02-----带宽分析-----码流、分辨率、帧率的概念及如何计算视频带宽

2023-11-11

一码流、分辨率、帧率的概念

1 码流

码流（Data Rate）是指视频文件在单位时间内使用的数据流量，也叫码率或码流率，是视频编码中画面质量控制中最重要的部分，一般我们用的单位是Kb/s或者Mb/s，也可换成大写KB/s，MB/s。注意带宽的单位是Kbps，Mbps。
　　一般来说同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。码流越大，说明单位时间内取样率越大，数据流，精度就越高，处理出来的文件就越接近原始文件，图像质量越好，画质越清晰，要求播放设备的解码能力也越高。

2 帧率

帧率就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数，或者说1s中能显示多少张图片，通常用fps（Frames Per Second）表示。每一帧都是静止的图象，快速连续地显示帧便形成了运动的假象。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。每秒钟帧数 (fps) 愈多，所显示的动作就会愈流畅。一般视频帧率多数在25fps左右。

3 分辨率

视频分辨率是指视频成像产品所成图像的大小或尺寸。常见的视像分辨率有352×288，176×144，640×480，1024×768。在成像的两组数字中，前者为图片长度，后者为图片的宽度，两者相乘得出的是图片的像素，长宽比一般为4：3. 　目前监控行业中主要使用Qcif(176×144）、CIF(352×288）、HALF D1(704×288）、D1(704×576）等几种分辨率。

D1是数字电视系统显示格式的标准，共分为以下5种规格：

1）D1：480i格式（525i）： 720×480（水平480线，隔行扫描），和NTSC模拟电视清晰度相同，行频为15.25kHz，相当于我们所说的4CIF(720×576)
2）D2：480P格式（525p）： 720×480（水平480线，逐行扫描），较D1隔行扫描要清晰不少，和逐行扫描DVD规格相同，行频为31.5kHz
3）D3：1080i格式（1125i）： 1920×1080（水平1080线，隔行扫描），高清方式采用最多的一种分辨率，分辨率为1920×1080i/60Hz，行频为33.75kHz
4）D4：720p格式（750p）： 1280×720（水平720线，逐行扫描），虽然分辨率较D3要低，但是因为逐行扫描，市面上更多人感觉相对于1080I（实际逐次540线）视觉效果更加清晰。不过个人感觉来说，在最大分辨率达到1920×1080的情况下，D3要比D4感觉更加清晰，尤其是文字表现力上，分辨率为1280×720p/60Hz，行频为45kHz
5）D5：1080p格式（1125p）： 1920×1080（水平1080线，逐行扫描），目前民用高清视频的最高标准，分辨率为1920×1080P/60Hz，行频为67.5KHZ。

其中D1 和D2标准是我们一般模拟电视的最高标准，并不能称的上高清晰，D3的1080i标准是高清晰电视的基本标准，它可以兼容720p格式，而D5的1080P只是专业上的标准。

二如何计算视频带宽

1 对于文件

文件大小 = 时间 × (码率 / 8)。除以8的原因是，码流(码率)是以波特率(bit)为单位的，必须除以8转换成字节。
同时在线人数 = 带宽 / (码流) 。带宽为系统中该网卡的带宽(或者服务商提供的带宽)，如何查看看下面。

例如，一个视频文件的大小为5.86M,播放时长为3分7秒：

1）该文件对应的码流就是：

5.86 * 1024 * 1024 * 8 / (3 * 60 + 7) = 262872.956577bps
其中：5.86 * 1024 * 1024 * 8代表文件总码流，因为需要以秒s为单位，所以需要除以时长(3 * 60 + 7)。

2）10Mbps独享带宽能支撑的同时在线人数：

10* 1024 * 1024 / 262872.95657754 = 39.889078

注意：10M的带宽已经是带宽单位了，10* 1024 * 1024已经是带宽，无需再乘以8。
并且可能每个人小数不一定完全相等，因为电脑浮点数不一定完全正确，大概相同即可。

3）百兆带宽能支撑的同时在线人数：

100 * 1024 * 1024 / 262872.95657754 = 398.890784

4）支撑1000人同时在线的系统最少需要的带宽数为：

262872 * 1000 / (1024 * 1024) = 250.6942749Mbps

262872 * 1000的意思是：1000个人同时占用262872的带宽，也就是同时播放时长为3分7秒的视频文件。
除以(1024 * 1024)是将bps转成Mbps。并且注意，有些人喜欢写带宽的单位只写M，不过他应该会说这个M代表带宽，需要与字节的单位M区分。

2 对于实时视频
对于实时的视频，由于无法知道视频的大小，所以想想上面文件的计算方法可能不太适合，但是计算方法和文件也不会差太多。

1）该实时视频对应的码流为：
得到实时流的码率实际上很简单，是由我们自行设计的。例如ffmpeg推文件到流媒体服务器，使该文件变成实时流时，设置码率为1Mbps。但是要求该文件或者实时流本身有1Mbps的码率，否则我记得好像是不起作用的。
代码中可以通过设置ffmpeg的编解码器上下文AVCodecContext里面的码率成员。
在这里插入图片描述
或者本身就是实时流的，以海康为例，我们可以去到对应的页面查看：

例如，我们通过上面推流1Mbps的文件或者实时流，然后通过vlc或者ffmpeg播放，可以大概看到码率的大小。
注意，虽然是设置了1Mbps的带宽，但是并非是固定在1Mbps，会在这个范围上下波动。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

2）千兆带宽能支撑的同时在线人数：

//100 * 1024 * 1024 * 1024  = 107374182400bps
//1000 * 1024 * 1024 / 1 * 1024 * 1024=1000
// 或者以Mbps为单位算,得出的在线人数就是：
1000Mbps / 1Mbps = 1000人

上面至少250Mbps左右就能支持1000人，而这里1000Mbps才能支持1000人是因为：
上面文件的带宽实际只有262kbps左右，而这里是1Mbps，所以算出来的结果自然不一样。实际情况千兆带宽并不会被完全使用，一般带宽只能有效的使用60-80%左右，所以千兆带宽可能在6000-800人时，可能就会出现带宽不够而卡顿。

Linux下可以这样查看该网卡的带宽(Windows可以在网络的更改适配器，然后双击网卡即可，这里只讲Linux)。

ifconfig

找到收发包不为0的网卡。
在这里插入图片描述

ethtool eno2

在这里插入图片描述

我们可以对比看一下nginx中的stat页面，查看带宽，可以看到，虽然是同一个分辨率，但是占用带宽每一秒都可能是不同的，并且可能与帧率有关，因为帧率不一定固定在25，可能在15-25fps波动。
在这里插入图片描述

参考文章：
视频带宽计算公式(码流_分辨率_帧率)。
性能测试中如何分析查看网络带宽占用情况。

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