（计算机科学与技术专业论文）视频分层组播自适应技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 l 实时视频组播是许多当前和将来因特网视频应用的重要组成部分，这类应 用包括视频会议、远程学习、远地展示和视频点播等。随着网络基础设施的改 善和端系统处理能力的增强，组播视频应用日益变得可行。但因特网传输资源 和端系统的异构性以及因特网的动态行为却使得在同一视频流的多个接收方中 都实现可接受的流量特性变得异常困难。， 当前，自适应速率控制是因特网甲视频组播系统采用的一种最基本和最重 要的技术，但现有的自适应机制都是基于因特网提供的尽力而为服务来设计的， 它们具有如下两个缺陷，即视频接收质量的不稳定性和无法实现会话间资源共 享的公平性。本文认为一定公平原则下的资源预留是解决上述问题的有效途径。 在现有的自适应机制中，源层次编码和分层传输被普遍认为是解决视频组播异 构性的最佳方式，但当前机制却未考虑源的自适应，在这些机制中，源产生固 定的层次数，且每个层次都采用固定的编码速率，因此当前的分层组播机制并 不能充分优化网络带宽利用率和提高视频接收质量。本文认为自适应动态层次 视频编码机制可有效解决该问题。 为克服现有视频组播自适应机制的不足，本文创新性地提出一个基于动态 资潦预留的自适应分层视频组播体系，该体系将自适应层次视频编码、动态资 源预留与分层传输机制有机地结合了起来。该体系涉及到许多新的技术，包括 公平动态带宽预留、自适应视频层次编码、主动层次过滤及针对多点到多点视 频组播的自适应视频层次映射。本文对这些技术进行了全面而深入地研究。 为实现视频接收质量的稳定性和会话间资源共享的公平性，在网络层，本 文首次提出并设计实现了基于服务质量水平的m a x m i n 公平的动态带宽预留 算法。该算法基于服务质量水平m a x 。m i n 公平，在线元基础上周期性地探测 并预留带宽，线元定义为组播树上任意两相邻分叉节点间的路径。该算法因其 动态探测行为使其能充分利用当前网络可用带宽资源。利用该算法，同一会话 组播树的不同线元在同一时刻可能预留到不同的带宽资源，而且同一线元在不 同时刻也可能预留到不同的带宽资源，因此在本文的体系中，异构性仍然存在 而且是动态变化的。实现后的该算法具有很小的运行复杂度，并能在有限的时 间内收敛到公平状态。 为优化网络带宽利用率和提高视频接收质量，本文在应用层提出自适应层 次视频编码和自适应层次映射机制，在该机制中，视频源当前的编码层次数、 各层次的平均编码速度和各层次映射信道能够进行动态调整以适应网络的当前 状态。所有的自适应算法都具有很小的实现复杂度，而且都被证明能在动态网 络环境中显著改善网络带宽利用率和提高视频接收质量。 为解决异构性问题，本文提出基于网络的主动过滤机制，该机制通过在网 国防科学技术大学研究生院学位论文 络资源受限链上有选择地转发一定的视频层次子集来使各接收方接收到网络能 支持的最佳视频信号。该机制实现了接收方间的公平性，其易于实现而且大大 减轻了接收方速率自适应的负担。 在本文的体系中，应用层自适应依赖于显式信息反馈，因此反馈爆炸是一 个潜在问题。针对点到多点会话，本文提出归并反馈机制，其通过在网络中间 节点上对反馈报文进行归并从而有效解决反馈爆炸问题；对多点到多点会话， 本文提出接收代理反馈机制，其通过以地域为单位设立接收代理来限制反馈信 息的接收方数，由此来抑制反馈爆炸。 作为当前和将来因特网视频应用的关键技术，实时视频组播已经引起了人 们广泛的关注。我们相信本文韵研究工作为实时视频组播的下一步的广泛应用 提供了良好的理论和实践的基础0 关键词： 自适应速率控制，视频组播，套诸嗽巡一算源预留，源层次编码： 喜适应分层视频组搔，自适应层次映射，主动层次过滤，归并反馈， 接收代理 7 n 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i c a s td i s t r i b u t i o no fr e a l t i m ev i d e oi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fm a n y c u r r e n ta n de m e r g i n gi n t e r n e tv i d e oa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv i d e o c o n f e r e n c i n g 、 d i s t a n c e l e a r n i n g 、r e m o t ep r e s e n t a t i o n a n d m e d i a o n - d e m a n d i m p r o v e m e n t s i n n e t w o r kd e l i v e r yi n f r a s t r u c t u r ea n di n c r e a s e si ne n d s y s t e mp r o c e s s i n gp o w e rh a v e m a d et h e s ea p p l i c a t i o n sf e a s i b l e b u tt h