基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法技術

本發明專利技術提供一種基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法，將丟包檢測技術與視頻壓縮技術特點相結合，通過評估丟包的時空分布對于壓縮視頻還原的影響大小，對視頻圖像質量進行實時評價。本發明專利技術的視頻質量評價方法有以下指標組成：（1）丟包關鍵幀比例；（2）頭部丟包關鍵幀比例；（3）關鍵幀平均丟包率；計算公式如下：視頻質量評價指標=HLIR×R1+LIR×R2+LIER×R3+LER；其中各參數如下：HLIR：頭部丟包關鍵幀比例；LIR：丟包關鍵幀比例；LIER：關鍵幀平均丟包率；LER：平均丟包率（即傳統丟包率）。本發明專利技術對于大型視頻聯網系統中掌握大量視頻的動態質量狀況具有非常重要的意義。

Video quality real-time evaluation method for multistage network monitoring based on packet loss analysis

The present invention provides a method for real-time evaluation of multilevel network monitoring video quality loss based on the analysis, combining the packet loss detection technology and video compression technology, through the influence on the distribution of temporal assessment of packet loss of video compression, the size of the reduction in real-time evaluation of video image quality. Video quality evaluation the method of the invention has the following indicators: (1) the key frame loss ratio; (2) the head of the key frame loss ratio; (3) key frame average packet loss rate; the calculation formula is as follows: the video quality evaluation index of =HLIR * R1+LIR * R2+LIER * R3+LER; the parameters are as follows: HLIR: head loss key frame rate; LIR: key frame loss ratio; LIER: key frame average packet loss rate; LER: the average packet loss rate (traditional loss rate). The invention has great significance for mastering the dynamic quality status of a large amount of video in a large-scale video networking system.

【技術實現步驟摘要】
基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法
本專利技術涉及一種視頻質量的快速評估方法，針對多級聯網的監控視頻，屬于視頻監控

