（电子科学与技术专业论文）大规模视频点播系统建模及优化理论研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 新的非均匀智能分段方法u e s m ，针对均匀的周期性1 ：播分段方法e s m 、会字塔 广播p b 和摩天大厦广播s b 方案进行比较仿真研箩南获得响应用户v c r 请求的 等待时间的理想结果和最佳的用户等待时间标准偏差、系统拒绝概率和信道吞吐 能力等方面的优越性。u e s m 算法对历史信息进行数据挖拥 ，揭乐用户剥视频1 ， 目内容感兴趣程度的潜在分布规律，具有良好的自适应能j 和学习智能，算法+ h ： 能分析和模拟实验的结果说明该方法在实际应用中是可行i | 高效的。尹 针对视频点播中v c r 操作的业务特性，本文第六荜挺_ 。种攀j ：m u jl lc t 视频显示同步控制( d r s c ) 策略。，它采用最小帧间距离l i 动t 7 优变速控制方法实 现v o d 的交互性( 异步启动和v c r 控f b 0 ) 、q o s 、系统资源和网络带宽等坯i 褒之 间的良好折衷。第六章给出d r s c 的具体算法，讨论等待模式和追赶模式两靴实 现方法，并对算法性能进行评价分析，给出应用该算法的约束条什。该疗法”j 以 有效地降低用户v c r 操作响应l i , l 、司，f 动调节系统并发流的数日，从f m 改进系 统交互性并提高网络带宽利用率。 总之，本研究在大规模交互式v o d 系统的理论模型建立、视频源存储、系 统资源调度、v c r 交互性控制等方面进行了较具创新。h - ：i l qr ：作，提卅系列新颖 的解决方案、实现策略和计算方法，并通过理论分析和仿真实验证实本文i 。作相 比于前人研究的理论意义和实用价值。本研究在改善系统资源利用效率，减少用 户点播响应利间，提高系统吞吐量、降低用户撤销概率等方而取得良好结粜。，小 文的理论价值与实践意义将在未来的宽- 带多媒体通信技术j 业务发展的惠川莉l 研 究中得到不断体现和考验。、1 t 关键词：视频点播、排队论、多点组播、视频存储? 系统调度、模糊控制! 批处理 q tl 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t t e c h n o l o g i c a l a d v a n c e sl nb r o a d b a n da c c e s s a e t w o r k st r a n s f e r v i d e o e n c o d i n g d e c o d i n ga n dh o s tp e r f o r m a n c eh a v em a d ev i d e o - o n - d e m a n d ( i ev o d ) s e r v i c ef e a s i b l e t os o m ee x t e n t b e c a u s eo f t h es t r i a g c o tr e q u i r e m e n t sf o rn e t w o r k sb a n d w i d t ha n ds y s t e mr e s o u r c e s i l l v o d s ，t h e 如p l i c a t i o no fl a r g e - s c a l ei n t e r a c t i v ev o d si s f a rf r o mp e r f e c t t o d a y , t h e r ei s s t i l l a b s e n c eo fb e t t e rt h e o r e t i c a lm o d e li ul a r g e s c a l ev o d s a n dt h i sn m k e sad i r e c t e f f e c to l lt i l e s y s t e md e s i g n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dw i d ea p p l i c a t i o ns oi ti su e c e s s a r ) ，t om a k en a c r ep r o g r e s s i n v o d s i nt i l ed i s s e r t a t i o n at h e o r e t i c a lm o d e lh a sb e e np u tf o r w a r dw i t hf u l lc o n s i d e r a t i o no fl l a n l a l l f a c t o ra n dt e c l m o l o g i e a lb a c k g r o u n do fo n - d e m a n df r o mt h ep r a c t i c ei nv o d a p p l i c a t i o n s o n i c i m p o r t a n tt e c l m i q u e ss u c ha sr c s o