eh e t e r o g e n e i t yo ft h ei n t e r n e t st r a n s m i s s i o n r e s o u r c e sa n de n d s y s t e m s ，a n dd y n a m i cb e h a v i o r si nt h ei n t e m e tm a k ei t e x t r e m e l y d i f f i c u l tt oa g r e eo na c c e p t a b l et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c sa m o n g m u l t i p l er e c e i v e r so f t h e s a m ev i d e os t r e a m n o w a d a y s ，a d a p t i v er a t ec o n t r o li st h eb a s i ca n ds i g n i f i c a n tt e c h n i q u eo fv i d e o m u l t i c a s ts y s t e m si nt h ei n t e r n e t t h e s ea d a p t a t i o na p p r o a c h e sa r ea l ld e s i g n e db a s e d o nt h eb e s t e f f o r ts e r v i c et h a t t o d a y s i n t e m e tc a r t p r o v i d e ，t h e yp r e s e n t t w o d r a w b a c k s - - u n s t e a d i n e s so fv i d e or e c e i v i n gq u a l i t ya n dn oc o n s i d e r a t i o no fi n t e r s e s s i o nf a i r n e s s w eb e l i e v er e s o u r c er e s e r v a t i o nu n d e rc e r t a i nf a i r n e s si st h ee 箭c i e n t w a yt o s o l v et h e s ep r o b l e m s a m o n gt h e e x i s t i n ga d a p t a t i o na p p r o a c h e s ，l a y e r e d s o u r c ec o d i n ga n dl a y e r e dt r a n s m i s s i o ni s u n i v e r s a l l yc o n s i d e r e da st h eb e s tw a yt o s o l v et h ep r o b l e mo fh e t e r o g e n e i t y , b u tc u r r e n tm e c h a n i s m so ft h e md o n tc o n s i d e r s o u r c ea d a p t a t i o n - - t h a ti s ，t h es o u r c eg e n e r a t e saf i x e dn u m b e ro f l a y e r s ，e a c ha ta f i x e dr a t e s ot h e ya r en o ta d e q u a t ee n o u g ht oo p t i m i z en e t w o r ku t i l i z a t i o na n dv i d e o r e c e i v i n gq u a l i t y w eb e l i e v ea na t t r a c t i v e s o l u t i o nt ot h i s p r o b l e m i st ou s ea n a d a p t i v e 、d y n a m i c 、m u l t i l a y e r e d v i d e oe n c o d i n gm e c h a n i s m t oo v e r c o m et h ee x i s t i n gd r a w b a c k so fc u r r e n ta d a p t a t i o na p p r o a c h e sf o rv i d e o m u l t i c a s t ，w ep r e s e n tad y n a m i cr e s o u r c er e s e r v a t i o nb a s e d 、a d a p t i v el a y e r e dv i d e o m u l t i c a s ta r c h i t e c t u r ei nw h i c hw ec o m b i n e d a d a p t i v em u l t i l a y