硕士论文-基于分层视频编码的可控P2P流媒体系统中的视频处理.pdf

j # j 】j 。羔 ：f ! ! 旦 单代n ：塑兰旦女： 栩童都譬Z 彦 硕士学位论文 论文题日： 茎王坌壁塑塑塑璺盟卫垄里! 流媒体系统中的视频处理研究 学生姓车5 学号 指导 学利 教师 专业 顾0 5 0 6 0 9 朱秀吕教授博导 信号与信息处理 研究方向 斟像处理j 多媒体通信 论文提交日期二o o 八年川月 南京邮电大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着多媒体技术的发展和I n t e r n e t 的普及，大量视频数据开始在网络上传输。为了 满足大规模多媒体应用不断增长的需求，一个流媒体系统应该具备较好的可扩展性。应用 于流媒体的传统的P e e r - t o - P e e r 模式( 亦简称P 2 P ) ，可以解决传统c s 模式的可扩展性 问题，但是传统的P 2 P 技术因不具备中心可控性且健壮性差而在安全控制方面仍有很多问 题。例如，身份认证、授权以及信息通信的保密性和完整性。因此将现有安全控制与P 2 P 网络共享整合，以此提高P 2 P 系统应用的安全性，成为近年研究的一个热点。 为了对安全性和可扩展性同时进行控制，在这篇论文中我们提出了一种同时具有安全 性和可扩展性的流媒体视频处理方案：1 ) 首先对视频序列采用H 2 6 4 编码标准进行分层 编码，得到一个基本层视频序列和若干个相比基本层更“高级 的视频层。这些高级的层 比基本层具有更高的分辨率、帧率以及图像质量。在分别抽取出基本层和需要的更“高级” 层后，利用差值提取函数将这些高级的层同基本层的差值提取出来作为增强层。2 ) 对基 本层有选择地进行加密。3 ) 将该方案应用于一个中心控制的P 2 P 结构，该P 2 P 结构是一 个集中、分散相结合的P 2 P 模式。基本层加密后是在C S 模式下直接发送到各个节点，而 最佳的增强层是在一个完全分散的多对多P 2 P 模式下在各个节点之间传送。 实验证明通过采用分层编码和对基本层加密j 将安全管理和数据传输分开来，在不影 响内容传输的情况下有选择的对基本层进行编码，这样就既保持了传统P 2 P 网络的可扩展 性又保证了P 2 P 网络中的流媒体信息的安全性。 关键词：H 2 6 4 视频编码分层视频编码( s v c ) P 2 P图像加密 南京邮电大学硕士学位论文 A b s t r a c t A b s t r a c t T om e e tw i t ht h ee v e r - i n c r e a s i n gn e e d so fl a r g e s c a l em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，as t r e a m i n g m e d i as y s t e mh a st ob e b o t hs e c u r ea n ds c a l a b l e C o n v e n t i o n a lP 2 Pt e c h n o l o g yu s e di n s t r e a m i n gm e d i ac o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fs c a l a b i l i t ya n db a n d w i d t hb o t t l e n e c ko ft r a d i t i o n a l C Sa r c h i t e c t u r eb u ts t i l lh a v ep r o b l e m si nh a n d l i n gs e c u r i t yf o rl o s i n gc e n t r a lm a n a g e a b i l i t ya n d r o b u s t n e s s T h e r e f o r e ，t oh a n d l es e c u r i t ya n ds c a l a b i l i t yi s s u e sa saw h o l e ，i nt h i sp a p e rw e p r e s e n tan o v e ls e c u r ea n ds c a l a b l es t r e a m i n gm e d i as c h e m ei nac e n t r a l c o n t r o l l e dP 2 P f r a m e w o r k T h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ：b yf i r s t l ya d o p t i n gH 2 6 4s c a l a b l ev i d e oc o d i n gi n P 2 Ps t r e a m i n g ，w ee n c o d et h er a wd a t ai n t od i f f e r e n tl a y e r si n c l u