（计算机应用技术专业论文）无线网络视频传输性能评测工具的设计与实现.pdf

中文摘要 随着无线网络的迅猛发展以及多媒体技术的普及，在无线网络中进行以视频 为主的多媒体实时传输成为当前的热门应用。然而现有的无线网络技术难以满足 视频传输的需求，如何改善无线网络各层协议以提高网络性能支持多媒体传输成 为研究热点。对无线网络协议性能的评价通常使用网络性能参数：端端延迟，延 迟抖动，丢包率和吞吐率。视频业务也常用c b r 业务模拟。然而，视频流有自 身的特性，单纯网络性能参数的提高并不能说明视频传输质量的改善，c b r 业 务也不能完全代替视频业务。因此亟需一个视频传输性能评测系统，使用真实视 频业务，对无线网络协议进行综合评价，既能统计网络性能参数，又能提供视频 质量参数。本文针对无线网络研究常用的仿真平台和试验床平台，分别设计并实 现了视频传输性能评测工具v t p e t 。 v t p e t 支持两种形式的视频源：摄像头实时采集的视频数据和标准视频序列 文件。在仿真环境下，标准视频序列文件可以在不同网络场景中重复使用，便于 同类网络协议的性能比较。而摄像头实时采集的视频数据可以配合试验床进行真 实视频流传输试验。v t p e t 支持多种当前主流的视频编码器：h 2 6 3 ，h 2 6 4 和 m p e g - 4 ，以及不同的视频码流传输速率，以供用户灵活选择。v t p e t 将原始视 频帧经视频编码器实时压缩编码后形成视频码流，使用实时传输协议r t p 经由 u d p 传输。由于在应用层对视频码流的传输不做任何控制，因此接收端视频的 质量完全反映了无线网络协议的性能。 v t p e t 提供了多种性能参数的评测，除了常用的网络性能参数外，还包括视 频质量客观评价参数p s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) ，以及超时丢包率。另外， 在接收端实时播放接收到的视频画面，可以对视频主观质量进行评价。根据需要 可以统计性能参数的平均值或者随时间变化情况。 本文在主流的仿真平台q u a l n e t 以及试验床常用的l i n u x 下实现了v t p e t ，并 通过实例验证了其各项功能。v t p e t 为无线网络研究提供了主客观多种视频性能 评测参数，灵活多样的配置以及友好的用户界面，满足了无线网络中的研究需要。 关键词：无线网络视频传输性能评测q u a l n e t 仿真l i n u x 试验床 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k sa n dt h ep o p u l a r i t y o f m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , r e a l - t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k sh a sb e c o m e t h em o s tp o p u l a ra p p l i c a t i o n s h o w e v e r , t h ec u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r kc a n n o tf u l l y s u p p o r tt h ev i d e ot r a n s m i s s i o n i tm a k e s t h ev i d e ot r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k sa r e s e a r c hh o t s p o t u s u a l l yw eu s em e t r i c ss u c ha se n d t o e n dd e l a y , d e l a yj i t t e r , p a c k e t l o s sr a t ea n dt h r o u g h p u tt oe v a l u a t e w i r e l e s sn e t w o r kp e r f o r m a n c e ，a n du s ec b r t r a f f i ct os i m u l a t et h ev i d e ot r a f f i c h o w e v e r , t h ev i d e os t r e a mh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e f o r ei m p r o v e m e n to fn e t w o r kp e r f o r m a n c ed o e sn o tm e a nt h e s a m ei m p r o v e m e n to fv i d e o ，q u a l i t y i na d d i t i o nc b rt r a f f i cc a n n o tt a k ep l a c eo f v i d e ot r a f f i ci ne x p e r i m e n t s s oi ti