技術介紹
視頻監控（安防行業）發展多年，各地公安部門、交通部門等公共部門在公路、公共場所、室內安裝部署了大量的視頻監控設備。隨之而來的就是聯網的需要。近年來隨著以國標GBT28181為代表的一批視頻聯網標準的公布，各公共部門及跨部門、跨區域的視頻聯網飛速發展。發展也帶來了新的問題，由于管理與安全需要，各部門的網絡結構往往相當復雜，特別是跨部門、跨區域的聯網，由此造成了視頻聯網中多級聯網、層層轉發的現狀。圖1是公安視頻聯網的典型架構；如此復雜的路由、多層次的轉發很容易由于數據傳輸丟包產生視頻質量問題，尤其是國標GBT28181等主流視頻聯網標準多基于不可靠信息傳輸的UDP協議，更容易發生丟包。事實上，丟包問題已經是視頻聯網中主要視頻質量問題。圖像質量評價方法包括主觀評價方法與客觀評價方法，主觀評價（即人工分析）效率低下，無法用于大量視頻的實時分析。而傳統的客觀評價方法須對前后圖像進行比較分析，通過信噪比，均方誤差等方式進行評價。這一方面具體項目工程中難以實時提供前后圖像進行比較，另一方面對于圖像的識別分析需要配置大量專門的圖像檢測設備，代價過于高昂。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法，本專利技術針對視頻多級聯網下視頻質量問題主要由丟包引起的特點，將丟包檢測技術與視頻壓縮技術特點相結合，通過評估丟包的時空分布對于壓縮視頻還原的影響大小，對視頻圖像質量進行實時評價。本專利技術采用的技術方案是：一種基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法，通過評估丟包的時空分布對于壓縮視頻還原的影響大小，對視頻質量進行實時評價。本專利技術重點在通過關鍵幀丟包的狀況評價視頻質量。該視頻質量實時評價方法采用一個視頻質量評價指標進行評價；當視頻編碼標準為H.264及以上版本時，公式如下：視頻質量評價指標=HLIR×R1+LIR×R2+LIER×R3+LER當視頻編碼標準為H.264以下版本時，公式如下：視頻質量評價指標=LIR×R2+LIER×R3+LER其中各參數如下：HLIR：頭部丟包關鍵幀比例；定義為一段視頻片段中存在丟包現象而且是前半部分丟包的關鍵幀比例；LIR：丟包關鍵幀比例；定義為一段視頻片段中存在丟包現象的關鍵幀在所有關鍵幀中的比例；LIER：關鍵幀平均丟包率；定義為一段視頻片段中位于關鍵幀上的丟包比例；LER：平均丟包率即傳統丟包率；R1、R2、R3為加權系數。R1、R2、R3是經驗值，滿足以下條件的情況下自行調節：R3>1，表明關鍵幀平均丟包率對視頻質量的影響大于平均丟包率；R2>R3，表明丟包關鍵幀比例對于視頻質量的影響大于關鍵幀平均丟包率；R1>R2，表明頭部丟包關鍵幀比例對于視頻質量的影響大于丟包關鍵幀比例。進一步地，關鍵幀通過歷史經驗法進行識別：在視頻碼流周期性的時間段內特定范圍內連續選定的一個或多個RTP包構成視頻的關鍵幀。或者，關鍵幀通過實時檢測法進行識別：將確定數量的RTP包組成一個完整的視頻幀，或將一串連續相同長度的RTP包和該串連續相同長度RTP包之后的一個RTP包組成一個完整的視頻幀；將組成的完整視頻幀的長度與一個長度閾值比較，超過長度閾值即判定為是一個關鍵幀。本專利技術的優點：本專利技術能夠快速實時地評估多級聯網后的視頻圖像質量；對于大型視頻聯網系統中掌握大量視頻的動態質量狀況具有非常重要的意義。附圖說明圖1為公安視頻聯網架構示意圖。圖2為本專利技術的幀間預測視頻片段示意圖。圖3為本專利技術的實施例流程圖。具體實施方式下面結合具體附圖和實施例對本專利技術作進一步說明。本專利技術的基本思路是，多級視頻聯網中的視頻質量問題主要由傳輸中丟包造成，那么通過對丟包特征的分析就能大致地評估出最終的視頻圖像質量。由于丟包檢測是視頻聯網中很多編解碼設備、流媒體轉發服務器、客戶端的已有模塊，通過丟包實時自動評價圖像質量，僅須少許改造就可以在幾乎不需要額外投入的情況下，實現實用的實時視頻圖像質量評估系統。目前各種視頻監控系統對于視頻傳輸丟包的檢查，僅限于平均丟包率。然而實際檢查結果表明，平均丟包率并不能準確反映最終的視頻圖像質量。相同平均丟包率的兩路視頻，圖像質量可能天差地遠。究其原因，在于視頻圖像傳輸采用了動態的壓縮算法，丟包的時空分布對于最后解碼后的圖像影響不同所致，有些丟包問題可以通過算法修復，而有些不僅無法恢復，而且會造成未丟包的數據失效。以國標GBT28181規定使用H.264視頻編碼（視頻壓縮格式）為例，其最重要的編解碼流程就是幀內與幀間預測。其中幀間預測也是先前的H.26x系列和MPEG-x系列標準的普遍流程。典型的幀間預測視頻片段如圖2：視頻片段中分為三種視頻幀：I幀:幀內編碼幀即關鍵幀，是一幀畫面的完整保留；P幀:前向預測編碼幀。P幀表示的是這一幀跟之前的一個關鍵幀（或P幀）的差別，解碼時需要用之前緩存的畫面疊加上本幀定義的差別，生成最終畫面；B幀:雙向預測內插編碼幀。B幀是雙向差別幀，記錄的是本幀與前后幀的差別。簡言之，視頻片段中，大部分的畫面（P幀、B幀）依賴于關鍵幀畫面。在P幀、B幀丟包對圖像質量影響有限，而一旦關鍵幀丟包，會導致整個視頻片段失真。H.264標準又增加了幀內預測功能，即一個關鍵幀內，前半部分的畫面被完整保留，而后半部分的畫面則只記錄與之前的差別。如果關鍵幀的前半部分發生丟包，則整個視頻片段都將失真。本專利技術針對視頻多級聯網下視頻質量問題主要由丟包引起的特點，將丟包檢測技術與視頻壓縮技術特點相結合，通過評估丟包的時空分布對于壓縮視頻還原的影響大小，對視頻圖像質量進行實時評價。以GBT28181標準視頻聯網為例，其媒體流采用H.264編碼，媒體流傳輸基于實時傳輸協議（RTP）。由于每個RTP包頭中有順序號與時間戳，所以丟包時間、丟包位置、丟包數量可以很容易實時檢測出來。本專利技術中所指丟包，即指RTP數據包丟失。一幀視頻數據通常由多個RTP包傳輸，監控視頻的RTP包一般與視頻幀有對應關系。由于H.264編碼采用了幀間預測、幀內預測等技術，不同視頻幀上的丟包對視頻圖像質量會產生不同的影響，尤其是關鍵幀上的丟包對視頻圖像質量影響尤其巨大。通過丟失RTP包的分布與數量能快速實時地大致評估多級聯網后的視頻圖像質量。對于大型視頻聯網系統中掌握大量視頻的動態質量狀況具有非常實際的意義。本專利技術的視頻質量實時評價方法包括以下指標：1、丟包關鍵幀比例一段視頻片段中存在丟包現象的關鍵幀在所有關鍵幀中的比例；該指標針對視頻壓縮技術的幀間預測，當丟包關鍵幀比例較高時，通過由于視頻壓縮的幀間預測，從而擴大了對視頻質量的影響。該指標適用于H.26x系列和MPEG-x系列流媒體編碼標準監控視頻。2、頭部丟包關鍵幀比例一段視頻片段中存在丟包現象而且是前半部分丟包的關鍵幀比例；該指標針對視頻壓縮技術的幀內預測，當關鍵幀中前半部分丟包時，會導致后半部分的編碼失效，進而導致后續非關鍵幀編碼失效，從而對視頻質量產生特別嚴重的影響。該指標適用于H.264系列以上流媒體編碼標準監控視頻。3、關鍵幀平均丟包率一段視頻片段本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法，其特征在于，通過評估丟包的時空分布對于壓縮視頻還原的影響大小，對視頻質量進行實時評價。