e r e dv i d e oe n c o d i n g 、 d y n a m i c r e s o u r c er e s e r v a t i o nm e c h a n i s mw i t h l a y e r e dt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m t i g h t l y ，t h ea r c h i t e c t u r ei n v o l v em a n yn e wt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gf a i ra n dd y n a m i c b a n d w i d t h r e s e r v a t i o n 、a d a p t i v em u l t i l a y e r e dv i d e oe n c o d i n g 、a c t i v el a y e rf i l t e r i n g a n da d a p t i v e l a y e r - m a p p i n gf o rm u l t i p o i n t - t o m u l t i p o i n tv i d e om u l t i c a s t w es t u d y t h o s e t e c h n i q u e st h o r o u g h l y a n d d e e p l y f o rs t e a d yv i d e or e c e i v i n gq u a l i t ya n di n t e r - s e s s i o nf a i r n e s s ，w ep r e s e n ta n d d e s i g n t h e d y n a m i cq o s l e v e l b a s e dm a x - m r nf a i m e s sb a n d w i d t hr e s e r v a t i o n a l g o r i t h mi n n e t w o r kl e v e lf o rt h ef i r s tt i m e t h ea l g o r i t h m p r o b e s a n dr e s e r v e s b a n d w i d t hp e r i o d i c a l l ya n df a i r l yb a s e do nl i n e - e l e m e n t ，w h i c hi st h ep a t hb e t w e e n a n y t w o b r a n c h i n g n o d e sb o r d e r u p o n t h ea l g o r i t h m c a nu t i l i z et h ec u r r e n t b a n d w i d t hr e s o u r c e sa d e q u a t e l yb e c a u s eo fi t sd y n a m i cb e h a v i o ri nd y n a m i ci n t e m e t 国防科学技术大学研究生院学位论文 i no u ra l g o r i t h m ，d i f f e r e n tl i n e e l e m e n tm a yh a v ed i f f e r e n tb a n d w i d t h a ts a m et i m e ， t h es a m e l i n e e l e m e n t m a y h a v ed i f f e r e n tb a n d w i d t ha td i f f e r e n t t i m e ，s o h e t e r o g e n e i t y i ss t i l le x i s t e n ta n dt h eh e t e r o g e n e i t yi sd y n a m i ci no u ra r c h i t e c t u r e t h e a l g o r i t h m i sd e s i g n e dw i t hl i t t l ec o m p l e x i t ya n dl i m i t e df a i m e s sc o n v e r g e n c et i m e t oo p t i m i z en e t w o r ku t i l i z a t i o na n dv i d e oq u a l i t y , w ep r e s e n ta d a p t i v el a y e r e d v i d e oe n c o d i n ga n da d a p t i v el a y e rm a p p i n gm e c h a n i s m si na p p l i c a t i o nl e v e l ，i nw h i c h n u m b e ro f l a y e r s 、r a t eo f e a c hl a