l l r c cs c h e d u l i n g v i d e os t o r a g ea a di n t e r a c t i cc o n t r o la r cd e c p l ) r e s e a r c h e da n ds e v e r a ln e wi d e a sh a v eb e e np r e s e n t e da sw e l la ss o m ei n l a o 、a t i o n st h e a d v a u t a g e o fo u rm o d e la n di n n o v a t i o n sh a sb e e nv e r i f i e db yt h e o r e t i c a la n a l ) s i sa n da g r e a tn t l l n b o ro f s i m u l a t i o n s i nc h a p t e rj t h ep o s s i b i l i t ya n dn e c e s s i t ) o ft h ed e v e l o p m e n l0 1 1v o ds e r v i c e sa r ef i r s t h d e m o n s t r a t e d t h em p e ga n da c c e s sn e t w o r k sa r e s e c o a d l y d e s c r i b e di r td e t a i la n ds o n l e e x p e r i a r e n t sa r et i f f r d l yi n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 t i l ei m p o r t a n tt e c l m i q u e sa n dp r o t o c o l so nh o w1 0r e a l i z ev o do ni pn e t w o r k sa r c i n t r o d u c e da n dt i l ea r c h i t e c t u r eo fv o dw a sd e s c r i b e do nt h ee n g i n e e r i n gt i l ec h a p t e rs h o w si p m u l t i c a s t a l i a l y z e st i l em u l t i c a s tp r o t o c o lo fr o u t es e l e c t e d d i s c u s s e si ud e t a i ls t r e a m m gm e d i a t e c b n i q u ea n dc o r r e l a t i v ep r o t o c o l ss u c ha sr t p ，r t c p ，r t s pa n dr s v p d e n l o n s t r a t e so l lt h e d e v e l o p m e n to f n e wi pt e c h n i q u ea u dt i l ef e a t n r c so fi p v 6 a n dp r o b e si n t oi po v e ra t m i po 、，c f s d h i po v e rd w d ma n do p t i c a li n t e r n e t w o r k m ga i jt h ea b o v e - m e r t i o n e dj | c l n sj 1 a sd i s p l a ) ，e da b e a u t i f u lf u t u r eo fi pa p p l i c a t i o ni nw i d ef e l d s i n c h a p t e r3 ，t h ea u t h o rh a sb r o u g h tt i l e b a s i cp r i n c i p l e so fa l o d c r nq u e u et h e o d i n t ot i l e s t u d yi nu n i c a s t b a s e dv o ds y s t e m w h i c hi sw i d e l ya p p l i e dt o d a yf i r s t l ys e i n ef u n d a m e n t a l q u e u e i n gp r o b l e m so l lu v o da r ei n t r o d u c e d s e c o t a d l yt h ea u t h o rm a k e sa f o r t h e rd i s c u s so n m m 1 q u e u e i n gs y s t e m ，l i t t l ef o r m u l aa n dt h eb i r t h - d e a t hp r o c e