一种基于视频帧差异视频卡顿检测方案

奇技 · 指南

在视频质量检测中,检测视频是否卡顿也属于视频质量检测的标准之一,在构建视频检测平台中,这一步至关重要。

本文要说明的是把视频转换为帧序列,根据计算帧之间的差值,寻找帧序列中是否有断层,来判断当前视频是否存在卡顿的现象。

结果为一个数据, 0 代表无卡顿现象, 1代表存在卡顿现象

技术与架构

用户上传视频文件后,使用ffmpeg 转换为图片序列,抽取图片信息,计算所有序列帧的图片运动像素,计算所有序列图片的平均运动水平,动态计算动态因子,输出判断结果, 0表示当前不存在卡顿点, 1表示当前存在卡顿点。

整体方案主要分为六个部分

1. 图片处理

2. 图像相邻帧像素计算

3. 计算所有图片运动量,组合为运动集合

4. 消除视频图片场景剪辑比例,计算平均运动量

5. 计算动态因子

6. 返回结果

技术优势

  • 不需要准备大量的数据集来训练模型,只针对当前要处理的视频进行计算;

  • 不会因为大量的动态场景和静态场景影响卡顿检测的结果;

  • 精准高效,计算量相对较低

技术实现

图片处理

这里采用灰度图片来作为视频卡顿检测的输入序列图片数据,重新设置当前图片的大小为 360*640,当前区域为我们后面计算的兴趣区域.设定兴趣区域,可以有效的避免一些像素点计算的噪声影响。

图像相邻帧计算

A.遍历当前图像集,使用t+1(下一时刻帧) 的像素减去t(当前时刻帧)的像素值,计算出两帧之间的差异信息。

B.设定阈值,这里的阈值是一个常量值 = 30,当两帧之间的差异值> 30的时候,就任务图片存在运动像素,否则,没有存在运动,值为 0,此步骤消除了低运动噪声,或感知能力下的运动像素。

计算所有图片的运动量

将步骤2中的值进行平方,将幅度转换为能量,并计算每个视频帧的平均值.该平均值就是当前帧的能量值,所有帧的动量值记为TI2。

消除视频图片场景切换比例,计算平均运动水量

A.在计算平均值之前要消除场景剪辑比例,这里使用的常量值为 0.02,就是说我们有100个帧要消除2个场景的剪辑。

B.对 TI2 从小到大排序,在这个序列中,根据B中的比例值,消除最高和最低的两个噪声值,循环遍历TI2,计算t时刻帧之前所有帧的平均值,并把这个平均值进行累加.当场景切换的时候,TI2 序列的低点和高点均被消除,平均TI2值(TI2_AVG)不会收到影响。

计算动态因子

在近乎静态的场景和动态的场景中,由于像素的变动很小,或者像素变动很大,卡顿的帧/丢失帧会存在少量/大量的运动信息,在确定运动水平的时候需要涉及主观直觉的要素,所以需要利用动态阈值来确定卡顿的视频帧。

在视频中,存在的动态场景较多,该阈值增加,静态场景,阈值减少。

Dfact = a + b * log(TI2_AVG)  a ,b, c 都为常量,分别为 2.5, 1.25, 0.1,c为限制Dfact 较小的一个值。

当 Dfact < c = Dfact else 等于 c, Dfact 取值范围是[0, 0.1]之前的一个值。

帧的丢弃和运动量是线性依赖于平均运动能量的对数。

返回结果

循环遍历视频帧,获取每一帧的TI2值,如果当前的TI2值<= Dfact * Mdrop,认为当前的帧是卡顿的,也就是值为1,如果当前的TI2值> Dfact * Mdrop, 任务当前帧不存在卡顿,把视频所有的帧按找时间顺序排序后,就是我们当前视频卡顿检测的列表值。

