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一种新型的流媒体系统设计与实现_反馈机制
随着计算机技术、压缩技术以及网络技术的发展,网络中的流媒体业务也得到了飞速的发展和应用。但是受现有的网络带宽和服务质量的限制,在网络上传送大数据量的多媒体信息仍然显得很吃力。主要原因其一是传输多媒体数据量相对于网络带宽而言大得多,其二现有的网络环境不够稳定,在传输大数据量时容易造成丢包和拥塞等情况。为了解决此问题,可以采用一种高效的编码手段,将媒体信息在不明显降低质量的情况下,尽可能的压缩数据。并可根据不同网络带宽的条件,按不同的数据压缩比进行数据压缩。此外还需要在编码过程中融入一些容错机制和码率控制技术,以适应各种恶劣的网络条件。为此，本文着重介绍了应用层的基于视频的压缩编码技术和基于反馈机制的带宽自适应策略，并在此基础上构建了一个可扩展的、鲁棒的流媒体系统。
流媒体技术简介
流媒体技术的开发创意是从传统的TCP/IP协议对通过网络传送信息的控制方法中得到的。流技术能够按照特定的顺序将文件发送出去,而播放程序则可以边接收数据边播放他们。流媒体的形式主要有以下五种:流式音频、流式视频、流式动画、流式图象、流式文本。流媒体实现的关键技术流式传输,流式传输的定义很广泛,现在主要指通过网络传送媒体(如视频、音频等)的技术总称。其特定含义为通过INTERNET将影视节目传送到PC机。目前实现流式传输有两种方法:顺序流式传输(progressivestreaming)和实时流式传输(Realtimestreaming)。在进行流式传输时,首先,多媒体数据必须进行预处理才能适合流式传输,这是因为目前的网络带宽对多媒体巨大的数据流量来说还显得远远不够。预处理主要包括两方面:一是降低质量;二是采用先进高效的压缩算法。其次,流式传输的实现需要缓存。这是因为Internet是以包传输为基础进行断续的异步传输。各个包到达的时间不尽相同,因此采用接收缓存后,可以弥补延迟和抖动的影响,并保证数据包的顺序正确。再次,流式传输的实现需要合适的传输协议。HTTP协议对文本传输比较适宜,但对于实时图像的传输,一般采用RTP/UDP来传输。
2精细时域可扩展编码
随着因特网业务的巨大增长,在速率起伏很大的IP网络及具有不同传输特性的异构网络上进行视频传输的要求和应用越来越多。在这种背景下,视频分级编码的重要性日益突出,其应用非常广泛,且具有很高的理论研究及实际应用价值,因此受到人们的极大关注。视频编码的可分级性(scalability)是指码率的可调整性,即视频数据只压缩一次,却能以多个帧率、空间分辨率或视频质量进行解码,从而可支持多种类型用户的各种不同应用要求。
MPEG-4通过视频对象层(VOL,VideoObjectLayer)数据结构来实现分级编码。MPEG-4支持三种分级编码方式:时域分层编码和空域分层编码和质量分层编码,此外还支持时域和空域的混合分层编码。每一种分级编码都至少有两层VOL,低层称为基本层,高层称为增强层。基本层提供了视频序列的基本信息,增强层提供了视频序列更高的分辨率和细节。
它在编码的时候一次能生成多个不同分辨率的码流。但各个压缩层的码率在编码完成后就固定了,而且一般间距较大。此外传统的扩展编码方式的对增强层进行预测与补偿编码时,都是以同层的视频帧作为参考帧。在这种情况下,传统的扩展编码存在以下两个问题:其一,码率只能提供跳跃性变换的几种码率,难以完全利用网络带宽资源,用户通过接收多个组播组的压缩视频数据只能获得有限的码率调整范围。例如,当编码时提供32Kbps、96Kbps,224Kbps质量的视频时,如果有一个带宽为180Kbps的用户接入,那么他最多只能获得96Kbps的视频质量,带宽利用率不高。其二、以同一增强层的视频帧作为预测参考帧时,一旦某一个增强层的帧发生错误,它后面的增强层都将无法解码,直到遇到下一个I帧为止,即会导致严重的错误传播现象。所以传统的扩展编码更多的是用于存储,而由于网络的异构性和缺乏Qos保证带宽在一个很大的范围内发生变化,因此面向网络传输的视频编码的目标是将视频压缩成适合一个码率范围的码流。
根据实际应用的需求,要求我们的可扩展编码能够提供一个在一定范围内连续可调的码流,尽可能的提高网络带宽的利用率。目前我们实现的基本思想就是:将视频编码成一个可以单独解码的基本层码流和一个可以在任何地点截断的增强层码流,其中基本层码流适应最低的网络带宽,而增强层码流用来覆盖网络带宽变化的动态范围。
实现这种功能的编码方式就是精细空域可扩展编码FGSS(FineGranularSpatiallyScalable)。PFG则是为改善FGS编码效率而提出的视频编码算法,它克服了FGS编码中编码效率低于非可扩展编码及接收端视频质量非最优两个不足点。其基本思想是在增强层图像编码时使用前一帧重建的某个增强层图像为参考进行运动补偿,以使运动补偿更加有效,从而提高编码效率。
其编码体系结构图如图1
图1 编码体系结构图
3基于反馈的带宽自适应策略
