分統(tǒng)計，主觀QoE模型既與應用層視頻業(yè)務的發(fā)送速率、信源端壓 縮質量有關，又與傳輸網絡的丟包率有關；利用終端用戶對重建視頻的平均意見得分M0S 值，綜合考慮應用層網絡層參數的影響，建立Q主觀QoE模型，其中M0S區(qū)間為[1，5]; 步驟B2:將編碼器參數對視頻流的影響模型化，根據主觀實驗結果，視頻質量損失是影 響M0S的主要因素，其次，對于相同分辨率的序列，大的視頻流比特率會帶來更高的M0S值， 故編碼器的影響被建模為：其中Bo是一個與輸入序列的分辨率相關的常數，BR是視頻流比特率;δ是由視頻質量損 失PSNR決定的變量，計算如下：步驟Β3:對網絡損失對視頻流的影響模型化，考慮由于信道丟包率PLR造成的傳輸損 失，丟包率被設置為0%，1%，3%，5%，10%以得到不同丟包率與用戶M0S值的關系近似用 指數關系擬合，公式如下所示：步驟M:由于編碼器參數和網絡損失會共同影響主觀視頻質量評估的預測，故M0S值可 以用如下公式進行估測：其中B〇、D〇是建模中通過擬合結果得到的常數參數。5.根據權利要求4述的一種基于主觀質量評估的編碼器自適應調整方法，其特征在于， 所述的步驟C具體為： 步驟C1:根據步驟A和B獲取的主觀視頻質量評價指標，設計編碼器自適應調整算法，考 慮一個資源受限的網絡，存在多個視頻業(yè)務的用戶，通過反饋信息調節(jié)用戶編碼器參數，使 得碼率更適應于網絡條件，達到提高用戶滿意度的目的； 優(yōu)化問題被建模為： 1 <QPi<51其中ni(QPi)為第i個用戶編碼參數為QPi時對應的視頻質量M0S值，由QoE模型計算獲 得;Rb為信道為用戶提供可用的比特率，BRdPPSNh為第i個用戶對應的編碼器端的輸出流 比特率和視頻流質量，量化參數的調節(jié)范圍在ρ/丨閉區(qū)間內，由于所有用戶 在同樣無線網絡鏈路狀況下，假設信道丟包率PLR對于所有的用戶都是相同的，則用γ表示 所有用戶的信道丟包率；步驟C2:根據上述OPT問題的描述，求得最優(yōu)化問題的解 得到每個用戶最適合的編碼器參數。
【文檔編號】H04N19/134GK105828069SQ201610211260
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】程正雪, 黃巍, 丁良輝, 楊峰, 錢良
【申請人】上海交通大學