si m p o r t a n tt od e p l o yav i d e ot r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ns y s t e mu s i n gr e a lv i d e ot r a f f i ct o e v a l u a t et h ew i r e l e s s n e t w o r k b e y o n dt h ec o m m o nn e t w o r kp e r f o r m a n c em e t r i c s ，t h ev i d e oq u a l i t ym e t r i c s a r ea l s or e q u i r e d i nt h i sp a p e r w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dv i d e ot r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nt o o l k i t s ，v t p e t ，i nb o t hs i m u l a t i o np l a t f o r ma n dt e s t b e d p l a t f o r mw i d e l yu s e di nw i r e l e s sn e t w o r kr e s e a r c h v t p e ts u p p o r tt w ok i n d so fv i d e os o u r c e s ：r e a l - t i m ev i d e oc a p t u r e db yc a m e r a a n ds t a n d a r dv i d e os e q u e n c ef i l e i ns i m u l a t i o n ，t h es t a n d a r dv i d e os e q u e n c ec a nb e u s e dr e p e a t e d l yt oc o m p a r ed i f f e r e n tp r o t o c o l sw i t ht h es a m ef u n c t i o n s w h e r e a st h e r e a l - t i m ev i d e oc a p t u r e db yc a m e r ac a l lb eu s e di nt e s t b e d v t p e ts u p p o r tt h r e e m a i n s t r e a mv i d e oe n c o d e r s ：h 2 6 3 ，h 2 6 4a n dm p e g 一4 m u l t i p l ev i d e ob i t r a t e sc a n b es e l e c t e di fr e q u i r e d i nv t p e t ，r a wv i d e od a t ai se n c o d e di n t ov i d e os t r e a ma n d t r a n s m i t t e db yr t p u d ps t a c k v i d e o s t r e a mi na p p l i c a t i o nl a y e ra r es e n tt ot h e u n d e r l y i n gl a y e rd i r e c t l yw i t h o u ts h a p i n g ，t h e r e f o r et h ev i d e oq u a l i t ya c h i e v e da tt h e r e c e i v e rf u l l yr e f l e c t st h ep e r f o r m a n c eo fu n d e r l y i n gw i r e l e s sn e t w o r k v t p e tp r o v i d e saw i d er a n g eo fp e r f o r m a n c em e t r i c sf o re v a l u a t i o n ，i n c l u d i n gt h e o b j e c t i v ev i d e oq u a l i t ym e t r i c ss u c ha sp s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) a n dt h e p a c k e to v e r d u el o s sr a t e ，a sw h i l ea sm e t r i c so fn e t w o r k i na d d i t i o n ，t h ev i d e of r a m e a r r i v e da tt h er e c e i v e rc a nb ep l a y e dd u r i n gs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，w