d i n gt h eb a s i cl a y e ra n ds o m e o t h e rl a y e r sc o n t a i n i n gt h ee n h a n c el a y e r s T h e nw ee n c r y p tt h eb a s i cl a y e rt oe n s u r et h es e c u r i t y o ft h em u l t i m e d i ad a t aa n ds e p a r a t es e c u r i t ym a n a g e m e n tf r o md a t at r a n s m i s s i o nb yt r a n s m i t t i n g t h el a y e r 晰mm o s tp r i o r i t y ( t h eb a s i cl a y e r ) i nC Sn e t w o r kt og u a r a n t e eq u a l i t ya n dc o n d u c t s e c u r i t ym a n a g e m e n tw h i l et r a n s m i t t i n gt h el o w e rp r i o r i t yc o n t e n tl a y e r ( t h ee n h a n c el a y e r ) i nt h e p u r eP 2 Pn e t w o r kt op r o m o t es c a l a b i l i t y T h r o u g he x p e r i m e n t sw eh a v em a dt h i ss c h e m ec o m e t r u e E x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei nt h i sp a p e rC a nc u td o w nt h el o a do f t h es e r v e rb yt r a n s m i t t i n gd i f f e r e n tl a y e r si nd i f f e r e n tw a ya n dm a k e st h ev i d e os e c u r i t yb y e n c r y p t i n gt h eb a s i cl a y e r K e yW o r d s ：H 2 6 4c o d i n g S c a l a b l ev i d e oc o d i n g ( S V C ) P 2 P E n c r y p t i n go fi m a g e I I 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鼍堡止进日期：瑚驰步 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生蠢埠导：鲤吼地咿 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着大规模存储、高性能工作站以及宽带网络等技术的突飞猛进，互联网上 传输的信息不再只是文本、图像，各种各样的多媒体通信服务从技术上和经济上成为可能。 多媒体可以集视频、音频、文本、图像为一体，为用户提供更为丰富的使用体验，因此越 来越被广泛的应用。特别是流媒体技术的出现和普及，使得声音、影像或动画等媒体可以 由音视频服务器向客户端连续、实时传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕就可以观 看到媒体，满足了实时交互的需要。但基于c s 模式的流媒体服务还远没有达到可以同传 统的W W W 、F T P 等应用相比拟的服务质量，特别在可扩展性( S c a l a b i l i t y ) 、容错性 ( F a u l t - t o l e r a n c e ) 和健壮性( R o b u s t n e s s ) 等方面还远远不能满足应用的需求： 1 ) 可扩展性是一个多方面的概念集合，包括了对计算资源的可扩展、对应用规模的可扩 展以及对技术换代的可扩展。这里我们主要考虑的是对应用规模，尤其是对多媒体资 源和用户数量的可扩展性。到目前为止，流媒体文件数量的增长速度有逐年加剧的趋 势，这要求提供多媒体服务的计算机系统提供巨大的存储空间。而且，流媒体服务比 普通的文本和图片服务需要更高的计算资源和带宽资源，而绝大多数现有的多媒体服 务器为终端用户提供媒体服务的带宽上限都不超过5 0M b p s ，这距离支持大规模用户的 应用目标较远。 2 ) 容错性是指计算机系统在遇到系统硬件或软件错误的时候仍能以可接受的服务质量继 续工作的能力。计算机系统主要通过复制( R e p l i c a t i o n ) 、冗余( R e d u n d a n c y ) 和自我修 复( S e l f - s t a b i l i z a t i o n ) 等方法来实现容错。