s s e s r e l a t e dt ot h es t a t et h e c h a p t e r h a sm a d ead e t a i l e d a n a l ) s i s o nf i v e q u e u e i n g m o d e l su s e di n s y s t c l l ld e s i g n a n d p e r f o r m a n c eo f v o d s ，w h i c h h a sp r o p o s e ds o n l cc o m p u t a t i o n a ll n e t h o d sc o n c e r n i a gh o wt od e s i g n t h ec h a n n e ln u m b e r so fav o d s y s t e mt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o u s h i pa m o n g t i l ef o l l o w i n gf a c t o r si s e m p h a t i c a l l y s t u d i e d ：t r a f f i c i n t e n s i t y p ，a s e r sa v e r a g ea r r i v a l sr a t e ，s y s t e l nc h a n n e l e d p a b i l i t yn ，s y s t e ml a t e n c yp r o b a b i l i t y , b l o c k i n gp r o b a b i l i t y , n l e a nq u e u el e n g t h ，u l e a nw a i t i n g q u e u el e n g t h s y s t e mf l w o u g h p u ta n d s oo “ t h er e s e a r c ho fc h a p t e r4f o c u s e so nt h em u l t i c a s t - b a s e ds c h e d u l i n gp o l i c i e sa n dt h e i r o p t i m i z a t i o n s e v e r a lc l a s s i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ef i r s t l ) i n t r o d u c e da n da n a l y z e ds u c ha s f c f s ，m q la n dm f q la n e wo p t i m a ls c h e d u l i n gp o l i c y , c a l l e da sm d p , i sd e v e l o p e df r o m m f q l ，a n di ta l l o c a t e sa ni d l ec h a l m e lt ot i l eg r o n pw h i c hh a st i l e l n a x i l n n l no fs u l no fd e f e c t i o n t 1 1 华中科技大学博士学位论文 p r o b a b i l i t yo rf l l a to fs u l no fl a t e n c y b yt h ee x p e r i m e n t sw i t hm d e t h eg o o dr e s u l l si 1 1t h r o u g h p u t a n dd e f e c t i o np r o b a b i l i t y , w h i c hi st i mg o a lt oo p t i m i z e ，h a v eb e e na c q u i r e db e s i d e s c h a p t c r4 p r o p o s e saf u z z yc o n t r o ls c h e d u l i n gp o l i c yc a l l e da sf c s p , a l o n gw i t hw h i c ht h e u s e r sc l a s sa n d c o s th a v ea l s ob e e na n a l y i e dt i l em e t h o do ff c s pp r o v i d e s an e ww a yt ou l a x l n l l z et h e c o m n l e r c i a lp r o f i ta tt i l ee n do ft i l ec h a p t e r , t w ou o v e lt h r e s h o l d b a s e ds c h e d u l i n gs c h e n l e sc a l l c d a ss a t f t na n da l b pr e