y e ra n dl a y e rm a p p i n g c h a n n e lc a nb ed y n a m i c a l l y a d j u s t e d t o a d a p t t oc u r r e n tn e t w o r ks t a t u s a l lt h e s ea d a p t a t i o n a l g o r i t h m s a r e i m p l e m e n t e de f f i c i e n t l yw i 也l i t t l ec o m p l e x i t y , a n dt h e y a l lp r o v et oi m p r o v en e t w o r k b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dv i d e or e c e i v i n gq u a l i t yr e m a r k a b l yi nt h e p r e s e n c e o f v a r y i n g b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s t os e t t l e h e t e r o g e n e i t yp r o b l e m ，w ep r e s e n t n e t w o r k - b a s e da c t i v e f i l t e r i n g a p p r o a c h ，i nw h i c he a c hu s e rr e c e i v e st h eb e s tq u a l i t ys i g n a lt h a tt h en e t w o r kc a r l d e l i v e rb ys e l e c t i v e l yf o r w a r d i n gs u b s e t so fl a y e r sa tc o n s t r a i n e dn e t w o r kl i n k s i t r e a l i z e si n t e r r e c e i v e rf a i r n e s s i ti se a s yt oi m p l e m e n ta n dc a ng r e a t l ye a s et h eb u r d e n o fr e c e i v e r s r a t ea d a p t a t i o n i no u ra r c h i t e c t u r e ，a p p l i c a t i o nl e v e la d a p t a t i o nr e l i e so ne x p l i c i tr a t ef e e d b a c k ， s of e e d b a c ki m p l o s i o ni st h ep o t e n t i a lp r o b l e m f o ro n e t o m u l t i p o i n ts e s s i o n ，w e p r o p o s em e r g i n g f e e d b a c km e c h a n i s mw h i c hs e t t l e sf e e d b a c ki m p l o s i o ne f f i c i e n t l yb y m e r g i n gf e e d b a c ki n f o r m a t i o np a c k e t si nt h ei n t e r m e d i a t en o d e f o rm u l t i p o i n t - t o m u l t i p o i n ts e s s i o n ，w ep r o p o s er e c e i v i n ga g e n tm e c h a n i s mw h i c hs e a l e sf e e d b a c k i m p l o s i o nb yl i m i t i n gt h en u m b e ro fr e c e i v i n ga g e n t s w i t l lt h e r e s p o n s i b i l i t y f o r f e e d i n gb a c ki n f o r m a t i o n r e c e i v i n ga g e n ti ss e tu pb y t h eu n i to f r e g i o n a st h ek e y t e c h n i q u eo f c u r r e n ta n df u t u r ei n t e r a c tv i d e oa p p l i c a t i o n s ，m u l t i c a s t d i s t r i b u t i o no fr e a l - t i m ev i d e oh a sb e e nb r i n gm o r ec o n c e m w eb e l i e v eo u