h i c hm a k e si t p o s s i b l et oe v a l u a t et h ev i d e oq u a l i t ys u b j e c t i v e l y m e t r i c sa r ec o l l e c t e da sa v e r a g e a n d o rt i m e - s e r i e s i nt h i sp a p e r , w ei m p l e m e n t e dv t p e ti nq u a l n e ta n dl i n u xp l a t f o r mr e s p e c t i v e l y t h ef u n c t i o n so fv t p e ta f ev e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t s i m u l a t i o n i n s t a n c e s t h e r e s u i t ss h o wt h a tv t p e tc a np r o v i d eaw i d er a n g eo fs u b j e c t i v ea n do b j e c t i v e m e t r i c s f o rv i d e ot r 习m s m i s s i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k ，i ti se x p e c t e dt om a k ei tm u c h e a s i e ra n d m o r ee f f e c t i v et oc a r r yp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k r e s e a r c h k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k s ，v i d e ot r a n s m i s s i o n ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ， q u a l n e ts i m u l a t o r , l i n u xt e s tb e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位 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。 学位论文作者签名：歹弓迢 签字日期： ) p p 夕年易月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：尹建 导师签名： 签字日期：2 。巧年6 月日 乏抒啤型墨千 签字日期： 加7 年彭月f 日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 近年来，无线通讯技术发展速度大大加快，越来越多的应用基于无线网络平 台搭建，尤其是基于视频的流媒体业务。例如在我国已经进入商用的第三代移动 通信( 3 g ) 不仅能够提供普通的话音服务，还支持实时的视频传输视频通 话功能。又如，当前大多数笔记本电脑都附带网络摄像头以及无线上网功能，使 用笔记本无线上网进行视频聊天己成为热点应用。在基于无线网络的视频传输应 用日渐增多的情况下，无线网络需要进行研究改进，以便增强其对视频业务的支 持，给用户提供更加流畅的视频应用体验。 原始视频数据包含的数据量大，如果直接进行传输必然要耗费巨大的带宽。 直观上看，视频图像之间含有很大的相关性。无论从经济角度还是技术角度，在 传输之前对视频信号进行压缩成为了必然。 目前的视频编码压缩标准主要有h 2 6 x 和m p e g 两大系列【lj ，这些标准的原 理是相同的，都是采用混合编码方法，即预测编码、变换编码和统计编码这三种 基本的压缩编码方法。经过压缩后的视频数据减少了大量的冗余信息，数据量大 大降低。然而，高压缩比增加了视频码流对丢包的敏感。一个视频帧的丢失或出 错都会造成差错蔓延，影响后续视频帧的质量。这使得视频流在网络上进行实时 传输时对网络延迟和网络带宽有较高的要求。而无线网络相对于传统的有线网络 恰恰具有延迟和可用带宽不稳定的特点。为解决这对矛盾，如何对无线网络的 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 1 2 进行改进以使其更好地为实时视频传输服务已成为当 今信息技术科学的研究热点。目前对无线网络q o s 改进的研究主要集中在 t c p i p 网络模型中的网络层和传输层【j j 。 在研究过程中，我们需要对研究结果进行性能评测。通常使用两种方法来进 行f 4 - 5 】。一种是基于计算机仿真的方法：人们使用网络仿真软件平台，在此基础 上将研究提出的新算法或者新模型写成代码加入到网络仿真软件中去，然后添加 网络仿真软件提供的业务流运行仿真，最后取得业务流在运行过程中的各项参 数，进行分析后得出新算法对该业务的性能影响。另一种是基于试验床的方法。 