s p e c t i v e l ) l l a v eb e e nd e v e l o p e df r o mt h ef o r l n e rs a t fb o t hs c h e l n e s m a k eac o m p r o m i s eb e t w e e nt i m ea n ds p a c e ，a n dt h es i m u l a t i o n ss b - o x xt h i r eg o o dp e r f o r m a n c e0 1 1 t h r o u g l l l p u t ，l a t e n c ya n db l o c k i n gp r o b a b i l i t y 1 c h a p t e r5 i l i a k e sa l li n n o v a t i o n 0 1 1 f r a g m e n t a t i o n o fv i d e os o u r c ef o r1 1 1 er e a l i z a t i o no f i n t e r a c t i v ef u n c t i o no fv o d san o v e lu n e q u a li n t e l l i g e n tf r a g u l e n t i n gm e t h o dc a l l e da su e s m i s i p r o p o s e dc o m p a r e dw i t hp e r i o d i c a lb r o a d c a s t i n g m e t h o de s m p 3r a m i db r o a d c a s t i n gp ba n d s k y s c r a p e rb r o a d c a s t i n gs bb ys m m l a t i o u s ，t h es c h e m eo fu e s m h a sa c q u i r e dg o o do u t c o m e si n t i l el n e a nl a t e n c yo fv c r r e q u e s t sa n dt i l eb e s tp e r f o r u l a u c eo fs t a n d a r dd e 、i a t i o no fi l s e rl a t c n c 3 ， s y s t e md e f e c t i o np r o b a b i l i t ya n dt h r o u g h p u to fac h a n n e lu e s m c a l ld od a t al n i u i l l g1 1 1h i s t o r i c a l l n f o r m a t i o na n dr e v e a lp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nl a wo ft h ed e g r e eo fa n d i e u c e si n t e r e s t si ut h exi d e o c o l l t e u tt i f f ss c h e n l eh a sg o o da d a p t i v ea b i l i b a n dl e a m i u gi n t c l l i g c n c et h ep e r f o r m a l l c ca a a bs i s a n de m p i r i c a lr e s u l t sv e r i f i e d 山a tt i l es c h e u l ew a sb o t hf e a s i b l ea l l dc f f i c i c n t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f v c r o p e r a t i o ni nv o ds e r v i c e c h a p t e r6o f f e r e dap o l i c 3 w i t bd i i r e r e n t i a l r a t es y n c h r o n o u sc e n t r e l ( d r s c ) o i lv i d e od i s p l a ) r a t et h cp o l i c ) i sa b o u tl i o x x t of i n dt i l em i n i m u md i s t a n c eb e t w e e nu v sf u n i c a s tv i d e os t r e a m ) f o rv c r r e s p o n s ea n dn o r n l a l m v sf m u l t i c a s tv i d e es t r e a m ) s oa st oc h a u g et h ep l a y b a c k r a t ef o rt h cs xn c