re f f o r t s w i l le s t a b f i s ha g o o d t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l f o u n d a t i o nf o rr e a l t i m ev i d e o m u l t i c a s t se x t e n s i v e a p p l y i n g k e y w o r d s ：a d a p t i v er a t e c o n t r o l ，v i d e om u l t i c a s t ，i n t e r - s e s s i o nf a i r n e s s r e s o u r c e r e s e r v a t i o n ，l a y e r e d s o u r c ec o d i n g a d a p t i v el a y e r e d v i d e o m u l t i e a s t ，a d a p t i v el a y e r - m a p p i n g a c t i v el a y e r f i l t e r i n g ，m e r g i n gf e e d b a c k ，r e c e i v i n ga g e n t 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 随着计算机处理性能和网络速度的日益提高、多媒体技术的飞速发展和广 泛应用以及因特网的迅猛发展，使得支持视频传输的技术研究成为一个热点。 以往的研究大多数只基于点到点单播( u n i c a s t ) 视频传输方式，而当前许多网 络视频应用往往具有组播( m u l t i c a s t ) 特性，即一个发送方可以同时对应多个接 收方。组播视频传输技术的研究比之单播视频传输更具有挑战性，是当前的一 个热点研究领域。 1 1 立题背景、目标和意义 视频组播发布已是并将是许多因特网应用的重要组成部分，这类应用如视 频会议、远程学习、r e m o t ep r e s e n t a t i o n 和m e d i a o n d e m a n d 等。随因特网基础 设施的改善、端系统处理能力的不断增长，尤其是因特网组播骨干网m b o n e 【1 【她 的不断完善和发展使组播视频应用日益变得可行。 在因特网中进行组播视频发布必须满足以下两个条件： 组播数据传送支持机制 满足数字视频实时传输要求 因特网中组播数据的传送机制是近些年来的研究重点n m ，目前已是比较 成熟的技术。而在因特网中，组播视频的实时传输却是一个充满挑战的研究领 域，其存在以下几个基本问题： 1 ，当今的因特网是尽力而为( b e s t e f f o r t ) 型网络，缺少对确保服务质量 的支持，从而难以保证压缩数字视频传输的实时要求。 首先，实时视频数据往往以周期性( 如每隔1 3 0 秒就产生一帧) 、变速率 ( 如每帧所包含的数据位数随帧的不同而不同) 方式在视频源产生，为在接收 端正确播放视频信息，则需要维持视频帧播放的周期性。在接收端，那些在规 定播放时间未到达的视频数据被认为是丢失数据。为满足视频播放的周期性要 求，网络延迟抖动( d e l a yj i t t e r ) 必须要小，而因特网是难以保障的。接收端虽然 可以利用缓冲技术吸收定的延迟抖动，但接收端可用的最大缓冲区尺寸却决 定了该吸收能力的大小，而且即使缓冲区尺寸足够大，虽可以吸收大的延迟抖 动，但却增加了端端延迟，不利于交互式应用。 其次，实时视频应用对压缩数字视频流中的随机丢失率具有一定的容忍度， 而网络拥塞会导致大量的报文丢失和大的报文端端传输延迟，从而导致接收端 解码视频质量的严重下降。 最后，因特网的尽力而为特性会导致接收端视频接收质量的抖动，网络的 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 动态特性越强，则抖动可能会越大，从而严重影响视频的可视性。 2 视频传输的组播特性带来了另一个问题，即异构性问题。网络和应用规 模的增加不可避免地带来异构性问题：组播树不同分枝上的可用带宽往往有很 s 图1 - 1 视频组播异构性 大差别，不同接收方具有不同的处理 能力等( 当压缩视频数据采用软解码 时该能力尤其显得重要) 。异构性使得 一组播视频传输变得十分困难。如图1 - 1 。 中，假设接收方r ，、胄：和r ，的处理能 力无限，则r ，的最大接收速率可达到 j 5 m b p s ，r 2 可达到o m b p s ，而r ，只 能达到o 5 m b p s 。如果发送方s 采用接 收方中的最小接收速率作为组播视频发送速率，则显然对r 。和r ：不公平，而如 果发送方s 采用接收方中的最大接收速率作为组播视频发送速率，则又会导致 r ，、r ；不能正确接收视频数据。 3 除上述同一视频组播会话的接收方之间存在公平性问题之外，不同会话 间也存在公平性问题，该问题是由某特定组播视频会话与网络中其它会话流的 相互作用引起的。为实现网络资源在不同会话间的公平共享，需要在网络中和 视频组播协议中实现一定的共享机制。 