这种方法修改真实的物理平台的相关模块，进行真实的业务流的传输，获取相关 的运行参数，从而对研究结果进行分析。 第一章绪论 这两种方法各有优劣【6 】：计算机仿真系统用严格的数学模型表示，不使用实 际系统的任何部件。计算机仿真的模型抽象程度最高，仿真费用最省，仿真所花 的时间最少，作各种变量控制试验也最方便。但它有一个最致命的弱点，即仿真 结果的可信度较差。实物仿真，即试验床方法，特点是全部使用实际系统的子系 统或部件，系统原型可以任意接近最后的系统配置。实物仿真与实际系统最接近， 仿真结果最可信，但费用高，执行起来所花时间长，作变量控制试验也不方便。 可见，仿真和试验床两种方法相辅相成，互补不足，为满足研究需要，基于这两 种平台的视频传输性能评测工具都要研制。 在无线网络的仿真研究中，一般使用仿真软件为q u a l n e t 网络仿真器。作为 主流的无线网络仿真器，q u a l n e t 仿真器具有以下优点【7 - 9 】：q u a l n e t 的协议模块 更加独立，更加模块化，可以方便屏蔽、增加、删除某些协议模块。支持t c p i p 协议栈的标准层间接口，用户无需自己开发这种类型( 绝大多数的协议都满足， 包括大量军方数据通信联网设备) 的层间接口；同时支持非标准协议栈的开发， 即跨层交互( c r o s sl a y e ri n t e r a c t i o n ) 。q u a l n e t 仿真结果的数据统计和分析包支 持s i d e b y s i d e 参数逐一比较、直方图和基于文本的统计存储。基于仿真时刻的 数据记录由a n i m a t o r 存储。基于文本的统计存储支持后续的各种工具进行数据 处理。具有友好的g u i 界面，用户更加容易学习使用。 而在试验床平台的选择上，人们主要使用l i n u x 操作系统 1 0 - 1 2 。前面提到， 对无线网络的q o s 的研究主要集中在网络层和传输层，而这两层的具体实现是 操作系统来完成的。为了对这两层进行实验改进，需要在开放源代码的操作系统 上进行。而开源的l i n u x 操作系统正好符合要求，故其成为了主流的试验床平台。 例如，天津大学无线网络试验床正是在l i n u x 平台上搭建的。 因此，本文选择基于q u a l n e t 仿真器进行仿真平台工具的开发，基于l i n u x 平台进行试验床工具的开发。 1 2 研究现状 原始视频数据量很大，需要进行视频压缩编码以减小其容量，便于在网络上 传输【1 3 】。目前使用比较广泛的视频编码标准主要有h 2 6 3 、m p e g - 4 和h 2 6 4 。 h 2 6 3 标准是在l9 9 5 年由i t u t ( i t ut e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ， 国际电信联盟远程通信标准化组) 推出的，最初用于低于6 4 k b i t s 的低码率视频 传输，不过后来又被扩展到支持高码率图像编码i l 引。m p e g 一4 是在1 9 9 9 年1 2 月 份由i s o i e c 颁布的。它除了定义视频压缩编码标准外，还强调了多媒体通信的 交互性和灵活性【l5 1 。而目前最新的视频编码标准则是h 2 6 4 标准，它不仅显著提 第一章绪论 高了压缩比，而且具有良好的网络亲和性，加强了对i p 网、移动网的误码和丢 包的处理【16 | 。视频性能评测工具应支持这三种不同的主流编码标准，供用户进行 选择，以满足无线网络中视频传输性能评测的需要。 在流媒体( 特别是视频) 的实时传输应用中，实时性的要求通常更高。由于 t c p 网络传输协议是面向连接的，在数据传输之前要进行三次握手建立连接【ln ， 传输过程中要进行拥塞控制和流量控制，这些操作都可能导致传输延迟和延迟抖 动增加，不能满足视频传输对实时性的要求。因此，一般使用u d p 作为多媒体 视频流的传输协议。u d p 协议是面向非连接的不可靠的传输协议。它在传输前 不需要建立连接，具有传输延时小的优点。但是另一方面，它没有包的序列号， 不提供差错控制机制，不能保证传输的可靠性。为此，i n t e r n e t 专家任务组i e t f ( i n t e m e te x p o r tt a s kf o r c e ) 制定了一系列的协议如资源预留协议r s v p 、实时 传输协议r t p 等，用来满足i n t e m e t 上流媒体数据的传输【1 8 】。其中，r t p 是进行 流媒体传输最重要的协议之一。r t p 实际上由两个相关的协议组成：实时传输协 议r t p ( r e a l t i m e) 和实时传输控制协议transport p r o t o c o lr t c p ( r e a lt i m e t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 1 1 9 】。r t p 和r t c p 是专门为交互式音视频传输而设计 的。因此，在视频性能传输评测工具中，使用r t p u d p 协议作为流媒体数据的 传输协议，符合实际应用情况。 在无线网络研究的性能评价中，通常只使用单纯的网络性能参数，如端端延 迟，延迟抖动，丢包率和吞吐率等。