h r o a i z a t i o aa t u v s a n dm v st i l em e t h o di sag o o dt r a d e o f ra t n o u gi n t e r a c t i v ep e r f o r n l a n c e ( cga s y l l c h r o l l o u s i j s t a r ta n dv c rc o n t r 0 1 ) q o s s 、r s l e n lr e s o u r c ev , , o r k l o a d ，u e t x xa r k sb r o a d b a n da n ds o0 1 1t h e c h a p t e rp r o v i d e dd r s ca l g o r i t h m i m d l e j l l e n t a e i o nm e t h o d sb x w a i t i n gm o d ea n dp u r s u em o d e p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dr e s t r i c t i o nc o n d i t i o n t h em e t h o dc a l lc f f i c i c a t l xr e d u c ed e l a xo fc l i e n t s r e q u e s t i n gv c ro p e r a t i o na n da u t o - a d j u s tt i l e n a u l b e ro fc o n c n r r e n ts t r c a a l c o n s e q u e n t l y i tc a l l i m p r o v et h ei n t e r a c t i v ep e r f o r m a n c eo f av o d s ) s t e ma n do p t i m i z et h eu s eo fs 、s t e mr e s o u l c ca n d n e t w o r kb r o a d b a n d o nf i l ew h a l e t i l ed i s s e r t a t i o nl l a sc o m p l e t e das e r i e so f c r e a t i x ，e 、o r ki nt h c o r e t i c a im o d e l i n g ， v i d e os o u r c es t o r a g e s y s t e mr e s o n r c es c h e d u l e v c ri n t e r a c t i 。r ec o a t i o li nv o ds v s l e n l st h e a u t h o rh a sp r o v i d e das e to fn a v e js o l u t i o n s p o l i c i e sa n da l g o r i t h m sa n dm a d ea g r e a td e a l o f t h e o r e t i c a la u a l y s i s a n dt i l es i n m l a t i o u sv e r i f 3 t h a tt h e ya r eb e t t e rt h a ut h o s eb c f o r eb o t hi i lt i m e r ) a n di np r a c t i c e t h er e s e a r c hh a sa c h i e v e dm l p r o v e m e n ti nu t i l i z i n g , t i ms y s t e n lr e s o u r c e ，r e d u c i n g 0 1 1 - d e m a n dr e s p o n s el a t e n c y , e u h a n c i u gs y s t e mt h r o u g h p u t ，d e c r e a s i n gd e f e c t i o np r o b a b i l i t 3a n ds o 0 1 1t i l et h e o r e t i c a ia n dp r a c t i c a lv a l u eo ft h ed i s s e r t a t i o nw i l lb er e v e a l e da n dc o n f i r m e dd u r i n gt h e - a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f b r o a d b a n dl u u l t i u m d i ac o m l n u n i c a t i o at e c l m i q u ea n ds e r x i c cl i it h e n e a rf u t u r e k e y w o r d s ：v i d e o - o n - d e m a n d ，q u e u et h e o d ，m t d t i c a s t ，v i d e os t o r a g e s c h e d u l i n g ，f u z z ) c o n t r o l ，b a t c h i u g v 1 华中科技大学博士学位论文 1绪论 1 1引言 人们的生活和娱乐方式是不断进步的，随着网络和计算机技术的f ；断发展， 真正的数字视频点播宽带通信业务- - v o d ( v i d e o o n d e m a n d ) 1 2 | l 刈进入家庭0 为 期不远。