显而易见，中心的多媒体服务器是整个多媒 体服务系统中的单点故障( s i n g l eP o i mo f F a i l u r e ) 部件，c s 模式决定了系统的容错能力 不高。 3 ) 健壮性是指当一个控制系统中的参数发生变动时系统能否保持正常工作的一种特性或 属性。研究者们发现，包括w w w 在内的i n t e r n e t 访问具有自相似的特性【。自相似序 列的一个重要特性是多个序列的叠加与序列具有类似的分布，换句话说，服务并发数 的增加并不意味着服务总量是相对平稳的，实际上，短时的突发访问量高峰是i n t e r n e t 访问的基本特征。另一方面，某些突发的事件可能造成使用服务的人数的短时指数级 上升。因此，成功的i n t e r n e t 服务必须能够在过量访问下，实现适当的性能下降( G r a c e f u l 堕室塑皇奎兰堡主堂垡堡茎 至二垩堑堡 P e r f o r m a n c eD e g r a d a t i o n ) ，而不是立即崩溃。 近年来，P e e r t o P e e r 模式( 对等计算，亦简称P 2 P ) 引起了包括普通网络用户和科研 领域人员在内的越来越多的人的广泛关注。P 2 P 的核心思想是通过参与系统的节点之间的 直接交互来实现信息资源和服务的共享。P 2 P 突破了传统的C S 模式，强调节点之间的“对 等性”，即P 2 P 系统中每一参与节点兼有服务器和客户端两种身份，在利用其他节点上的 资源之同时也为其他节点提供服务。这就使P 2 P 系统的服务能力能够随需求的增长而自然 增长，具有“与生俱来 的可扩展性，能够解决传统C S 结构中服务器过载和资源瓶颈的 问题。因为P 2 P 网络一般都建立在a d h o c 模式下并允许节点自由地加入和退出P 2 P 网络， 因此，基于P 2 P 网络构建多媒体系统，能够从根本上解决基于C S 模式系统的不可扩展性、 低容错性和低健壮性。 虽然用于流媒体系统的常规的P 2 P 技术可以解决传统c s 模式下可扩展性和带宽瓶颈 问题，但是P 2 P 网络还不够成熟和完善，存在着很多亟待解决的问题，如：路由问题，信 息检索问题，带宽占用问题，知识产权问题和安全问题等等。在上述问题中，安全是各种 P 2 P 网络应用都必须面临的一个关键问题，而且在很大程度上决定了P 2 P 网络应用的进一步 发展。 因此，为了对安全性和可扩展性同时进行控制，在这篇论文中我们提出了一种基于中 心可控的P 2 P 结构同时具有安全性和可扩展性的流媒体方案。通过采用分层编码和对基本 层加密，并将其应用于集中分散相结合的P 2 P 模式，以克N c s 模式的不可扩展性同时又 可以保证视频信息的安全性。 1 2 国内外研究动向 1 2 1 基于P 2 P 技术的流媒体系统 P 2 P 作为一种应用技术是上世纪9 0 年代末提出的，它能利用I n t e r n e t 中的各个节点进 行对等计算，充分挖掘了I n t e m e t 上空闲资源，在利用率、扩展性、容错等方面具有潜在 的巨大优势，并在文件共享、分布式计算、协同工作、I n t e r n e t 存储等方面已经取得了初步 的良好应用。如果把P 2 P 引入到流媒体服务中，就可以充分发挥以往被忽略的众多客户机 的作用，让客户机缓存一部分信息，充当一部分服务器的功能，使服务分散化，从而减轻 服务器的负载和网络带宽的占用。所以，P 2 P 技术具有潜在的应用前景。 到目前为止，P 2 P 应用系统的发展历程，大致可分为三个阶段。第一个阶段是以N a p s t e r 、 F r e e n e t 和G n u t e l l a 等为代表的文件共享系统，这一类系统取得了极大的成功，直接带来T P 2 P 2 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 技术的复兴。第二阶段以G r o v e 以及即时通讯软件等为代表，P 2 P 开始进入企业应用，应用 系统也不再局限于文件共享，而是出现了各种各样的应用，如：对等计算、协同工作、分 布式搜索等。第二阶段以J X T A f l 2 1 等基础平台为代表，P 2 P 技术逐渐平台化和标准化，进 一步走向成熟和完善，开始大规模的企业应用。 经过初期的热潮后，目前P 2 P 技术己经进入一个稳定的发展期，S u n I n t e l ，M i c r o s o f t 和I B M 等大公司，都投入很大力量至f J P 2 P 的研究和开发中。2 0 0 0 年8 月I n t e l 、I B M 和H P 等公 司发起成立了P 2 P 工作组，目标集中在P 2 P 技术标准、安全性及可靠性等，但目前P 2 P I 作 组已经和全球网格论坛( G C F ) 合并，成立了统一的分布式计算标准组织。 相对于国外来说，国P 2 P 发展要滞后许多，基本处于以文件共享和即时通讯为主的 阶段，现有的应用系统大多与N a p s t e r 或G n u t e l l a J ( 1 j 类似，主要应用于娱乐领域，如：K u r o B T 下载软件等。