大多仿真软件，包括q u a l n e t ， 都支持多种 应用层业务1 2 0 | ，如f t p ，c b r ，v o i p 等，但是不支持真实视频业务，只能使用 c b r 业务来模拟视频业务。l i n u x 下有一些实时的视频传输工具 2 1 - 2 4 j ，可以进行 无线网络上的视频传输实验。但是这些工具都是为实际应用开发的，只能观看视 频图像进行主观性能评测【2 5 1 ，不提供客观的量化性能评价。 然而，视频流有自身的特性，单纯网络性能参数的提高并不能说明视频传输 质量的改善，c b r 业务也不能完全代替视频业务。比如，丢包率低，视频质量 不一定就高。这是因为视频帧间有相关性，前一帧的解码对后序帧有影响。如果 i 帧( 帧内编码的帧) 丢失或者产生误码，后续p 帧就不能解码或者解码质量很 差，而这些影响会扩散到帧组中后面所有的p 帧，造成接收端视频的马赛克现象， 主观质量变差，相应解码出的视频帧p s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) 降低。 另外一个原因是，虽然网络丢包率低，但是超时丢包率不一定低，同样会导致接 收端视频质量很差。对于实时视频传输来说，为保证接收端播放的实时性，对每 一帧的到达时间有严格要求，如果某一帧到达接收方，但是超过了播放时间期限， 那么这一帧就失效了，要被丢掉。这种丢包称之为超时丢包。再如，丢包率高， 视频质量不一定差。这是因为如果丢失的是p 帧，解码器可以采取差错隐藏技术 第一章绪论 将其恢复出来，虽然p s n r 值会有所降低，但依然能收看到连续的视频画面。视 频业务的这些特性是c b r 业务难以模拟的。 1 3 研究目的及意义 综上所述，亟需一个视频传输性能评测系统，使用真实视频业务，对无线网 络协议进行综合评价，既能统计网络性能参数，又能提供视频质量参数。它要完 成以下几项任务： 1 ) 能够实时采集视频信息，支持h 2 6 3 ，m p e g 4 和h 2 6 4 这3 种视频编解 码器，并能够使用r t p 协议传输视频流。 2 ) 能够使人们观察经过无线网络传输后的视频图像，并能够把该视频保存 到文件中，以备日后查看。 3 ) 能够在运行过程中分析并记录下客观性能参数，如p s n r 、端端延迟、 延迟抖动、丢包率、吞吐率等参数。 本文针对无线网络研究常用的仿真平台q u a l n e t 和试验床平台l i n u x ，分别 设计并实现了视频传输性能评测工具v t p e t 。v t p e t 为无线网络研究提供了主客观 多种视频性能评测参数，灵活多样的配置以及友好的用户界面。从而协助分析底 层协议、算法的修改对上层视频流性能的影响，能够满足日趋强烈的科研需求。 1 4 内容安排 第二章介绍了视频传输性能评测工具的整体设计。首先介绍了需要统计的性 能参数，然后介绍了该工具的总体设计以及各个模块的设计思想和设计方法。 第三章着重介绍了q u a l n e t 仿真器平台下的视频传输性能评测工具的实现工 作。首先介绍了q u a l n e t 仿真器的原理，q u a l n e t 下的流量生成协议的添加步骤， 然后介绍了该工具的具体实现方法，最后在仿真场景中使用该工具运行仿真，对 该工具获取到的性能参数进行了评价。 第四章着重介绍了l i n u x 试验床平台下的视频传输性能评测工具的实现工 作。首先介绍了具体的实现方法，然后介绍了该工具的特点以及使用方法，最后 通过进行实际场景的实验，获取到相关的性能参数，对该工具进行了评价。 第五章对全文进行了总结，并给出该工具以后可改进和完善的思路，使其在 无线网络视频传输的研究中发挥更大的作用。 第二章视频传输性能评测工具的设计 第二章视频传输性能评测工具的设计 本章主要介绍视频传输性能评测工具v t p e t 的设计思想。在设计之前，首先 要明确该工具需统计的性能参数及其统计方法。 2 1 需统计的性能参数及统计方法 为了使用该评测工具客观地评测无线网络对视频传输质量的影响，即要统计 网络性能参数，如端到端延迟、延迟抖动、丢包率和吞吐率等，还要统计反映接 收端视频质量的参数，如峰值信噪比( p s n r ) ，具体描述如下。 2 1 1 峰值信噪比( p s n r ) 2 1 1 1 定义 峰值信噪比p s n r l ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) 表示信号最大可能功率和影 响它精度的噪声功率的比值【2 6 1 。由于许多信号都有非常宽的动态范围，峰值信噪 比常用对数分贝单位来表示。峰值信噪比经常用作图像压缩等领域中信号重建质 量的测量方法，其定义如下： 一= 1 0 x l o g l 0 降) p ， f r a m e s t z e ( l 一只) 2 脚= 竺- l 一 f r a m e s i z e ( 2 - 2 ) 其中，m s e ( m e a ns q u a r ee r r o r ) 指均方差，。指原始图像的第刀个像素值， 指经处理后的图像的第刀个像素值。通常删值在2 0 - - 4 0 d b 之间，其值越 p s n r ：本文中正体表示名称，斜体表示变量。 第二章视频传输性能评测工具的设计 大代表失真越少。 