【技術特征摘要】
1.一種基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法，其特征在于，通過評估丟包的時空分布對于壓縮視頻還原的影響大小，對視頻質量進行實時評價。2.如權利要求1所述的基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法，其特征在于，通過關鍵幀丟包的狀況評價視頻質量。3.如權利要求2所述的基于丟包分析的多級聯網監控視頻質量實時評價方法，其特征在于，該視頻質量實時評價方法采用一個視頻質量評價指標進行評價；當視頻編碼標準為H.264及以上版本時，公式如下：視頻質量評價指標=HLIR×R1+LIR×R2+LIER×R3+LER當視頻編碼標準為H.264以下版本時，公式如下：視頻質量評價指標=LIR×R2+LIER×R3+LER其中各參數如下：HLIR：頭部丟包關鍵幀比例；定義為一段視頻片段中存在丟包現象而且是前半部分丟包的關鍵幀比例；LIR：丟包關鍵幀比例；定義為一段視頻片段中存在丟包現象的關鍵幀在所有關鍵幀中的比例；LIER：關鍵幀平均丟包率；定義為一段視頻片段中位于關鍵幀上的丟包比例；LER：平均丟包率即傳統丟包率；R1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊卓敏，徐曉東，張慧辰，
申請(專利權)人：公安部交通管理科學研究所，
類型：發明
國別省市：江蘇,32