图2为反馈机制的图示，该策略利用接收端对网络接收情况的分析统计信息，对编码发送进行及时、系统的调节。经试验证明该策略能有效地应对移动通信网络带宽抖动的特性，在时间与空间上具有较强的通用性。其时变性主要表现在该网络发送数据的应用过程中存在的明显的门限效应，即当数据发送速率（R）低于该门限（RT）时，数据包丢失概率基本小于1%，而当数据发送速率超过该门限时，数据包丢失概率将大幅上升，而该门限随信道物理情况改变。因此，通过控制其发送速率小于目前网络带宽门限就可以达到降低数据包丢失概率，从而提高接收端视频回放的实时性，连续性要求。然而，该门限值的获得，实际是难以通过直接测量获得的，我们应用该门限效应来“猜测”当前的带宽门限值（如图3示）。
3.1反馈机制的流程
该“猜测”过程，主要由接收端的反馈和发送端的相应调整所构成，如图4-1所示。
具体步骤如下：
首先在发送端为每一个实际发出的数据包标记连续的序列号SN，且发送端
的包率N保持恒定，初始数据包长度记做L。
接收端解析收到数据包的序号SN，根据接收到的总数据包数量N及在该时间段
内应该收到的总数据包数量
×N，计算出在目前时间
和
-
间的包丢失概率：
并将该丢失概率在时间t反馈至发送端。
发送端根据收到的丢包概率ρt调整目前的数据包长度L。如果
丢包率较高，可能由于
造成则：降低发送速率，减少丢包率
丢包率较低，
则：提高发送速率，提高视频质量
其中，
为每次数据包长度减小常量，
为每次数据包长度增加常量；L为数据包长度最小值，L为数据包长度最大值。
实际应用中，一些情况下丢包还有可能由随机的比特错误造成，在这种情况下降低发送速率将导致不必要的视频质量下降。因此需要将由发送速率大于门限出现的丢包与随机比特错误造成的丢包进行区分。由于信道中的随机比特错误分布相对分散，不会在长时间内连续出现，而当发送速率超过门限产生的丢包往往将持续较长时间。所以当一个检测时间段内发生丢包，而后一个检测时间段内无丢包则把该丢包认为是随机发生的，并不进行发送速率调整，只有当连续两个监测时间段内出现高丢包时才开始降低发送速率。
3.2系统参数的设定
:
是统计数据包接受数量的时间单位，
的设置必须使得系统在
能收到足够的数据包用以统计丢包概率，而又不宜设定过长导致对数据发送速率调节效率低下。该参数取值应与移动通信网络信道变化速度频率相适应。
与
:在实际应用中，为了最大程度地保证视频回放的流畅，
的数值应小于
，在面对网络带宽门限RT突然降低的情况下，能在一个
的周期内，调整到网络带宽门限RT以下。
L:L应小于或等于当前网络的最大传输单元(MaximumTransmissionUnit，MTU)。
Ns:Ns应保证当前发送端发送数据的最大速率，即Ns×LH应等于网络的最大有效带宽。
L:L的设定应保证Ns×L的是当前网络能安全地传输数据的最大速率值。
该反馈机制根据当前接收端对数据包接收的统计信息，对视频数据发送速率进行迅速的调整，当信道带宽门限下降时，在最慢两个
的周期内进行调整，将视频传输的停滞控制在两个
的周期内；而当信道带宽上升时，也将逐步提高发送速率，获得较高的带宽利用率。
4系统设计框架
图4 媒体传输流程图
此为该系统完整的原理图，多媒体信息首先通过各种采集设备如摄像头、录像机、摄影机等,将采集多媒体信息经A/D转换后存储。而这些存储的信息就交给媒体编码模块进行高压缩比的编码,在编码过程中,除了采用DCT变换和运动估计和补偿算法等这些常规的媒体压缩技术外,还采用了既满足压缩比、又适应网络条件的精细空域可扩展性编码。这种编码方式经DCT变换后,不是进行简单的量化处理,而采用了位平面编码技术,从而可以对纹理信息进行一个由粗到细的渐进编码过程。媒体信息经编码后需要发送到接收端,此时,中间的网络条件成为影响系统性能的关键因素。为此在该系统的服务器端增加了码流监控模块,实时地反映当前网络情况,上层控制程序则根据这个反馈过来的带宽情况及时调整发送码流的速率。
5结束语
在远程教育、数字图书馆、电子商务、视频点播、交互电视、远程医疗、网络音/视频、实时多媒体会议等方面,多媒体技术都起到很重要的作用。但MPEG-4受传统网络条件的限制,当前要利用网络条件应用多媒体技术还需要采用一些关键性技术。我们相信通过这多种技术的综合使用,必然会推动多媒体技术应用越来越广泛。
参考文献
1 吴国勇,邱学刚,万燕仔《.流媒体技术与应用》.北京:北京邮电大学出版社,2001.
2 Srinivasan M,Chellappa R.,“Adaptive source/channel subband video coding for wireless channels”.IEEE J.Select.AreasCornmum.1998.16:(9):1830-1839.
3 Worrall S T,Sadka A H,Sweeney P,etal.,“Optimal Packetisation of MPEG4 Using RTP Over Mobile Networks”.IEEEProc-commun.2001,(4):197-201.
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