针对因特网中的组播视频的实时传输闯题，本文的研究目标是： 会话内公平性本文采用龉1 中的公平思想，即理想情况下，每个接收方 都独自按自身处理能力和发送方到该接收方路径上的带宽接收视频数 据，而不受其它接收方接收能力的影响。如图1 - 1 中，理想的会话内公 平情形是，r ，的接收速率为j 5 m b p s ，r ? 的接收速率为o m b p s ，而r ， 的接收速率为o 5 m b p s ； 会话间公平性实现网络资源在不同会话间被公平共享； 视频接收质量的稳定性保证接收方视频播放质量的一定稳定性，提高 视频可视性； 带宽使用的充分、高效性在动态网络情形下，当网络资源可用时，能 及时利用该部分资源，提高传输质量；在组播报文进行传输时，尽量提 高网络带宽的利用率： 高的整体视频接收质量在当前网络状态下，尽量提高会话的整体接收 质量，该目标的实现依赖于带宽使用的充分、高效性： 组播视频实时传输问题的有效、全面解决是组播视频应用得到实际广泛运 用的关键。因此对其的研究与实现，对当前和未来因特网中的许多重要视频应 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用，都将具有重要的意义和巨大的实用价值，拥有广阔的应用前景。 1 2 研究现状及不足 针对报文分组交换网络中的组播视频传输的研究开始于2 0 世纪9 0 年代初， 1 9 9 2 年才在m b o n e 上出现第一个基于组播的视频会议工具f 坩【6 】。迄今为止， 视频组播技术远未成熟，应用也才刚刚起步。随因特网和多媒体技术的日益发 展，视频应用的前景也被日益看好。近年来，国外已有多家研究机构积极开展 组播视频的研究工作，最具有代表性的有美国的加利福尼亚大学的伯克利、劳 伦斯伯克利国家实验室l b l 、康奈尔大学、哥伦比亚大学、x e r o x 研究中心、 i e t f 、l u c e n t 的贝尔实验室等，而国内此类研究还很少。 目前，因特网中的组播视频实时传输技术，可以归为两类： 第一类：在因特网中加进服务质量支持，以允许视频应用能够预约资源， 并建立数据传送延迟，延迟抖动和数据丢失率约束“。1 “。 第二类：利用自适应速率控制技术依当前网络可用资源状态来调整视频业 务流传输特征e i 2 - i 6 。 其中第二类方式被认为具有更大优势，因为该类方式不需要或很少对当前 因特网做修改就能实现。本文的组播视频机制除了需要动态资源预留支持外， 并不需要网络提供其它的服务质量支持，其属于第二类机制，因此在此只对第 二类的研究现状做详细描述。目前，视频组播传输自适应速率控制技术大体可 以分为三类方式，即基于源的自适应方式、基于接收方的自适应方式和基于网 络的自适应方式。下面各节将具体阐述这些方式的自适应机理及不足。 1 2 1 基于源的速率自适应 视频位速率随压缩模式、画面复杂度和运动级别( m o t i o nl e v e l ) 的不同的 而不同。因此一般情况下，视频编码器的输出是变速率的。当在传统的常速率 c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) 网络如电话和有线电视网中传输时，需要在源编码器 上对视频速率进行自适应控制以维持一个常速率。如图卜2 ，在该图中，视频 信号进入一个速率可调的编码器，该编码器的速率可通过编码参数进行控制。 图1 - 2 常速率网络视频速率适应 编码器的输出进入一个以常速率排空的平滑缓冲区，从而与底层常速率信道的 速率匹配。平滑缓冲区的瞬间状态用于控制编码过程的编码参数如q u a n t i z a t i o n 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的值。如果平滑缓冲区填充得过快，则提升q u a n t i z a t i o n 以减小编码器的输出速 率。而如果缓冲区排空得过快，则减少q u a n t i z a f i o n 的量以防止缓冲区下溢。这 种通过调整压缩参数来调整视频输出速率的方式称为m e d i as c a l i n g ，如h e i t s t “ 系统就使用了该技术。 对视频数据报文在变速率动态网络如因特网中的传输可以利用相似的反馈 控制机制，如图卜3 。在这种情形下，反馈控制信息可来自于网络( 如交换或 图1 3 变速率网络视频速率适应 路由设备中报文的排队延迟信息) 或来自于端系统( 如接收方的报文丢失率) 。 视频编码速率则根据不断变化的网络状态进行适应。值得注意的是，当前因特 网中的自适应视频传输系统往往没有利用来自网络的反馈信息而仅仅利用了来 自端系统的反馈信息。 基于源的方式包括单流自适应方式和目标集分组d s g ( d e s t i n a t i o ns e t g r o u p i n g ) 5 】【1 8 方式。在单流自适应方式中，源只传输单一视频编码流，接收 方负责向源发送反馈信息，如报文丢失率，源利用反馈信息来对视频编码输出 速率进行自适应控制。i n r i a 视频会议系统f 坩 6 i9 】中就采用了单流自适应方式。 单流自适应方式，虽是最直观的，但却具有以下问题： 难以保障会话内公平性在单流自适应方式中，在任意时刻，源只具 有单一的视频信息输出速率，在异构性环境中，那些接收能力高于当前 视频输出速率的接收方无法获得公正待遇，而那些接收能力低于当前视 频输出速率的接收方又难以正确接收。