今天，当火车和公共汽车遍及我们的生活时，人们依然需要私人轿车的 高消费，这充分说明了人们对高品质生活质量的无限追求。网络带宽的拓展、处 理能力的提高、管理手段的优化为v o d 业务的商用化提供j 充分n j 能。叫火，融 现代电视、电影、电信高科技于一体的v o d 业务飞入寻常阿姓家，已经是翘阿j 待的事实。 v o d 是一项集电视、电影、电脑软硬件、电信与数据通信网络技术于。怵的 综合集成技术，涉及影视节目源的制作、视频显示终端、系统调度管理、网络组 织结构、带宽管理与优化、q o s 控制策略等等诸多方面的问题。本课题1 1 要研究 v o d 系统的调度管理机制与q o s 控制与优化理论研究。 为什么需要v o d ? 我们首先分析电视、电影制片商、电视台和政府部| 、j x , jr 改变模拟电视系统的考虑主要基于以下儿方面： 1 ) 节目的增加和频道的有限：影视节目的丰富和增加是不断发展的、无限增 长的，而电视频道资源是十分有限的； 2 ) 图像质量：目前的模拟电视系统的图像和伴音质量：需要史人的提i 留； 3 ) 智能化的交互性：目前的系统是个无智能控制的单纯的广播系统，不能 满足人们智能化、交互式地按需点播视频和控制视频的需要： 4 ) 可管理性和安全性：目前系统存在严重盗用电视信号的情况，收费管理 h 困难，也不便于加密处理。 采用数字视频点播v o d 系统可以较为彻底的解决以 ：这唑州题。现存，内 外数字电视( 目前还不能充分满足交互性要求) 、v c d 和d v d 机( 存在节目源n d 题) 已经进入家庭，在一定程度上缓解了上述问题，但依然存在较多不足。 目前，v o d 骨干网络技术主要有三种：有线电视系统提供的c a t v 力式卜l “， 电讯系统提供的a t m 方式”，数据通信系统提出的基r1 1 ) ( 1 0i n t e r n e t l n l r 扎n ol 模式【8 】【。接入网方面有h f c 、c a b l em o d e m 、f t t x 、a i ) s i ，v d s l ，、e t h e r n e t 、w ir e le s s a c c e s s 等模式。 随着电信工业和计算机工业迅速的发展，现代通信网络和通信予段已使人们 进入一个新的信息化社会，反过来人们的信息化活动又对电信网络和信息服务方 式提出了进一步的要求并产生重大的影响。不断涌现的新业务和岛速i ) 。| i 络交借地 发展，螺旋式上升。所有这些都在引发着通信史上的一场新的称之为“多媒体产业” 的革命。 为充分满足人们对各种信息的需求并有效提高网络的经济效益，我国各省、 市电信部门已普遍利用a t m 技术建成r 宽带多媒体通信j 吼并利剧该m 络将多 种业务融合在一个平台上，为用户提供高带宽、低时延、多业务的多媒体通f ? i 服 华中科技大学博士学位论文 务，视频点播业务( v o d ，v i d e o o n d e m a n d ) 是最具f 代表性的核心应川, i k 务 之一。 伴随着科技的进步人们的精神文化需求在不断的提高。而网络的h 趋完善 和相关传播媒介的技术进步，使得大众可能选择的视像节目和娱乐消费节日更加 生动活泼、多姿多彩，服务质量也更高。于是，人们开始习求一种全新的网络概 念，希望可以随时随地的按受教育，享受新奇的娱乐方式，小出门就可以方便快一 捷地获取各类信息，进行各种投资。目前对于c 一同人多数城i l i 而言，石f u 讹 。 仍然是主要休闲娱乐方式，但现有传统模拟电视节目存在h 目少，图像质舅彳：， 被动接收( 缺乏交互性) 等缺点，随着我国经济的f i 断持续发腱和人们l 水、i ， 的提高，传统的广播方式将逐渐不能满足用户曰益增长的个性化需求。v o d 止是 在这样的环境下产生的一种宽带视频信息服务，它可以根据用，- 的需要，神! 俞适 的时间里随意选择自己喜爱的影视节目、社会服务信息等服务，而可i 必根拂乜视 台的播出时间表来安排自己的生活。v o d 产品的应用领域很广泛，人到整个城i l j 乃至国家的交互式视频服务系统，中到住宅小区视频娱乐系统和校同的交f i 代教 育系统，d , n 饭店、歌厅的电影、卡拉o k 点播系统，儿乎覆盖了人们f h 乍洒 中和视频有关的方方面面。这是一种交互型的多媒体调刚、i k 务，考虑到通信综 合业务方向发展的总趋势，甚至可以认为目前独立的电视分配网络最终将会被综 合业务通信网所取代，无论是广播电视还是交互型电视都是通信网的一种业务。 