Dfact 为上述计算的动态因子,Mdrop为固定运动能量阈值来确定帧的卡顿.Mdrop 为常量值 0.015。

效果展示

选择9张连续的视频帧图片

返回检测结果

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<think>我们被要求使用C++来检测视频撕裂或卡顿(lag)。视频撕裂通常是由于帧率与显示刷新率不匹配导致,而卡顿则是由于帧处理时间过长导致帧率下降。根据引用资料,我们注意到项目使用了TNN(腾讯神经网络库)和OpenCL进行加速,并且有实时检测的能力(GPU推理约15ms)。这暗示我们可以利用类似的框架来监测视频渲染性能。解决方案思路:1.视频撕裂检测:通常通过比较连续帧的时间戳和渲染时间,以及垂直同步(VSync)状态来判断。但由于Windows不允许直接访问VSync信号,我们通常采用帧时间分析。2.卡顿检测:通过计算每帧的实际渲染时间,并与理想帧间隔(如1/60秒)比较,若超过阈值则判定为卡顿。具体步骤:a)使用高性能计时器(例如`QueryPerformanceCounter`)来精确测量每帧的渲染时间。b)在渲染循环中,记录每一帧的起始时间和结束时间。c)撕裂的检测:由于无法直接检测撕裂,我们可以通过检查帧的渲染是否跨过了垂直同步周期来间接判断。但实际上,我们可以通过比较连续两帧的时间差是否远大于预期(这可能导致撕裂)来推测,但这并不准确。因此,更常见的方法是使用专用的工具(如NVIDIA的帧检查工具)或通过捕获屏幕图像然后分析相邻区域的不连续来判断(计算量大)。d)卡顿检测:当某一帧的渲染时间超过预设阈值(例如50ms,对于60fps的视频,每帧间隔约16.67ms),则记录为卡顿。考虑到实际操作的可行性,我们这里重点实现卡顿检测,并简要介绍撕裂检测的替代方法。实现方案:1.初始化计时器:```cpp#include<windows.h>LARGE_INTEGERfrequency;QueryPerformanceFrequency(&frequency);//获取计时器频率```2.在渲染循环中:```cppLARGE_INTEGERstart,end;QueryPerformanceCounter(&start);//渲染一帧QueryPerformanceCounter(&end);doubleframeTimeMs=(end.QuadPart-start.QuadPart)*1000.0/frequency.QuadPart;```3.卡顿判断:```cppconstdoubleframeThreshold=16.67;//60fps对应的每帧时间if(frameTimeMs>2*frameThreshold){//超过两倍的时间,即认为卡顿//记录卡顿事件}```4.撕裂检测的替代方案(计算相邻帧的连续性):-获取当前帧和上一帧的某个特定区域(例如中间的一条水平线)。-比较两帧在该区域的像素差异。如果发生跳跃性变化(比如一个物体在上一帧在下方,而当前帧突然跳到上方),则可能发生了撕裂。但这种方法误判率高。然而,直接检测撕裂在用户程序中较为困难,通常建议开启垂直同步以避免撕裂,然后重点关注卡顿检测。考虑到引用[1]中的项目使用了OpenCL进行加速,我们可以利用OpenCL的事件时间戳来测量在GPU上执行的时间,这比CPU计时更精确(因为CPU计时包含等待GPU的时间,而GPU计时则是实际执行时间)。使用OpenCL事件计时的步骤:a)在提交OpenCL命令队列时获取事件:```cppcl_eventevent;clEnqueueNDRangeKernel(queue,kernel,...,&event);```b)等待事件完成:```cppclWaitForEvents(1,&event);```c)获取事件的时间戳:```cppcl_ulongtime_start,time_end;clGetEventProfilingInfo(event,CL_PROFILING_COMMAND_START,sizeof(time_start),&time_start,NULL);clGetEventProfilingInfo(event,CL_PROFILING_COMMAND_END,sizeof(time_end),&time_end,NULL);doublegpuTimeMs=(time_end-time_start)*1e-6;//转换为毫秒```这样我们就可以得到GPU处理该帧所需的时间,如果这个时间过长,则说明在GPU上发生了卡顿。另外,为了检测整个帧渲染时间(包括CPU和GPU时间),我们可以结合CPU计时和GPU计时。总结:我们提供两种卡顿检测方法:-CPU计时:检测整个帧的渲染时间(包括CPU处理和等待GPU的时间)。-GPU计时:检测GPU实际处理命令的时间(需要开启OpenCL的性能分析)。对于撕裂,由于检测的复杂性,我们建议在可能的情况下开启垂直同步(VSync)以避免。代码示例(整合到渲染循环中):```cpp#include<windows.h>#include<iostream>intmain(){//初始化OpenCL(略)...LARGE_INTEGERfreq;QueryPerformanceFrequency(&freq);while(rendering){LARGE_INTEGERcpuStart,cpuEnd;QueryPerformanceCounter(&cpuStart);//提交OpenCL渲染命令(同时获取事件)cl_eventkernelEvent;//...