（通信与信息系统专业论文）基于网络损伤情况的网络视频质量评估方法的研究及其应用.pdf

摘要 近年来，p t v 、手机电视、互联网视频分享这些有关视频类的增值服务迅 速发展。虽然目前这些网络视频业务大都还在试用阶段，离推广普及还需要一定 时间，但这类服务的商业前景被普遍看好。网络视频技术在电信领域尚未全面发 展的原因，除了技术的不够成熟，政策以及标准的不确定性，还在于其质量的不 稳定性。 网络视频是一种基于数字流媒体的应用技术，数字视频数据在采集、压缩、 处理、传输、恢复过程中会产生各种各样的失真，例如有损视频压缩技术，会在 量化过程中降低视频质量；在误码信道( 如无线信道) 传输中，信道误码和数据丢 失会增加解码后视频的失真；在包交换网络( 如h 1 钯m e t ) 传输中，网络拥塞造成接 收数据丢失和过大时延，又会增加失真。因此，视频服务系统必须能及时把握并 量化视频质量下降的情况，并通过必要的手段来维持和增强找到一种有效的 评价方法度量视频质量至关重要。 传统的针对模拟信号的视频质量评估方法是测量诸如信号幅度、定时关系、 信噪比之类的物理参数。但是，p t v 等流媒体业务采用了数字视频压缩与网络 传输技术，由于丢包等网络损伤而引起的很小错误可能导致视频质量的急剧下 降，因此传统的视频质量评估方法已无法适应网络视频质量应用要求，需要针对 数字视频与网络传输的特点，设计新型的视频质量评估方法。本论文即针对这种 需求提出一种轻便型的通过网络损伤情况评估网络视频质量的方法。 论文的主要工作及创新点表现在以下几个方面： 1 、论文根据了m p e g 一2 的编码特点，分析对视频质量产生影响的各种因 素，对现有的几种视频质量评估算法进行介绍评价。 2 、通过获取视频传输网络的损伤情况，根据视频编解码算法及帧序列、帧 频、封装情况，利用可量化的评价指标评定视频质量受网络损伤的影响程度，建 立网络视频质量的评估算法，并进行验证。 3 、结合国家高性能宽带信息专项( 3 t n e t 专项) ，将该方法初步应用于3 t n e t 业务监控系统，并对结果进行评价。 4 、利用该方法进行网络视频质量评估，资源开销小、实时性好，特别适合 对实时传输的视频流进行视频质量评估。 关键词：网络损伤，网络视频质量，流媒体，丢包，p t v ，3 t n e t v t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr e a l t l m e p a c k e tv id e oq u a l n yb a s e do nt h ec o nd i t l o n o ft hen e t r e c e n t y e 虬廿1 e r ei sa 铲e a td e v e l o p m e n to ft h ev i d e ob a s e do nt 1 1 en e t p t v 、p 2 pv i d e o 、3 gv i d e oa r eg o i l l gt 0s h a r em o r eo nm em a r k e t h o w e v e r ，i 1 1t 1 1 ea r e ao ft e l e c o m 删c a t i o n 也ev i d e os y s t e mi ss t i l ln o ts o s t a b l e t of m dt h er e a s o n ，w ea d d r e s sm e p r o b l e mo f v i d e oq u a l i 够 p r e d i c t i o n 趴dc o n t r 0 1f o r h i 曲- r e s 0 1 u t i o nv i d e ot r a n s i n i t t e d0 v e r1 0 s s y p a c k e tn e t w o r k s hp a c k e tv i d e o ，t 1 1 eb i t s 仃e a m 6 w s m d u 曲s e v e r a l s u b s y s t e m s ( c o d e r n e t w o r k ，d e c o d e r ) ；e a c ho fm e m c a ni m p a i rm e 逾f o m a t i o ne i t l l e rb yd a t a1 0 s so rb yi n t r o d u c m gs o m ed e l a y h o 、e v e r ， e a c h o fm e s es u b s y s t e m sc a l lb er e t u l l e d 血o r d e rt om i n i m i z et h e s e p r o b l e m sa i l dt oo p t 砌z em eq u a l 毋o f t h ed e l i v e r e ds i 弘a l ，t a 玉d n gn o a c c o 眦t h ea v a i l a b l eb i t r a t e n ea s s e s s m e n to fm ee n d u s e rq u a l 毋i sa n o n 矗v i a l i s s u e w ea n a l y s eh o wm e u s e r - p e r c e i v e dq u a l 埘i sr e l a t e dt o 也ea v e r a g ee n c o d 堍b m e 趾dm