根据实际经验，对于亮度像素分量，p s n r 高于4 0 d b 说明图像质量极好( 即 非常接近原始图像) ，在3 0 - - 4 0 d b 通常表示图像质量是好的( 即失真可以察觉 但可以接受) ，在2 0 - - - 3 0 d b 说明图像质量差；最后，p s n r 低于2 0 d b 图像不可 接受。 2 1 1 2y u v 文件格式 根据公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知，要计算p s n r 首先要计算m s e ，而计算 m s e 时又需要两幅图像的每个像素值。这里先介绍视频编解码时需要的y u v 图 像格式，然后介绍y u v 格式图像的p s n r 计算方法。 y u v ( 亦称y c r c b ) 是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法( 属于 p a l ) ，是p a l 和s e c a m 模拟彩色电视制式采用的颜色空削2 7 】。其中的y u ，v 几个字母不是英文单词的组合词，y 代表亮度，u v 代表色差，u 和v 是构成彩 色的两个分量。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色c c d 摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到 r g b ，再经过矩阵变换电路得到亮度信号y 和两个色差信号r y ( 即u ) 、b y ( 即v ) ，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发 送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的y u v 色彩空间表示。采用j v 色彩 空间的重要性是它的亮度信号y 和色度信号u 、v 是分离的。如果只有y 信号 分量而没有u 、v 信号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视 采用y u v 空间正是为了用亮度信号y 解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问 题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。 y u v 主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电视。与 r g b 视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽( r g b 要求三 个独立的视频信号同时传输) 。其中“y 表示明亮度( l u m i n a n c e 或l u m a ) ，也 就是灰阶值；而“u ”和“v ”表示的则是色度( c h r o m i n a n c e 或c h r o m a ) ，作 用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过r g b 输入信 号来建立的，方法是将r g b 信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色 的两个方面色调与饱和度，分别用c r 和c b 来表示1 2 引。其中，c r 反映了r g b 输入信号红色部分与r g b 信号亮度值之间的差异。而c b 反映的是r g b 输入信 号蓝色部分与r g b 信号亮度值之同的差异。 y u v 主要的采样格式有y u v4 ：2 ：0 、y u v4 ：2 ：2 、y u v4 ：1 ：1 和y u v4 ：4 ：4 。 其中y u v4 ：2 ：0 比较常用【2 9 1 。y u v4 ：2 ：0 的含义是：对于每行扫描线来说，只有 一种色度分量以2 ：1 的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是 第二章视频传输性能评测工具的设计 说，如果一行是4 ：2 ：0 的话，下行就是4 ：0 ：2 ，再下一行是4 ：2 ：0 以此类推。对 每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都是2 ：1 ，所以可以说色度的 抽样率是4 ：l 。对非压缩的8 比特量化的视频来说，每个由2 2 个2 行2 列相邻 的像素组成的宏像素需要占用6 字节内存。 在进行视频编解码时，一般将y u v 格式的视频文件作为原始视频文件输入 编码器进行压缩编码，同时解码器也输出y u v 文件作为原始的视频格式。而其 中最常用的y u v4 ：2 ：0 格式的视频文件，通常以y u v 4 2 0 p 格式进行存储。 y u v 4 2 0 p 中的“p ”代表p l a n a r ，即平面的意思。它的每一帧图像使用三个数组 分开存放y u v 三个分量，就像是一个三维平面一样。如c i f 格式( 分辨率为3 5 2 2 8 8 ) 的y u v 4 2 0 p 格式的视频文件中，每一帧图像y 分量和u v 分量如图2 1 所示。