但是，近年来国I 为P 2 P 网络的研究与应用逐步兴起，吸引了众多的研究机 构和研究人员从事这项工作，以“点击科技”为代表的企业己经致力于开发企业级的应用 系统，并取得不错的成效，同时也有一些研究机构着力于P 2 P 基础平台的研究和开发。 1 2 2 可分层的视频编码技术 在许多实际应用中，由于用户要求不同、终端能力不同、异构网络的不同支路所能提 供的O o S 不同，或网络传输条件的变化( 比如噪声、拥塞等) 等，需要提供不同质量的图像 和视频信号，比如视频会议、视频点播、多媒体数据库浏览等等。 解决此类问题的最好的方法之一是用单个编码器产生分层次的压缩码流。对不同层次 的码流解码，可以获得不同的图像质量。例如低档次终端只对码流的一部分进行解码，获 得低分辨率的图像；而处理能力高的终端，对整个码流进行解码，获得高分辨率的图像。 这种编码机制通常称为可分级编码。一个视频编码的比特流具有可分级性( S c a l a b i l i t y ) ，是 指利用该比特流的一部分( 或子集) 可以产生对该视频图像一个有用表示的能力，即解码器 能够根据分辨率的情况对码流的一部分进行解码。视频的可分级编码通常包括以下情况弘J ： 空间分辨率可分级编码、质量可分级( 或称S N R 可分级) 编码和时间分辨率可分级编码。以 及这几种可分级形式的组合，称之为混合可分级性。在基本可分级性的情况下，可分为基 本层和增强层的两层视频编码。视频的空间可分级编码是指以不同空间分辨率对图像进行 解码，视频的质量可分级是指对一个压缩的码流，用户可根据带宽或系统能力的具体情况 从码流的开始端来截取相应的一段码流进行解码。在对码流的截取过程中，如果可在一定 范围内可任意选择数率，则此时的数率可分级称为连续数率可分级。视频的时间分辨率可 分级是指在解码端以不同的帧率进行解码。而在混合可分级性中，可支持三层的视频编码。 1 南京邮电大学硕士学位论文 第章绪论 在网络信道状况较好，可以同时传送基本层和增强层的视频数据；而在网络信道状况较差， 则只传送基本层视频数据，从而使逐级劣化成为可能。 分级编码中只规定了待解码码流应符合的语法结构，而对其具体的编码方法不作规 定，若根据解码码流的标准语法结构，相应地推出编码码流应符合的语法结构，就可按照 自己的需求，较为灵活地选择其编解码方案。视频的可分级编码机制在早期的一些视频国 际标准中就已经体现， ： 二女U M P E G - 2 f 3 】到近期的M P E G 4 t 4 1 ，这一编码思想被明确提了出来， 并且随着流媒体技术的应用，视频的可分级编码技术越来越受到重视。 1 2 3 图像加密技术 图像加密算法在上个世纪7 0 年代被提出，在9 0 年代后期开始被广泛研究。就其发展 过程来看，可以将其分为三个阶段【5 】。 第一个阶段主要是研究图像置乱算法，即直接置乱图像或视频数据，以达到致使数据 混乱而不能被理解的目的。例如空间填充曲线方法来置乱图像或视频数据，置乱后的图像 或视频序列不可理解；欧洲电视网采用E u r o c r y p t 加密标准来加密其电视信号，即以行为 单位置乱每一帧电视画面。这类算法共同的优点是计算复杂度低，能够满足实时性应用的 要求。但是，其安全性决定于每帧图像的大小，这种安全性的不足使得其很难用于安全性 要求高的应用场合；而且，这些置乱过程改变了像素问的统计关系，从而不利于压缩处理， 因此仅适合不需要压缩编码的应用中。 第二个阶段，图像压缩编码标准在上世纪9 0 年代初纷纷出台，如J P E G 图像压缩标准、 M P E G 一1 2 4 视频压缩标准等。通常使用的多媒体数据都先经过压缩编码，再进行保存、 传输等的操作。因此，以前的置乱加密算法己经不适合这种应用要求了。这时，开始研究 的是采用新型算法对压缩过的数据进行加密，这就是多媒体加密算法研究的第二个阶段。 例如，对D E S ( D a t aE n c r y p t i o nS t a n d a r d ) 密码的改进算法V E A ( V i d e oE n c r y p t i o n A l g o r i t h m ) ，并将其用于M P E G 视频的加密，其加解密效率比D E S 提高了4 7 。R P K 的加 密算法，用于视频数据加密，其既具有流密码的快速性特点，又具有块密码的高安全性特 点。这类算法注重安全性。但是，由于要加密压缩过的所有数据，计算复杂度高，对于数 据量大的应用，不能满足实时性要求；另外，加密后的数据格式被改变了，无法直接进行 播放、剪切等操作。因此，此类算法多用于图像数据的加密保存。 第三个阶段，采用部分加密方法来加密多媒体数据，即选择加密多媒体码流中的一部 分数据。随着网络技术的飞速发展，多媒体数据的应用更加广泛和频繁，如基于多媒体的 视频会议、视频点播、可视电话等。这些应用对实时性要求很高，采用以前的加密算法直 4 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 接加密，很难满足应用的要求。选择加密少量数据，可以通过降低计算复杂度来满足实时 性要求。这类算法降低了加密的数据量，容易满足实时性应用要求：一般不改变数据格式， 可以对加密过的数据进行直接播放、剪切、粘贴等操作。