无论怎样调整源输出速率，公平 性始终无法得到满意解决； 反馈爆炸问题当大量接收方都试图向源端反馈信息时就会出现该问 题，当前采用的概率反馈机制 b 1 2 0 只部分解决了反馈爆炸问题： 网络带宽充分利用问题该问题韵关键是源能够探测到当前网络可用 带宽资源的增加。而在尽力而为型网络中，报文丢失率是唯一可以用来 确定当前可用带宽资源的机制，因此源必须通过尝试提高输出速率并监 测报文丢失率才能知道当前网络拥塞是否已经解除。该过程具有很大的 盲目性和滞后性： 接收质量的稳定性难以保障在动态性很强的网络中，由于适应的随 机特性，视频接收质量的稳定性难以保障，影响视频播放的可视性。 另一种基于源的自适应方式为目标集分组方式，该方式是对单流自适应方 式的简单扩展，主要目的是解决异构性问题。在该方式中，源同时发送多个流， 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 每个流携带具有不同质量、不同位速率但属于同一视频的信息数据。一般情形， 该方式利用一组独立的编码器对同一视频信号进行编码，不同的编码器具有不 同的输出速率( 通过受控q u a n t i z a t i o n ，象素s u b s m n p l i n g ，或帧s u b s a m p l i n g 来实 现) ，该方式通常称为同播( s i m u l c a s t ) ，图1 4 给出了一个简单的同播编码示例， 在该图中，同一视频信号被输入到多个独立的编码器，每个编码器以不同的速 率( 具有不同的播放质量) 对视频信号进行压缩。最后，每个解码器从相应的 编码器接收信号并独立地对信号进行解压缩。 图1 - 4s i m u l c a s t 视频编解码 在d s g 方式中，每个流在不同的组播组中进行传输，接收方可以根据其自 身能力加入适合的组。接收同一流的所有接收方构成一个组，在该组中，采用 类似于单流自适应的控制机制，接收方的反馈信息被用来调整相应组的视频输 出速率。在该方式中，接收方可以随其接收能力的变化而在不同的时间加入不 同的组。该方式虽在一定程度上解决了异构性问题，实现了一定的公平，但该 方式具有一个致命的弱点，即： 网络资源利用率低d s g 方式要求网络传输冗余信息，因此将耗费大 量带宽。 1 2 2 基于接收方的速率自适应 该自适应方式基于视频层次编码机制和分层组播传输机制。其典型代表为 m c c a r m e 提出的接收方驱动的分层组播r l m ( r e c e i v e r d r i v e nl a y e r e d m u l t i c a s t ) 机制h 2 。当前许多视频压缩编码机制具有将它们的输出位流进行分 层的能力，如分成一个基本层次( b a s el a y e r ) 和一个或多个增强层次( e n h a n c e m e n t l a y e r s ) ，基本层次可以进行独立解码，其提供基本的视频质量，而扩展层次需 要和基本层次一起才能够解码，其提供更高的视频质量。不同的视频编码层次 数据在不同的组播组中传输，接收方根据其自身能力及当前网络状态来决定其 加入的组播组的数目。接收方接收速率越高，则加入的组播组数就越多，从而 笫5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 接收到的视频层次就越多，回放的视频质量就越高。 分层媒体流 2 1 2 8 】在实时多媒体传输中是最常用的一种用于处理接收方异构 性的方式。因为利用单个网络信道( 一个组播组) 发布实时多媒体信息只能支 持一个服务质量级别。而在分层媒体流模型中，源通过多个网络信道发送不同 的媒体层次数据以同时支持多个服务质量级别，每个接收方独立地通过调整其 接收的层次数来调整其接收速率。其网络效果是信号以不同的速率、不同的服 务质量级别传输给异构的接收方集合。为实现该体系，有两个子问题必须解决， 即层次压缩问题( 1 a y e r e dc o m p r e s s i o n ) 和分层传输问题( 1 a y e r e d t r a n s m i s s i o n ) 。 给定某视频帧序列 一，e ，) ，例如，r 0 , 2 5 5 6 4 04 8 0 灰度级n t s c 视频，对层次编码方式e ，其可以将给定帧映射成个离散层次 e ：e g ， 并找到一种解码方式d ，其可以将r 工个离散层次重新映射成一个新的帧刀。： d ：t c i ，c 、专f 对0 m 三，及适当选择的评价参数d ( 如平均s q u a r e d 错误或可视失真 度) ，具有如下属性： d 叮k ，f 0 、d 叮k ，聪) 利用上述分层技术，编码器可以产生出能在多个网络信道 m ，m ) 上传输的 离散视频编码层次，在信道m 上传输 c ，c 广) 序列数据，而接收方根据其自 身能力对上述信道集合的某个子集 ， 协中的信道进行订阅，并重构视频 帧序列 日“，矽，) 。 层次视频编码器( 1 a y e r e dc o d e r ) 不同于同播视频编码器，其充分开发了视 频子流间的相关性，能够实现更好的整体压缩效果。在层次编码方式中，输入 视频信号被压缩成一定数量的离散层次，它们以层次方式组织以提供递增的视 频质量。