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一種新型的流媒體系統設計與實現_反饋機制
隨著計算機技術、壓縮技術以及網絡技術的發(fā)展,網絡中的流媒體業(yè)務也得到了飛速的發(fā)展和應用。但是受現有的網絡帶寬和服務質量的限制,在網絡上傳送大數據量的多媒體信息仍然顯得很吃力。主要原因其一是傳輸多媒體數據量相對于網絡帶寬而言大得多,其二現有的網絡環(huán)境不夠穩(wěn)定,在傳輸大數據量時容易造成丟包和擁塞等情況。為了解決此問題,可以采用一種高效的編碼手段,將媒體信息在不明顯降低質量的情況下,盡可能的壓縮數據。并可根據不同網絡帶寬的條件,按不同的數據壓縮比進行數據壓縮。此外還需要在編碼過程中融入一些容錯機制和碼率控制技術,以適應各種惡劣的網絡條件。為此，本文著重介紹了應用層的基于視頻的壓縮編碼技術和基于反饋機制的帶寬自適應策略，并在此基礎上構建了一個可擴展的、魯棒的流媒體系統。
流媒體技術簡介
流媒體技術的開發(fā)創(chuàng)意是從傳統的TCP/IP協議對通過網絡傳送信息的控制方法中得到的。流技術能夠按照特定的順序將文件發(fā)送出去,而播放程序則可以邊接收數據邊播放他們。流媒體的形式主要有以下五種:流式音頻、流式視頻、流式動畫、流式圖象、流式文本。流媒體實現的關鍵技術流式傳輸,流式傳輸的定義很廣泛,現在主要指通過網絡傳送媒體(如視頻、音頻等)的技術總稱。其特定含義為通過INTERNET將影視節(jié)目傳送到PC機。目前實現流式傳輸有兩種方法:順序流式傳輸(progressivestreaming)和實時流式傳輸(Realtimestreaming)。在進行流式傳輸時,首先,多媒體數據必須進行預處理才能適合流式傳輸,這是因為目前的網絡帶寬對多媒體巨大的數據流量來說還顯得遠遠不夠。預處理主要包括兩方面:一是降低質量;二是采用先進高效的壓縮算法。其次,流式傳輸的實現需要緩存。這是因為Internet是以包傳輸為基礎進行斷續(xù)的異步傳輸。各個包到達的時間不盡相同,因此采用接收緩存后,可以彌補延遲和抖動的影響,并保證數據包的順序正確。再次,流式傳輸的實現需要合適的傳輸協議。HTTP協議對文本傳輸比較適宜,但對于實時圖像的傳輸,一般采用RTP/UDP來傳輸。
2精細時域可擴展編碼
隨著因特網業(yè)務的巨大增長,在速率起伏很大的IP網絡及具有不同傳輸特性的異構網絡上進行視頻傳輸的要求和應用越來越多。在這種背景下,視頻分級編碼的重要性日益突出,其應用非常廣泛,且具有很高的理論研究及實際應用價值,因此受到人們的極大關注。視頻編碼的可分級性(scalability)是指碼率的可調整性,即視頻數據只壓縮一次,卻能以多個幀率、空間分辨率或視頻質量進行解碼,從而可支持多種類型用戶的各種不同應用要求。
MPEG-4通過視頻對象層(VOL,VideoObjectLayer)數據結構來實現分級編碼。MPEG-4支持三種分級編碼方式:時域分層編碼和空域分層編碼和質量分層編碼,此外還支持時域和空域的混合分層編碼。每一種分級編碼都至少有兩層VOL,低層稱為基本層,高層稱為增強層。基本層提供了視頻序列的基本信息,增強層提供了視頻序列更高的分辨率和細節(jié)。
它在編碼的時候一次能生成多個不同分辨率的碼流。但各個壓縮層的碼率在編碼完成后就固定了,而且一般間距較大。此外傳統的擴展編碼方式的對增強層進行預測與補償編碼時,都是以同層的視頻幀作為參考幀。在這種情況下,傳統的擴展編碼存在以下兩個問題:其一,碼率只能提供跳躍性變換的幾種碼率,難以完全利用網絡帶寬資源,用戶通過接收多個組播組的壓縮視頻數據只能獲得有限的碼率調整范圍。例如,當編碼時提供32Kbps、96Kbps,224Kbps質量的視頻時,如果有一個帶寬為180Kbps的用戶接入,那么他最多只能獲得96Kbps的視頻質量,帶寬利用率不高。其二、以同一增強層的視頻幀作為預測參考幀時,一旦某一個增強層的幀發(fā)生錯誤,它后面的增強層都將無法解碼,直到遇到下一個I幀為止,即會導致嚴重的錯誤傳播現象。所以傳統的擴展編碼更多的是用于存儲,而由于網絡的異構性和缺乏Qos保證帶寬在一個很大的范圍內發(fā)生變化,因此面向網絡傳輸的視頻編碼的目標是將視頻壓縮成適合一個碼率范圍的碼流。
根據實際應用的需求,要求我們的可擴展編碼能夠提供一個在一定范圍內連續(xù)可調的碼流,盡可能的提高網絡帶寬的利用率。目前我們實現的基本思想就是:將視頻編碼成一個可以單獨解碼的基本層碼流和一個可以在任何地點截斷的增強層碼流,其中基本層碼流適應最低的網絡帶寬,而增強層碼流用來覆蓋網絡帶寬變化的動態(tài)范圍。
實現這種功能的編碼方式就是精細空域可擴展編碼FGSS(FineGranularSpatiallyScalable)。PFG則是為改善FGS編碼效率而提出的視頻編碼算法,它克服了FGS編碼中編碼效率低于非可擴展編碼及接收端視頻質量非最優(yōu)兩個不足點。其基本思想是在增強層圖像編碼時使用前一幀重建的某個增強層圖像為參考進行運動補償,以使運動補償更加有效,從而提高編碼效率。