因此，更适应实际应用需求。 1 - 3 论文研究目标和主要工作 由于I P - T V ( I n t e r a c t i v eP e r s o n a l i t yT V ) 和移动T V 的出现网络中的流媒体再度引起关注。 为了支持成千上万的用户的使用，英特网中一个大规模媒体流应用系统应该具有好的可扩 展性，随着资源的不断增加，在繁重的下载任务情况下仍能维持高性能。P 2 P 技术克服了 传统的C S 结构中服务器瓶颈问题，在传输流媒体数据时采用P 2 P 技术，随着用户的大规 模的增加，系统资源和服务能力也相应增加，这可以用于解决流媒体系统的可扩展性。所 以我们可以充分利用P 2 P 的这个优点，设计一个流媒体方案，在多用户条件下流媒体系统 仍可以保证服务质量。虽然用于流媒体的常规的P 2 P 技术可以解决传统c s 模式下可扩展 性和带宽瓶颈问题，但是，因为不具备中心可控性和健壮性而在安全控制方面仍存在问题。 因此，为了对安全性和可扩展性同时进行控制，我们需要设计一种流媒体方案，既可以解 决传统c s 模式的不可扩展性和带宽瓶颈问题，又可以对P 2 P 模式的安全性问题进行控制。 在这篇论文中，我们提出了一种基于中心可控的P 2 P 结构的同时具有安全性和可扩展 性的流媒体方案。首先，我们对P 2 P 媒体流采用H 2 6 4 进行分层编码，得到一个基本层和 若干个更高级的层，这些高级的层具有相比基本层更高的分辨率、帧率以及图像质量。在 分别抽取出各层后，利用差值提取函数将这些高级的层同基本层的图像差值提取出来作为 增强层。然后对基本层进行加密，加密后的基本层在C S 模式下直接发送到各个节点，而 最佳的增强层是在一个完全分散的多对多P 2 P 模式下在各个节点之间传送。通过c s 网络 传输具有最高优先级的、加密后的基本层，将安全控制操作从数据传输中分离出来，这样 保证在纯粹的P 2 P 网络中传输低优先级层时的传输质量和流媒体的安全性，而通过采用P 2 P 网络又可以保证系统的可扩展性。 1 4 论文结构 本文的组织结构如下： 第一章：绪论，介绍了P 2 P 流媒体技术、可分层视频编码技术以及图像加密技术的研 究动向，以及本论文的研究背景、研究目标和工作。 第二章：P 2 P 和视频流传输，分别介绍了流媒体系统结构和I n t e m e t 中的P 2 P 传输技术。 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第三章：H 2 6 4 可分层视频编码的实现，简要介绍了H 2 6 4 编解码原理，对基于H 2 6 4 的多种可分层视频编码技术进行了分析和比较，然后实现对原始视频数据的分层编码。 第四章：分层视频加密方法分析及实验，介绍了多种图像加密技术，并进行比较和选 取，然后实现对视频基本层数据的加密。 第五章：实验结果与分析，对本文采用的P 2 P 环境做了介绍和实验，然后对两个主要 实验( S V C 实验和基本层加密实验) 的结果进行了分析。 第六章：结论与展望，对本论文的主题进行讨论，总结研究的贡献，并探讨其中的问 题、限制与未来的研究方向。 南京邮电大学硕士学位论文第二章P 2 P 和视频流传输 第二章P 2 P 和视频流传输 2 1 流媒体系统结构 1 传统的C l i e n t S e r v e r 结构 C S 结构是不对称的，在通信中，客户端和服务器建立连接，客户端发送请求，服务器 应答。 如图2 1 所示，在传统的客户N 务器结构中，服务器必须通过网络给每个用户发送多 份相同的数据，因为多媒体的数据量大，随着客户端数目的增加，很容易造成服务器的网 络拥塞。网络越来越发达的情况下暴露出了一个问题：服务器端的可用性不足。C S 模型 中，对于某- - N 务端，当连接的客户端数量逐渐增加时，服务器端的负荷越来越重。而一 旦服务器端失效，所有客户端都无法正常使用网络。这个问题被称为“单点失效 。 图2 1 客户服务器结构 2 多媒体代理服务器 在传统的W e b 应用中，代理服务器( P r o x y ) 【6 J 用于扩展用户对I n t e m e t 的数据访问能 力。为提高代理服务器的系统效率，缓存技术被己引入到代理服务器中，代理服务器将一 些频繁访问的数据存储在内存或硬盘中，当用户通过代理服务器用户访问时，如果数据在 代理服务器的缓存中代理服务器就无需访问远程的服务器，而只需通过本地缓存为用户服 务。如图2 2 所示。 南京邮电大学硕士学位论文第二章P 2 P 和视频流传输 图2 2 代理服务器缓存模式 代理服务器承担了一部分用户访问，有效地降低了主服务器的访问负载，同时可以提 高用户访问的相应速度，降低启动延迟，代理服务器离用户较近，网络状况较好，可以提 供更好的流媒体服务，可以提高服务器的鲁棒性及节省网络资源。 然而代理服务器的主要问题在于如何保证主要服务器的内容与代理缓存中的内容一 致性。即当服务器的内容更新以后，如何保证代理服务器中缓存的数据即时更新，对这些 问题的研究就产生了更智能的C D N 技术。 