例如，如果仅仅第一个视频层次数据被接收，则解码器将只能产生最 低质量的视频信号。而如果解码器接收到了两个视频层次数据，其就可以将第 二个层次的信息与第一个层次的信息结合起来产生具有更高质量的视频信号。 总之，视频信号质量随接收到的和被解码的层次数目的增加而不断改善。层次 视频编码器的概念结构见图1 5 。层次视频压缩的研究见邵1 1 2 5 - 3 0 】。视频分层能被 图1 - 5 层次编解码 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 当前许多视频压缩技术支持，m p e g 。2 国际标准【3 ”通过定义四种伸缩模式来支持 层次编码，其他的一些技术也提供视频分层支持，女n p v h ( p r o g r e s s i v e v i d e ow i t h h y b r i dt r a n s f o r m ) 3 2 l ，d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 3 3 】和多速率3 ds u b b a n d 视 频编码1 等。当前存在大量的分层编码机制，包括基于累进d c t 的机制i ”3 。， s u b b a n d 编码 3 7 - 3 9 和p y r a m i d a l 编码 4 0 l 。 通过将层次压缩编码机制与分层组播传输机制 1 2 2 7 “。4 8 1 结合，则可以有效 解决视频组播中的异构性问题。在分层组播传输体系中，每个视频编码层次利 图1 6 分层组播 用一个独立的网络信道来传输，如图 卜6 所示( 每个层次的编码速率都为 o 5 m b p s ) 。网络根据各物理链路上的 r ，传输能力传输相应数目的视频层次， 在该例中，接收方r ，只能接收视频基 ，本层次的数据，而r ：可以接收两个层 次的视频数据，而r ，可以接收所有的 三个层次的视频数据，因此利用分层 传输技术，组播异构性问题能得到很 好解决。而且分层组播不象d s g 机制， 其并不浪费网络带宽，因为各层次是互不相交的。 基于接收方的自适应方式，其虽然有效地解决了异构性问题，而且没有反 馈爆炸问题，但其仍然存在以下问题： 源编码层次数和各层次编码参数固定，网络资源利用率和视频接收质量 在动态网络环境中难以获得最优； 接收方负担重，为探测网络可用带宽是否增加，每个接收方都必须周期 性地进行i o i n 尝试并监测报文丢失率； 接收方是通过不断加入和退出组播组来适应网络状态变化的，导致组播 树结构经常变化，加重了路由器的负担，而且收敛慢： 随网络动态性加强，接收方视频接收质量将出现大的抖动。 1 2 3 基于网络的速率自适应 与在源端调整传输速率不同的是，一部分研究人员建议在网络中对视频流 速率进行调整。在该方式中，通过在网络中组播树的每条分枝上调整传输速率 。与可用带宽精确匹配来解决网络异构性问题。如p a s q u a l e 等人提出的过滤器机制 4 9 1 ，在该机制中，接收方通过某端口连接到组播信道，并可在该端口上设置一 过滤器，接收方可以指示网络将视频流从高速率转换为低速率。r t p 体系允许 在r t p 会话间利用应用层网关来实现媒体格式转换和速率自适应，t u r l e t t i 年0 b o l o t 给出一个基于该模型的体系，v i d e og a t e w a y s 被放置于网络中，其可以将组 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 播树上的视频信息转换成低速率的编码信息。该v i d e 0 1g a t e w a y 体系首次在a m i r 等人的馏“5 0 1 中得到完全开发和应用，在州中，可以将高速率的m o t i o n j p e g 视频转换成低速率的h 2 6 1 。而1 却针对m p e g 视频，采用有选择地丢弃报文来 实现视频传输速率与当前网络带宽的匹配。t e r m e n h o u s e 并【l w e t h e r a l l 的主动网络 体系1 s z 为网络中的速率自适应提供了极其通用的方式，在该体系中，网络结点 可以进行任意的运算，其不仅可以实现网络功能而且可以实现特定于用户的算 法。 网络自适应方式具有适应速度快，适应粒度小，网络资源利用充分等优点， 但当前的网络自适应方式具有以下问题： 算法复杂尤其是通过视频编码格式变换来实现速率适应的算法： 往往需要特殊网络支持，难以实现； 会存在网络资源浪费现象，尤其是当上游可用资源高于下游可用资源 时： 接收质量稳定性难以保障。 1 2 4 因特网组播视频应用 1 x e r o xp a r c 网络视频应用 最早得到广泛应用的因特网视频传输应用是x e r o xp a r c 的网络视频工具 n v 5 。作为早期r t p 5 们草案标准开发的重要原形，月v 基于开环实时视频组播 传输，可以有任意个接收方。n v 是一个仅针对视频的应用。n v 独特新颖之处在 于其基于h a a rw a v e l e td e c o m p o s i t i o n 的c u s t o m 编码机制。该压缩算法是特意为 因特网量体定制的，其软件实现是很高效的。t v 压缩机制并不具备分层表示功 能。除c u