、 3 5 2 + 一一+ ly + 一一+ 1 7 6 + + u | 1 4 4 + 斗 l v 1 1 4 4 + - - - - - - - - i - 图2 - 1y u v 4 2 0 p 一帧图像格式 y u v 4 2 0 p 格式的每一帧图像之间是没有间隔的，即第一帧图像数据紧接着 是第二帧图像数据。一般图像都是以8 比特进行量化存储的，即y u v 每一个分 量的每一个像素都是以8 比特( 1 个字节) 的无符号整数表示的。由此我们可以 计算每一帧图像的大小，如c i f 格式y u v 4 2 0 一帧图像是3 5 2 2 8 8 1 5 字节。 这样我们便可以从y u v 4 2 0 p 格式的图像文件中读取或写入一帧图像数据了。 2 1 1 3p s n r 获取方法 p s n r 值是描述相对于原始图像来说的重建图像的质量的。所以要获取 p s n r 值必须提供原始图像以及重建后的图像。 在客户端获取到每一帧的原始图像后，将其保存到y u v 4 2 0 p 格式的文件中。 在服务器端接收到经过网络传输的编码数据之后，将其交给视频解码器进行解 码，得到重建之后的图像数据，把它也保存到y u v 4 2 0 p 格式的文件中。这样， 就有了原始图像与重建图像，便可以利用公式( 2 1 ) 和公式( 2 2 ) 来进行每一 第二章视频传输性能评测工具的设计 帧图像的p s n r 值的计算以及所有视频帧的平均p s n r 的计算了。由于y u v 视 频格式有y 、u 、v 三个分量，故需要对三个分量分别进行p s n r 的计算。一般 进行视频质量评价时，y 分量( 亮度分量) 的p s n r 值最重要，u 分量和v 分 量的p s n r 做参考用。 需要注意的是，在计算平均p s n r 的时候，并不能对每一帧的p s n r 求和后 取平均，而应该记录每一帧的m s e ，然后求m s e 的平均值，最后通过这个平均 值求p s n r 平均值。 2 。1 2 端到端延迟 端到端延迟是评价网络性能的一个重要指标。除了代表视频质量p s n r 值参 数之外，测量出实时的端到端延迟并与p s n r 值相互对照，可以分析端到端延迟 对图像质量的影响，有助于改进网络性能。 2 1 2 1 定义 本文中端到端延迟定义为单向延迟( o n e w a yd e l a y ，简称为o w d ) 。它是 指数据包从源端s 发出经一定路径到达目的端d 所经历的时间。表示如下： o w d = 一r s ( 2 3 ) 其中l ，为数据包到达目的端的时间，瓦为数据包离开源端的时间。 2 1 2 2 测量方法 在仿真环境中，发送端与接收端都在同一台p c 上，不存在时钟同步问题。 所以可以简单地测量单向延迟。即在发送每一个数据包时，先将当前时间记录到 数据包中，然后立刻发送；在接收端，接收到数据包后立刻记录当前时间，然后 取出数据包中的发送时间，两者相减，从而得到端到端延迟。对于每一个数据包， 都这样进行处理，便可以得到每一个数据包的延迟，从而得到随时间流逝端到端 延迟的走势，这样就可以与p s n r 相比较，得出延迟对p s n r 的影响。 但在真实环境中，由于存在时钟同步问题( 即源端与目的端的时钟可能存在 较大的时间差) ，在真实网络中端到端延迟是不容易测量的。这里为了简单起见， 在真实试验床中使用视频传输性能评测工具进行视频传输实验之前，先使用网络 时间协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，n t p ) 1 3 0 进行发送端与接收端的时间同步， 经过时间同步之后，可以认为它们的时间是一致的，从而也可以使用上述方法简 单地测量端到端延迟。 第二章视频传输性能评测工具的设计 2 1 3 延迟抖动 实时传输的视频流对端到端延迟抖动同样敏感。作为对网络性能的评价参数 之一，需要测量延迟抖动来分析它对视频质量的影响。 2 1 3 1 定义 延迟抖动定义为r f c 3 9 3 3 中定义的d e l a yv a r i a t i o n 【3 1 】，表示数据包延迟的变 化程度。延迟抖动的定义是建立在单向延迟定义基础之上的，具体定义如下： d v = o w d 2 一o w d l ( 2 - 4 ) 其中，d v 表示延迟抖动，o w d ，和o w d 2 分别为两个数据包的第一个比特 离开源端进入网络到最后一个比特离开网络到达目的端的时间间隔，也即严格意 义上的单向延迟。 在实际测量中，为了提高测量的准确性，往往选取多个同一类型的数据包进 行延迟抖动测量，而不仅仅限于一组数据包中的两个数据包。 2 1 3 2 测量方法 根据公式( 2 4 ) ，可以看出延迟抖动只跟单向延迟有关。所以，有了2 1 2 节中测量单向延迟的方法之后，可以方便地计算出延迟抖动。接收到数据包( 第 一个数据包除外) 后，将这个数据包的延迟减去前一个数据包的延迟得出这个数 据包的延迟抖动。这样可得出延迟抖动随时间变化情况，从而帮助分析延迟抖动 与反映图像质量的p s n r 之间的关系。 2 1 4 丢包率 在视频的实时传输过程中，丢包可能有两个原因：一是由于在网络传输过程 发生错误而丢包；二是数据包顺利到达接收端，但其所属的视频帧已经超过了它 应该播放的时间，即该数据包属于过期的数据包，这种数据包将会被接收端主动 丢弃，所以这种情况下也会造成丢包。