3 C D N 技术 C D N ( C o n t e n tD e l i v e r yN e t w o r k ) 即互联网内容发布网络，是一个建立并覆盖在互联 网之上、由分布在不同领域的节点服务器群组成的虚拟网络。 C D N 可以实现把服务器的内容高效、稳定地发布到离客户端最近的地方。基本思路就 是尽可能避开互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使内容传输的更 快、更稳。通过在网络各处放置节点服务器所构成的在现有的互联网基础之上的一层只能 虚拟网络，C D N 系统能够实时地根据网络流量和各个节点的连接、负载状况以及到用户的 距离和响应时间等综合信息将用户的请求重新导向距离用户最近的服务节点上。对用户来 说，通过C D N 系统，得到相应得时间被大大缩短，连接质量也大大提高，从而大大提高了 上网访问的总体性能。然而，C D N 高昂的部署成本始终是一个难以解决的问题。 2 2I n t e r n e t 中的P 2 P 传输技术 一般认为P 2 P 系统具备的特征包括：大规模、无中心、自组织、可扩展性以及高度动 态性和异构性的环境。由网络中为数众多的参与节点组成，其数量一般在十万以上，甚至 具有百万或百万以上的量级。每个参与节点具有一定的服务能力，单个节点的资源和能力 可能非常弱小，譬如仅是一台普通的桌面电脑的空闲资源。其设计的关键在于让单个能力 弱小但总数巨大的节点群体通过精巧的协作方式，提供强大的聚合服务能力。由于节点数 量众多，各个系统得资源总量( 如计算能力、存储能力、聚合带宽等) 是相当可观的，而 8 塑室塑皇奎堂堡主兰垡笙奎笙三兰! 鲨塑塑塑堕堡塑 且能随着节点的不断加入而自我扩展。通过合理的结构和协作算法，P 2 P 系统能够均衡地 利用各个节点的资源，保证每个节点的负载都不超过其有限的服务能力，同时整体达到相 当巨大的服务能力。 我们用I B M 为P 2 P 作的定义结束对I n t e r n e t 中P 2 P 技术的介绍：系统依存于边缘化( 非 中央式服务器) 设备的主动协作，每个成员直接从其他成员而非服务器的参与中受益，系 统中的成员同时扮演服务器与客户端的角色，系统应用的用户能够意识到彼此的存在，形 成一个群体。在通讯过程中，所有的设备都是平等的一端。目前流行的P 2 P 网络架构有： 中心目录服务器( 即混合式P 2 P 网络) 、无中心结构化和非结构化模型( 即纯粹式P 2 P 网 络) 。 2 2 1 纯粹式P 2 P 网络 网络中无服务器，节点构成一个分散的网络，通过基于对等网协议的客户端软件搜索 网络中存在的对等节点，节点间无需通过服务器即可建立连接。其优点在于允许用户设定 自己的规则和建立自己的网络环境，可在I n t e m e t 下工作，且对于L A N 和I n t e r n e t 也很有 用。存在问题：由于无中心管理者，网络节点难以发现，不易管理且安全性较差。这种网 络系统又存在结构化和非结构化的模型系统。 ( 1 ) 结构化对等系统 这种模型中的每个节点被赋予一个随机产生的I D ，且每个节点知道网络中的部分其他 节点，当一份文件在网络中发布( 共享) 时，会根据内容和名字生成一个文件I D ，然后文 件发布的节点会把该文件R o u t e 给它所知道的节点中节点I D 最接近该文件I D 的节点，直 到当前节点就是最接近文件I D 的节点。所有参与R o u t e 的节点都会保存一份该文件的拷贝。 同样，当某个节点发出需要某个文件的请求时，请求会转发给节点I D 最接近所请求的文 件I D 的节点，直到找到真正的具有该文件的节点，然后该文件会传给最原始的请求者， 所有参与这次R o u t e 的节点同样会保存一份该文件的拷贝。这里其实已经将索引的功能分 散到了各个节点。 ( 2 ) 非结构化对等系统 这种模型完全没有了索引概念，每个节点的请求都会广播( F l o o d e dB r o a d c a s t ) 给所 有和它直接相连的节点，如果这些节点中没有所请求的文件，这些节点会把这个请求继续 广播给所有和他们直接相连的节点，直到找到所请求的文件或者广播的次数超过了某个值 ( 一般是5 9 ) 。模型中的广播的方法会消耗很大的带宽，并因此不具有扩展性，但这种 模型在小规模网内却非常有效。通过设置请求中的参数T T L ，C a c h e 搜索过的路径可以改 9 南京邮电大学硕士学位论文第二章P 2 P 和视频流传输 善性能。 2 2 2 混合式P 2 P 网络 即有目录服务的P 2 P 网络模型，在P 2 P 网络中的各个节点间可直接建立连接，但网络 架构需要服务器，通过集中认证建立索引机制，而服务器只用于辅助对等节点建立连接， 连接建立成功后，服务器不再起作用。这种方式易于发现网络节点，易于管理且安全性较 好，但容错性较差。目前流行的混合式P 2 P 网络架构的模型有中心目录服务器。 在该模型中，所有节点和中心目录服务器建立连接，中心目录服务器负责索引所有节 点的内容，节点发出请求时，中心目录服务器会根据节点要求找出符合要求的节点，此后 的内容交换在这两个节点间进行。 2 2 3P 2 P 网络的特点 P 2 P 网络是一种与传统的C S 或多层服务器网络完全不同的网络体系结构。