通信运营部门和设备供应商为了适应和促进这种演变必须研究v o d 业务的特征 包括v o d 系统配置、信息传输、信息接入、信源提供、接口标准、信令等。 1 2 技术背景 网络视频点播的实现是与多媒体、网络研究领域n 勺小断发展息息相天n q ，也 是这些科技领域成果的综合体现。v o d 系统所涉及的技术领域： ：常f 泛，在农 1 1 中列出了v o d 技术所涉及的一些较为关键性的力，小史的描述不町能i f f f i “l 俱到，在此仅仅就跟本文研究有较为密切关系的几个部分作简要介绍。这l i i 晌 点介绍m p e g 技术的主要内容及其发展过程，它的一一些蕈要特性将在本史后的 研究中被采用。本文的研究重点是基于l p 技术的v o d 实现优化技术的理论研究 与仿真实现，关于i p 网络技术的详细讨论将在第二章给出。 表1 - 1v 0 0 技术要点 分类内容 系统结构集中式( 单服务器) 、分布式( 名服务器) i l o l l ”】 视频引擎椎模式、拉模式 传输网c a t v ( h f c ) 、a t m ( w d m 、s d h ) 、i p 、f d d i 接入网h f c + p s t n 、x d s l 、l a n 、f t t x 服务范围社峨、城域、广域 交互性n v o d i i v o d i 州t v o d 视频分发广播、多播、单橘 华中科技大学博士学位论文 信源编码m p e gj 、m p e g 2 、r c a lf i l e 、m p e g 4 终端c a b l em o d e m 、汁算机、s t b 机项盒 标准 d a v i d l ”、d v b 1 8 】 业务种类视频点播、家庭购物、远程教育、游戏 提供者有线电视公司、电信公司、i s p 成本 存储成本、带宽成本、影j i 版权费 m p e g 是应用最为广泛多媒体编码标准，它剥以v o d 为核心的数字视频通 信产业的发展有着举足轻重的重要影响，在此本节有必要对其进行个较为详细 的介绍。 1 2 1m p e g 标准 国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o ni s o ) , f l 的运动吲像擘咏 组( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t s g r o u p m p e g ) 经过1 一几年的努j ，迎来多媒体产、i k 发展 的黄金时期。m p e g 标准h j 以在嘲络中j 1 jj 二传送图片年音频，【! 土l i j 以在无线迎信 中传输数字音频。各种截然小同的设锯，如视频压缩光# , l ：( v i d e oc dv c d ) f i 机顺 盒，均可以采用m p e g 标准。 m p e g 专家组实现了m p e g 1 、m p e g 一2 、m p e g 一4 和m p e g 7 编码标准。睹 多因素造就了m p e g 的成功，其中最重耍的一点可能足m p e g 建矿时机。m p e g 出现的时候正是视频音频编码算法实现同步性能而且数亨信号处理的集成 乜路队 能也足以满足复杂算法需要的时候。m p e g 的成功也离小升所有那些如今被称为 “夕阳工业”的支持。按照技术专家们的说法，正是汇聚，所有对数宁：视频和。哥频 应用前景感兴趣的行业的支持，m p e g 才能独立于传输系统之外，帮助人们接受 并认可音频、视频描述层。 m p e g 能够为大多数用户提供一个标准的解决方案以满足4 t k 4 fj | 佝需篮。这螋 用户关心的是利用音频和视频的数字编码技术开发出全新的具有“阔市场肖景的 产品。同时，这些用户也希望利用m p e g 能够比没自m p e g 业一队地实脱f 、。1 0 批量化生产，而快速地实现产品的批量化生产对于一种产品至关重要。 m p e g 是目前被普遍采用的视频业务编码标准。对j 二该标准，目前经常遇到 的是两种方案，即m p e g 一1 和m p e g 一2 。m p e g 一1 是基j ：d c t 的，并日使川有运 动补偿的帧间双向预测。m p e g 一2 完全引用了m p e g 1 的基本结构，并对此进行 了扩展。就a t m 网上视频信号传送而言，m p e g 2 功能扩展的一种表现是m p e g 2 允许分层编码，而m p e g 一1 却不允许。m p e g 编码标准通常使刷i 、p 、bj 孙| j ! j 类型，其中，i 帧仅使用了帧内编码技术；p 帧使用了基于前一个i 帧或p 帧的运 动补偿技术；b 帧也使用了运动补偿技术，但其补偿既基于前一t 个i 帧或p 帧， 又基于下一个i 帧或p 帧，即，就该类帧而言，对于图像中的每个宏块，都要计 华中科技大学博士学位论文 算前后两个运动矢量，然后根据前后两个最佳匹配块，具体选择补偿方式：从前 一个l 帧或p 帧补偿，从下一个ii 院或pi 帧补偿，或莆从前后两个力向进行补偿。 通常，i 帧的比特数帧比p 帧的要多，而b 帧的比特数帧最少。