其編碼體系結構圖如圖1
圖1 編碼體系結構圖
3基于反饋的帶寬自適應策略
圖2為反饋機制的圖示，該策略利用接收端對網絡接收情況的分析統計信息，對編碼發(fā)送進行及時、系統的調節(jié)。經試驗證明該策略能有效地應對移動通信網絡帶寬抖動的特性，在時間與空間上具有較強的通用性。其時變性主要表現在該網絡發(fā)送數據的應用過程中存在的明顯的門限效應，即當數據發(fā)送速率（R）低于該門限（RT）時，數據包丟失概率基本小于1%，而當數據發(fā)送速率超過該門限時，數據包丟失概率將大幅上升，而該門限隨信道物理情況改變。因此，通過控制其發(fā)送速率小于目前網絡帶寬門限就可以達到降低數據包丟失概率，從而提高接收端視頻回放的實時性，連續(xù)性要求。然而，該門限值的獲得，實際是難以通過直接測量獲得的，我們應用該門限效應來“猜測”當前的帶寬門限值（如圖3示）。
3.1反饋機制的流程
該“猜測”過程，主要由接收端的反饋和發(fā)送端的相應調整所構成，如圖4-1所示。
具體步驟如下：
首先在發(fā)送端為每一個實際發(fā)出的數據包標記連續(xù)的序列號SN，且發(fā)送端
的包率N保持恒定，初始數據包長度記做L。
接收端解析收到數據包的序號SN，根據接收到的總數據包數量N及在該時間段
內應該收到的總數據包數量
×N，計算出在目前時間
和
-
間的包丟失概率：
并將該丟失概率在時間t反饋至發(fā)送端。
發(fā)送端根據收到的丟包概率ρt調整目前的數據包長度L。如果
丟包率較高，可能由于
造成則：降低發(fā)送速率，減少丟包率
丟包率較低，
則：提高發(fā)送速率，提高視頻質量
其中，
為每次數據包長度減小常量，
為每次數據包長度增加常量；L為數據包長度最小值，L為數據包長度最大值。
實際應用中，一些情況下丟包還有可能由隨機的比特錯誤造成，在這種情況下降低發(fā)送速率將導致不必要的視頻質量下降。因此需要將由發(fā)送速率大于門限出現的丟包與隨機比特錯誤造成的丟包進行區(qū)分。由于信道中的隨機比特錯誤分布相對分散，不會在長時間內連續(xù)出現，而當發(fā)送速率超過門限產生的丟包往往將持續(xù)較長時間。所以當一個檢測時間段內發(fā)生丟包，而后一個檢測時間段內無丟包則把該丟包認為是隨機發(fā)生的，并不進行發(fā)送速率調整，只有當連續(xù)兩個監(jiān)測時間段內出現高丟包時才開始降低發(fā)送速率。
3.2系統參數的設定
:
是統計數據包接受數量的時間單位，
的設置必須使得系統在
能收到足夠的數據包用以統計丟包概率，而又不宜設定過長導致對數據發(fā)送速率調節(jié)效率低下。該參數取值應與移動通信網絡信道變化速度頻率相適應。
與
:在實際應用中，為了最大程度地保證視頻回放的流暢，
的數值應小于
，在面對網絡帶寬門限RT突然降低的情況下，能在一個
的周期內，調整到網絡帶寬門限RT以下。
L:L應小于或等于當前網絡的最大傳輸單元(MaximumTransmissionUnit，MTU)。
Ns:Ns應保證當前發(fā)送端發(fā)送數據的最大速率，即Ns×LH應等于網絡的最大有效帶寬。
L:L的設定應保證Ns×L的是當前網絡能安全地傳輸數據的最大速率值。
該反饋機制根據當前接收端對數據包接收的統計信息，對視頻數據發(fā)送速率進行迅速的調整，當信道帶寬門限下降時，在最慢兩個
的周期內進行調整，將視頻傳輸的停滯控制在兩個
的周期內；而當信道帶寬上升時，也將逐步提高發(fā)送速率，獲得較高的帶寬利用率。
4系統設計框架
圖4 媒體傳輸流程圖
此為該系統完整的原理圖，多媒體信息首先通過各種采集設備如攝像頭、錄像機、攝影機等,將采集多媒體信息經A/D轉換后存儲。而這些存儲的信息就交給媒體編碼模塊進行高壓縮比的編碼,在編碼過程中,除了采用DCT變換和運動估計和補償算法等這些常規(guī)的媒體壓縮技術外,還采用了既滿足壓縮比、又適應網絡條件的精細空域可擴展性編碼。這種編碼方式經DCT變換后,不是進行簡單的量化處理,而采用了位平面編碼技術,從而可以對紋理信息進行一個由粗到細的漸進編碼過程。媒體信息經編碼后需要發(fā)送到接收端,此時,中間的網絡條件成為影響系統性能的關鍵因素。為此在該系統的服務器端增加了碼流監(jiān)控模塊,實時地反映當前網絡情況,上層控制程序則根據這個反饋過來的帶寬情況及時調整發(fā)送碼流的速率。
5結束語
在遠程教育、數字圖書館、電子商務、視頻點播、交互電視、遠程醫(yī)療、網絡音/視頻、實時多媒體會議等方面,多媒體技術都起到很重要的作用。但MPEG-4受傳統網絡條件的限制,當前要利用網絡條件應用多媒體技術還需要采用一些關鍵性技術。我們相信通過這多種技術的綜合使用,必然會推動多媒體技術應用越來越廣泛。
參考文獻
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