P 2 P 网络 由P e e r 组成，在P 2 P 网络中，通过P e e r 之间的交互操作就可以完成工作，共享信息。 P 2 P 网络的一个非常重要的特点就是各个P e e r 彼此之间可以直接通信，至少是可以访 问到的。我们知道，由于防火墙、N A T 和动态I P 等原因，在现实的网络中有许多计算机 是不可访问的，而在P 2 P 网络中就必须解决这个问题。P 2 P 网络不是推翻现有的网络结构， 而是在现有的网络上构建一个符合P 2 P 特点的网络，但是又不限于现有的网络协议。现有 的网络中由许多计算机通过现有的T C P I P 协议或者是H T T P 协议进行通信；而虚拟的P 2 P 网络，通过把现有的网络映射成P 2 P 网络。另外，既然是在现有的网络上构建一个P 2 P 网 络，就必须考虑到现有网络上存在的多平台、多语言的情况。 大致说来，P 2 P 网络具有以下特性： ( 1 ) 互操作性 P 2 P 网络系统应该能够是内部连接很容易地找到彼此，彼此间进行交流，加入基于团 体的活动，提供无缝跨越不同P 2 P 系统和不同团体的服务。 ( 2 ) 平台无关性 P 2 P 网络系统应该设计成独立于编程语言如C 、J a v a 等，独立于系统平台如W i n d o w s 和U N I X ，独立于网络平台如T C P I P 和B L U E T O O T H 。 ( 3 ) 广泛性 P 2 P 网络系统应该设计成可以运行在任何有数字处理功能的设备上，包括传感器、消 南京邮电大学硕士学位论文第二章P 2 P 和视频流传输 费电子设备、个人数字助理、网络路由器、桌面计算机、中心服务器和存储系统。 2 3P 2 P 视频编码概述 视频的播放有严格的实时性要求，要求在特定的时间间隔内将特定的数据单元解码显 示，这就要求网络提供足够的带宽、有保障的时延和丢失率。但是，网络视频的流式传输 面临的实际情况则是另外一种情况： ( 1 ) 网络资源( 主要是带宽) 的增长并不同日益增长的视频应用成正比，也就是不可能 为所有的用户提供足够的带宽； ( 2 ) 网络服务不提供服务质量的保证( Q u a l i t yo f S e r v i c e ，Q O S ) ，视频数据传输过程中 的网络资源( 如带宽) 以及延时、误码和丢包率等都是动态变化的； ( 3 ) 网络的异构性和用户的不同需求，使得网络视频应用面临着不同的服务质量的需 求。 以上3 个问题是网络视频应用面临的主要挑战，为解决这些问题，中外学者做了大量 的研究，其主要工作可以分为两个大的方面： ( 1 ) 发展更具灵活性的视频编码方案，主要体现在，要求进一步提高视频数据的压缩 效率，尽可能消除视频中的冗余信息，使得信源编码输出的数据量尽可能得少，以适应网 络最低传输带宽的情况，同时，要求提供灵活的视频质量分级来最大限度适应网络的动态 特性，尽可能为用户提供好的视频质量； ( 2 ) 必要的错误控制技术的研究，由于高压缩比的视频数据对传输过程中的误码和丢 包非常敏感，有时即使只是一个比特的错误就可能导致接收端解码的视频质量严重下降， 因此，必须有合适的错误控制技术来保证在用户端得到的视频失真最小。 网络上传输的视频流，可以根据其信源编码输出的是面向存储的视频数据还是面向网 络传输的视频数据分为两类：面向存储的固定码率( N o nS c a l a b l e ) 视频编码流式技术和面向 网络传输的可伸缩( S c a l a b l e ) 视频编码流式技术。而可伸缩( S c a l a b l e ) 视频编码主要有分层 编码( L a y e r e dC o d i n g ) 和多描述编码( M u l t i P l eD e s c r i p t i o nC o d i n g ) 。本文将采用面向传输 的可扩展性视频编码技术中的分层视频编码技术，该技术在进一步提高编码效率的同时增 加了编码输出码流适应网络带宽动态变化的灵活性。 2 4 本章小结 本章详细介绍了流媒体系统结构，以及I n t e m e t 中的P 2 P 传输技术，并对P 2 P 视频编 南京邮电大学硕士学位论文 第二章P 2 P 和视频流传输 码作了分析介绍。本文的实验系统将采用混合式P 2 P 网络结构，并在此基础上进行分层视 频编码研究。 南京邮电大学硕士学位论文第三章H 2 6 4 的可分层编码( S V C ) 的实现 第三章H 2 6 4 的可分层视频编码( S V C ) 的实现 3 1H 2 6 4 视频编码 为了适应各种业务增长对于视频编码更高的要求，I T U - T 的视频编码专家组( V C E G ) 和I S O I E C 的活动图像专家组( M P E G ) 联合成立了“联合视频组”J V T ( J o i n tV i d e oT e a m ) ， 于2 0 0 3 年共同推出了视频编码的新标准叫2 6 4 i7 J 标准，也是M P E G - 4 的P a r t l 0 ，由于 其具有比以往标准更出色的性能，被人们称为新一代视频编码标准。 制定H 2 6 4 标准的主要目标有两个：一是得到高的视频压缩比；二是具有良好的网络 亲和性，即可适用于各种网络传输。