在m p e g 编百马 标准中，经常以确定的周期序列对帧进行排列，例如，“i b b p b b ”，如此周期帧序 列中的每一个周期都被称为个图像组o o p ( 女u 图i 所可mm p e g 编码标准允计 一个c r o p 可以含有任意的帧数，并且g o p 中的不问类型的帧的排列力式足f 意 的。使用m p e g 2 方案的编码器输出的暴层信息流与使川m p e g 一1 ，扫案的编f i 码器 输出的信息流的统计特性极其相似。针对图1 所示的m p e g 编码特性中，图像帧 是按显示帧顺序排列的，实际的图像帧在编码器向解码器发送的数据流中的排列 与上述显示顺序是不同的，是按解码最疗便的要求排列的，【天1 此b 帧的两个参照 帧先于b 一帧传送，如图2 所示。同时渡意到m p e g 算法支持的以卜几个幔嫂j j j 能： 1 ) 随机访问：m p e g 的数据流结构将数据流分成许多独、铷0 段( s e g m e n t ) ，以随 机访问点标志，每段都可以独立标识，对立解码，m 小需要以别的段作参考。 而可以随机访问任意指定的一段图像及其伴音，解码后重放； 饕晦麒穗 ，、一、- ，u 、 坦龟傩潮 图1 1m p e g 一个罔像组g o p ( 缸示顺序) 【1 23456789l o e ipb bpb bpb b 图1 - 2m p e g 一个图像组g o p ( 传输顺序) 2 1 快速搜索：可在未经解码的数据流q ，扫描访问点，达到快进、快退的效果： 3 ) 反向重放：数据流中的几个连续帧构成一个图像组( g o p ) ，解码器将整个纽 解码完成后存于存储器，按反向顺序显示即可达到此目的。组的大小叮由编峭器 控制，组越小，这个功能越容易实现； 4 ) 系统时间参照( s c r ，s y s t e r m c l o c kr e f e r e n c e ) ：这足m p e g 编心器征数捌流r f ， 插入的一小段数据，用来表示编码器当时的系统时钟的时刻，它可以表力；：拊，的 时、分、秒和秒内的第几j 帧； 5 ) 时间戳( p t s ) ：编码器对表达单元加上时间戳，也就足在数据流中插入小 华中科技大学博士学位论文 段表示当时系统时钟时刻的码字。 m p e g 1 1 1 9 1 m p e g 一1 第一个实现厂这样一个没想：在15 m b p s 这样低的比特；缸条什r ， 也有可能把运动图像和音频打储在张c dl ，而| l 其质谢丌以j 家丌录像系统 f v i d e oh o m es y s t e m ，v h s ) 磁带相媲美。在m p e g 出现之前，把大约为1 6 6m b p s 的数字视频和约为15 m b p s 的数字立怵声压缩到一张c dr ”看j 二去是一f 4 一儿叩_ i 可能实现的艰巨任务。 m p e g 一1 标准的正式身份称为i s o i e cl l l 7 2 ，它j ：| f j 有多项“第一”。小常 值得提及的是，在过去已有的系统中，m p e g l 是第个集成音频、视频编码 的标准。那时候，音频和视频在类似的标准和行业中分属j f i 的范畴。i l ：足由 于m p e g - - 1 是一个集成的标准，并目多媒体产业能够从这种集成巾受蔬，所以 m p e g 一1 极大地促进了许多结构调整，、现在，很难再看到哪一个组织把帝颂和 视频分属于不同的范畴。 对视频部分，m p e g - - 1 把场插值技术和卜l 2 6 1 | 内运动补偿预测力案结合起 来；对音频部分，m p e g - - l 发展了种商效子带编码乃案。l 哪，m p e g 一1 实现了人们梦寐以求的目标，即把质蜀刮j v h s 磁带丰j i 媲欠的运动h 像州1 1 j 堋仃 储到一张c d 上。在4 8k h z 采样频率州，m p e g l 的“学编码力案使得锥个占 频通道的比特率低至1 2 8k b p s 。 m p e g 一1 电是第一个采用c 语言编写和完善的“信号处理”标准。这使得编 码标准仅仅成为一个用于控制列信号表述的“语法”问题。同时，这也在数字域r f - 降低了那些在模拟域中极其关键的参数( 如“比特率”、i 帧频”、“行数”和“每行像素 数”等等) 的重要性。 软件也是m p e g 一1 成功的一个关键因素。m p e g 颁厕jj i s o i c e1l l7 2 的 第5 部分。这一部分包括个完全用软件实现的m p e g - - 1 标准解码器和个编 码器。这极大地扩大了解码器的运用范旧。现在，赴t i ，等f r , j 个人汁算机尤能轻 松地运行解码器软件。 m p e g 一2 【2 0 1 9 9 0 年7 月，m p e g 在葡萄牙召1 ：的会议开始制订m p e g - - 2 。经过4 匀：的 工作，提出的解决方案最终形成r i 羊尽n 针日际标准1 s o i e c l3 8 18 f i 卜式命名为 m p e g 一2 ) 。这个标准卓有成效的成果足摈弃了那些小必要的限制，即模拟山， 的输入和输出传输链路。这个标准把种模拟的发展成果f d 2 一m a c ) 作为种需 用方式，而支持另外一个( a t v ) ，同时m p e g 一2 把a t v 变成数字方式。 m p e g 一2 对究竟是通过地面和卫星网络还是通过有线网络进行广播j ：