应当分别计算这两种情况下的丢包率以及 总的丢包率。 2 1 4 1 网络丢包率 网络丢包率指由于网络传输造成的丢包数目占发送数据包总数的比率，如下 所示： 第二章视频传输性能评测工具的设计 p n = 1 一nr n3( 2 5 ) 其中，代表目标端接收到的数据包数目，代表源端发送的数据包的总 数目。 可见，只要在发送端记录发送的总数据包数目。，在接收端记录接收到的 数据包数目，即可根据公式( 2 5 ) 计算出网络丢包率只。 2 1 4 2 超时丢包率 对于实时视频业务，数据包至i 达接收端有一定的时效性，如果数据包到达了 但是超过了播放时限，也要将此数据包丢掉。这种原因造成的丢包称为“超时丢 包”。超时丢包造成了网络资源的浪费，超时丢包率是实时业务传输特有的反映 网络性能的参数。超时丢包率的定义如下所示： = n o m ( 2 - 6 ) 其中，0 表示超时丢包的数目。 同样，在发送端记录发送的总数据包数目以，在接收端记录下超时数据包 数目n o ，即可根据公式( 2 6 ) 计算出超时数据包的丢包率。 2 1 4 3 总丢包率 总丢包率为上述二者之和，即： 2 1 5 吞吐率 = + ( 2 - 7 ) 吞吐率是一种关于计算机或数据通信系统( 如网桥、路由器、网关或广域网 连接等) 数据传输率的测度【3 2 1 。在无线网络对视频质量影响的研究中，需要测 量发送端和接收端的吞吐率以确定其与经过无线网络传输的图像质量之间的关 系。 将吞吐率定义为单位时间内通过网络发送或者接收的比特数。基于这个定 义，发送端的吞吐率可以这样计算：以一秒为单位记录这一秒钟内发送数据的比 特数，从而得到每秒的吞吐率。接收端的吞吐率计算方法与之类似，只是记录接 收的比特数。 第二章视频传输性能评测工具的设计 2 2 评测工具总体设计 2 2 1 总体架构设计 如前所述，c b r 不能b 很z 好的模拟视频业务，只用网络性能参数也不能说明 协议对视频传输质量的改善效果。因此需要使用真实的视频业务，统计多方位的 全面反映视频传输质量的性能评测参数。 原始视频文件数据量大，通常压缩编码后传输。视频编码标准有h 2 6 x 和 m p e g 两大系列。最初前者主要面向网络传输，后者面向文件存储，随着网络的 发展，二者有融合趋势。h 2 6 4 和m p e g 4 是当前最新的标准，也是主流编码方 案。v t p e t 支持这两种视频码流，并提供了对h 2 6 3 的支持。 在视频源的选择上，考虑到在仿真环境下，标准视频序列可以在不同网络场 景中重复使用，便于同类网络协议的性能比较；而摄像头实时采集的视频数据可 以用于模拟真实环境下实时视频的采集、传输情况。因此，v t p e t 支持摄像头实 时采集的视频数据和标准视频序列文件两种视频源，以供用户灵活进行仿真网络 场景配置。 由于v t p e t 的主要目标是评测无线网络协议的性能，因此不应该对网络协议 的性能有任何影响。基于此，v t p e t 采用r t p u d p 协议栈，在应用层只是将视频 码流分装成r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) 数据包，然后注入网络传输。事实上， r t p u d p 也是目前大多数视频应用采用的协议栈。r t p 仅增加了一些和视频传 输相关的头部信息，如时间戳等，不对视频码流做任何控制。在传输层采用u d p ， 也不会对网络协议造成影响。因此，可以保证v t p e t 不会对所评测的网络协议性 能造成影响。 在性能评价参数的选择上，除了常用的网络性能参数外，还包括视频质量客 观评价参数p s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) ，以及超时丢包率。另外，在接收 端实时播放接收到的视频画面，可以对视频主观质量进行评价。在性能参数的统 计形式上，根据需要可以统计性能参数的平均值或者随时间变化情况，为用户提 供细腻的评价数据。 综上，v t p e t 遵循以下设计原则： l 、配置灵活性 支持多种视频源和不同类型的编码标准；支持多种主客观性能参数的收集、 统计。用户可用根据需要灵活配置。 2 、简单易用性 由于本系统主要为无线网络协议研究人员提供性能评价工具，因此必须在使 第二章视频传辅性能评测工具的设计 用时简单、方便。 3 、代码可重用性 q u a l n e l 只是众多的网络仿真软件之一，像n s ，o p n e t 也是常用的仿真软件。 另外，试验床也是无线网络研究所采用的重用手段，因此，代码需具有可重用性， 可以方便地移植到其它平台上。 根据上述分析v t p e t 总体架构如图2 - 2 所示。q u a l n e t 仿真平台和l i n u x 试 验床平台的区别主要在于经过的传输网络不同。q u a l n e t 仿真平台中r t p 数据包 在q u a l n e t 虚拟网络中传输，而在l i n u x 试验床平台上则是经过真实的无线网络 传输数据。 图2 - 2 视频传输性能评测工具架构图 客户端( 发送端) 的具体工作为：先从视频源处获取到原始视频数据，并保 存原始视频数据以便计算p s n r ，然后将原始视频数据交给视频编码器进行视频 编码，之后将编码后的视频数据分成一个个r t p 数据包，并使用r t