因此，H 2 6 4 的功能分为两层：视频编码层( V L C ) 和网络提取层( N A L ) 。这样，高效率编码任务和网络友好性任务就由V L C 和N A L 分别 来完成。H 2 6 4 的编码结构如图3 1 所示。 视频编码层( V C L ) 控 制 宏块 数 据 1 数据分割 上T 、 片分割 r 网络提取层( N A L ) H 3 2 0H 3 2 4H 3 2 3 I PH 3 2 4 M其它 3 1 1H 2 6 4 视频编码基础 图3 1H 2 6 4 的编码结构 H 2 6 4 标准规定了四个档次，分别是基本档次( B a s e l i n eP r o f i l e ) 、主要档次( M a i n P r o f i l e ) 、扩展档次( E x t e n d e dP r o f i l e ) 和高档次( H i 曲P r o f i l e ) 。每个档次支持一组特定的 编码功能，并支持一类特定的应用。级别( L e v e l ) 定义了编解码器的性能，通过每个档次 设置不同的参数，如采样率、图像尺寸、编解码比特率以及内存要求等，得到对应的编解 码器性能不同的级1 8 】。 H 2 6 4 的视频编码框架也采用了和以前编码标准类似的基于块的混合编码方案，通过 南京邮电大学硕士学位论文第三章H 2 6 4 的可分层编码( S V C ) 的实现 复杂的帧间预测来减少运动图像时域上的相关信息，通过对预测残差进行D C T 变换来减少 运动图像空问上的相关信息。相比以前的视频编码标准，n 2 6 4 标准在技术上的改进主要 体现在以下三个方面： 预测技术的改进有：帧内多模式预测、多模式高精度帧间预测、多参考帧运动补偿、 1 4 及1 8 精度运动矢量预测、运动矢量可指出图像边界、权值预测技术( W P ) 、改进的 S k i p 和D i r e c t 参考模式及环路滤波等。 编码效率的改进有：4 4 整数变换、基于内容的自适应算术编码( C A B A C ) 和基于 内容的自适应变长编码( C A V L C ) 。 灵活网络传输和容错方面：参数集合( P S S ) 、灵活宏块顺序( F M O ) 、任意片顺序( A S O ) 、 可冗余片( R S ) 、数据分割( D P ) 技术、S P S I 帧技术。 ( 1 ) H 2 6 4 A V C 编解码器的基本框架 H 2 6 4 并不明确规定一个编解码器如何实现，而是规定了一个编码的视频比特流的句 法和该比特流的解码方法，因此在实现上有较大的灵活性。H 2 6 4 和以前的H 2 6 1 ，H 2 6 3 ， M P E G - 1 ，M P E G - 4 中的编解码器功能块的组成类似，不同在于各功能块的细节。H 2 6 4 编码器 和解码器的功能组成分别见图3 2 和图3 3 。 l 出箭m 占l t 伦一J 亦地I 量化L j 日u 。叭l 一纠义伙r JL IJ ) 芦型、 l 舌z 暑m 占I 掩油 I + 户汹反蛮换k反量化 H l 里琏。陨I l 豫馊1 一 扩l “J 图3 2H 2 6 4 编码器 南京邮电大学硕士学位论文第三章H 2 6 4 的可分层编码( S V C ) 的实现 图3 3H 2 6 4 解码器 ( 2 ) H 2 6 4 A V C 编解码器的工作原理 H 2 6 4 编码器采用变换和预测混合编码方法。编码时，首先把输入的帧或场F n 以宏块 为单位被编码器处理。宏块有帧内和帧间两种模式。帧内模式使用当前帧内已编码的宏块 进行预测；帧间模式使用以往一个或多个帧作为参考进行运动预测。然后，对预测值和原 始值的差值进行变换、量化、重新排序和熵编码，对量化系数X 进行逆量化、逆变换后， 与预测系数相加，得到未经滤波的u F 帧，对u F 帧进行块间滤波，得到当前重构帧F n 。 而解码过程相对比较简单，对应于编码器的各部分进行逆向操作，结果经逆量化、逆变换 后通过滤波器得到输出重构图像数据。 ( 3 ) H 2 6 4 的主要技术 帧内编码 帧内编码用来缩减图像的空间冗余。为了提高H 2 6 4 帧内编码的效率，在给定帧中充 分利用相邻宏块的空间相关性，相邻宏块通常含有相似属性。因此，在对一给定宏块编码 时，首先可以根据周围的宏块预测( 典型的是根据左上角的宏块，因为此宏块已经被编码 处理) ，然后对预测值与实际值的差值进行编码。这样，相对于直接对该帧编码而言，可 以大大减小码率。简单地说，帧内预测编码就是用周围邻近的像素值来预测当前的像素值， 然后对预测误差进行编码。这种预测是基于块的，于亮度分量( 1 u m a ) ，块的大小可以在 1 6 1 6 和4 4 之间选择，6 1 6 块有4 种预测模式，4 4 块9 种预测模式；对于色度分 量( c h r o m a ) ，预测是对整个8 X 8 块进行的，有4 种预测模式。 帧间预测编码 H 2 6 4 帧间预测主要是利用连续图像序列之间的相关性，通过运动补偿预测编码方法 来消除视频图像的时间冗余。H 2 6 4 除了具有以前标准中的基本的P 帧、B 帧预测方法外， 还增加了许多新的功能：采用不同大小的预测块进行运动估计；采用1