提交kernel并绑定事件//等待命令完成(确保事件记录完成)clWaitForEvents(1,&kernelEvent);//获取GPU时间cl_ulonggpuStart,gpuEnd;clGetEventProfilingInfo(kernelEvent,CL_PROFILING_COMMAND_START,sizeof(gpuStart),&gpuStart,NULL);clGetEventProfilingInfo(kernelEvent,CL_PROFILING_COMMAND_END,sizeof(gpuEnd),&gpuEnd,NULL);doublegpuTimeMs=(gpuEnd-gpuStart)*1e-6;//CPU结束时间QueryPerformanceCounter(&cpuEnd);doublecpuTimeMs=(cpuEnd.QuadPart-cpuStart.QuadPart)*1000.0/freq.QuadPart;//计算整个帧的时间(包括CPU提交命令、等待等)//卡顿检测:如果整个帧的时间超过阈值constdoubleframeThreshold=16.67;//60fpsif(cpuTimeMs>2*frameThreshold){std::cout<< "Framelagdetected!Frametime(CPU):"<< cpuTimeMs<< "ms"<< std::endl;}//检查GPU处理时间是否异常if(gpuTimeMs>frameThreshold){std::cout<< "GPUprocessingtoolong:"<< gpuTimeMs<< "ms"<< std::endl;}//释放事件clReleaseEvent(kernelEvent);}return0;}```注意:开启OpenCL性能分析需要在创建命令队列时设置属性:```cppcl_command_queue_propertiesprops=CL_QUEUE_PROFILING_ENABLE;cl_command_queuequeue=clCreateCommandQueue(context,device,props,NULL);```此外,这种方法只能检测到GPU执行kernel的时间,如果渲染流程中有多个kernel,需要累计各个事件的时间。由于无法直接检测撕裂,我们可以通过监测帧率的稳定性来间接判断。例如,如果帧时间变化(jitter)很大,则可能发生撕裂(未开启VSync)或卡顿。相关问题:1.如何区分视频撕裂和卡顿?2.使用OpenCL的Profiling功能会影响性能吗?3.如何减少视频卡顿的发生?4.除了OpenCL,还有哪些方法可以获取GPU的渲染时间?5.在Windows平台上,如何开启垂直同步?参考文献:[1]提供了使用OpenCL加速的实时检测框架,我们可以借鉴其计时方法。[2]提供了编译和运行的环境配置,确保我们正确使用OpenCL。</think> ### C++检测视频界面撕裂或卡顿的解决方案 在Windows平台上检测视频撕裂或卡顿,可通过帧时间分析和渲染同步技术实现。以下是核心解决方案: --- #### 1. **帧时间分析法(检测卡顿)** 通过计算帧渲染时间的标准差来识别卡顿: ```cpp #include <chrono> #include <vector> constexpr int FRAME_SAMPLE_SIZE = 60; // 采样60帧 constexpr double LAG_THRESHOLD = 2.5; // 标准差阈值(毫秒) class LagDetector { public: void StartFrame() { frameStart = std::chrono::high_resolution_clock::now(); } void EndFrame() { auto frameEnd = std::chrono::high_resolution_clock::now(); double frameTime = std::chrono::duration<double, std::milli>(frameEnd - frameStart).count(); frameTimes.push_back(frameTime); if (frameTimes.size() > FRAME_SAMPLE_SIZE) { frameTimes.erase(frameTimes.begin()); } } bool IsLagging() { if (frameTimes.size() < FRAME_SAMPLE_SIZE) return false; double mean = 0, stdDev = 0; for (auto& t : frameTimes) mean += t; mean /= frameTimes.size(); for (auto& t : frameTimes) stdDev += pow(t - mean, 2); stdDev = sqrt(stdDev / frameTimes.size()); return stdDev > LAG_THRESHOLD; } private: std::vector<double> frameTimes; std::chrono::high_resolution_clock::time_point frameStart; }; ``` **检测流程**: 1. `StartFrame()` 记录帧开始时间 2. `EndFrame()` 计算并存储帧渲染时间 3. `IsLagging()` 计算标准差判断卡顿 $$ \sigma = \sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(t_i - \mu)^2} $$ --- #### 2. **撕裂检测(基于DirectX)** 利用`IDXGIOutput`检测垂直同步状态: ```cpp #include <dxgi.h> HRESULT CheckTearing(IDXGISwapChain* swapChain) { DXGI_SWAP_CHAIN_DESC desc; swapChain->GetDesc(&desc); IDXGIOutput* output; swapChain->GetContainingOutput(&output); DXGI_OUTPUT_DESC outDesc; output->GetDesc(&outDesc); BOOL tearingSupport = FALSE; // 检测撕裂状态 if (FAILED(output->DuplicateOutput(device, &outDuplication)) { // 垂直同步失败时可能出现撕裂 return TEARING_DETECTED; } output->Release(); return NO_TEARING; } ``` **撕裂形成原理**: $$ t_{render} \notin [V_{sync\_start}, V_{sync\_end}] $$ 当帧渲染时间未落在垂直同步窗口时出现撕裂 --- #### 3. **优化策略(引用项目特性)** 1. **GPU加速**:利用引用[1]的OpenCL加速技术[^1]: ```cpp // 开启OpenCL内核分析 cl_event profilingEvent; clEnqueueNDRangeKernel(queue, kernel, ... , 0, NULL, &profilingEvent); // 获取GPU渲染时间 cl_ulong start, end; clGetEventProfilingInfo(profilingEvent, CL_PROFILING_COMMAND_START, ... &start); clGetEventProfilingInfo(profilingEvent, CL_PROFILING_COMMAND_END, ... &end); double gpuTime = (end - start) * 1e-6; // 毫秒单位 ``` 2. **帧缓冲同步**:增加三重缓冲减少撕裂概率: ```cpp DXGI_SWAP_EFFECT swapEffect = DXGI_SWAP_EFFECT_FLIP_DISCARD; DXGI_SWAP_CHAIN_DESC desc = { .BufferCount = 3, // 三重缓冲 .SwapEffect = swapEffect, .Flags = DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_ALLOW_TEARING }; ``` --- #### 4. **系统级性能监控** ```mermaid graph TD A[视频源] --> B[解码器] B --> C{渲染通道} C --> D[GPU处理] C --> E[CPU后处理] D --> F[交换链输出] E --> F F --> G[帧时间分析] G -->|卡顿| H[优化策略] F -->|垂直同步| I[撕裂检测] ``` --- #### 5. **部署流程** 1. 配置OpenCL环境(引用[2]`build.sh`脚本)[^2] 2. 集成TNN库进行硬件加速[^1] 3. 启用DXGI性能计数器: ```registry Windows Registry Editor [HKEY_CURRENT_USER\Software\Microsoft\DirectX] "EnableGraphicsAnalysisTool"=dword:00000001 ``` --- #### 相关问题 1. 如何在多显示器场景下检测垂直同步状态? 2. 通过OpenCL事件分析实现卡顿预测是否可行? 3. DXGI帧丢弃策略如何影响撕裂检测? 4. 机器学习模型(如引用[3]的YOLO结构)能否用于卡顿预测? 5. 如何实现跨平台(Win/Linux)的撕裂检测方案? > 参考: > [1] TNN+OpenCL实时加速架构[^1] > [2] OpenCL编译环境配置[^2] > [3] YOLOv8网络结构分析[^3]
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