e1 0 s eo f d i 舵r e n t 鼢e ( 丘锄eb 、c a n dp ) f o rv 撕a b l eb i tr a t em p e g 一2v i d e o ，w et h e ne s t a b l i s haa r i t l l i n e t i c t od e s c r i b em i sr e l a t i o n s m p f u r t l l e m o r e ，w eu s et 1 i sa r i 曲m e t i cmm e p r o j e c t “m em o n i t o rs y s t e mo f3 t n e t ”w bt h e nd e m o n s t r a t et h a t ，、v h e n j o m l ys t u d y i n g 恤ei i n p a c to fc o d i n gb i tr a t ea n dp a c k e t1 0 s s ，m e r e a c h a b l eq u a l 埘i su p p e r b o u n d 趾de ) 【1 1 i b i t so n eo p t i m a lc o d 证gr a t ef o r ag i v e np a c k e t1 0 s sr a t i o v i k e yw o r d s ： v i d e oq u a l i 奶1 0 s s yp a c k e t i 油o f 圣【s ，m e d i a s 廿? e a m i l l g ， t v ，3 t n e t v 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阕。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者馘椰阉 日期：圭坚量：f ! ：l m 导师签名声懈； 日期：! 兰鳘：垦： 华东师范大学硕士学位论文 1绪论 1 1网络视频技术的现状及发展 d t v 、手机电视、互联网视频分享这些有关视频类的增值服务正在大幅占 据报端，成为街头巷尾热议的话题。虽然对于绝大多数电信和互联网、广电用 户而言，这些新颖的视频应用还未完全主导他们的消费习惯、影响他们的生活 方式，但是参考目前发达国家网络视频的发展状况，可以预见我国网络视频市 场还有很大的拓展空间。以美国为例，美国电视市场分为传统电视( 包括有线和 卫星) 和网络电视两大类，目前传统电视还占据着市场的绝大部分，但是由于近 年i p t v 的异军突起，使得网络电视在美国的市场地位迅速攀升。一项研究发现， 由于高速互联网的普及( 美国整个人口的宽带普及率现已高达4 7 ) 和网络视频 技术的不断发展，现在1 5 的美国人每天都会观看网络视频n ，。 现在我们所说的网络视频业务已经突破了传统意义上的互联网视频。随着 网络的不断升级和以接入技术为代表的通信技术的突破，网络的融合正将视频 业务的外延不断扩展。近几年互联网视频业务的迅速发展培养了用户使用视频 业务习惯，而伴随着电信级网络的发展，以视频为中心，原本貌似平行发展的 电信级网络视频、互联网视频服务正在越来越多地找到共同点。在技术、网络 融合的大背景下，我们已经越来越分不清哪类业务归属于哪个网络了，事实上 也没有这个必要，融合的体验成为“大网络视频”时代的航标。电信技术和互 联网技术的相互融合渗透，正在为网络视频的发展提供着沃土。被视为中国 d t v 网络样板的哈尔滨和上海项目，随着网络的融合、架构的统一、业务丰富 性的与日俱增正不断加快自己前进的步伐；3 g 牌照的发放以及3 g 手机的推广 也使得3 g 视频流媒体的发展步上了新的台阶【2 】。 1 2 网络视频质量评估方法的重要性及研究现状 网络视频技术是对数字流媒体的一种具体应用，而数字视频数据在采集、 压缩、处理、传输、恢复过程中会产生各种各样的失真，如有损视频压缩技术， 为降低数据在存储和传输过程中所占带宽，会在量化过程中降低视频质量；在 误码信道( 如无线信道) 传输中，信道误码和数据丢失会增加解码后视频的失真； 在包交换网络( 如i n t e m e t ) 传输中，网络拥塞造成接收数据丢失和过大时延，又 华东师范大学硕士学位论文 会增加失真。为了使得d t v 等流媒体业务得到良好运行，必须确保网络视频 质量满足服务质量( q o s ) 【3 】要求，为用户提供高质量的视频质量体验。所以，必 须提供有效的网络视频质量评估方法，以便在系统运营前分析采用哪种编解码 算法格式，又可在系统运行时对网络视频质量进行监控。在大多数应用中，端 到端的视频质量是衡量系统性能优劣的一个关键指标，视频服务系统必须能及 时把握并量化视频质量下降的情况，并通过必要的手段来维持和增强。因此， 找到一种有效的评价方法度量视频质量至关重要。 传统的针对模拟信号的视频质量评估方法是测量诸如信号幅度、定时关系、 信噪比之类的物理参数。但是，p t v 等流媒体业务采用了数字视频压缩与网络 传输技术【4 】，由于丢包等网络损伤而引起的很小错误可能导致视频质量的急剧 下降，因此传统的视频质量评估方法已无法适应网络视频质量应用要求，需要 针对数字视频与网络传输的特点，设计新型的视频质量评估方法。 目前网络视频质量评估方面比较常用的网络视频质量评价指标有m d i 【5 】与 基于q m 模型的指标。i 是被r f c 采纳的提供一个判断流媒体传输质量 的指标。它提供了两个参数：延迟因子( d f ) 与媒体丢包率( m l r ) 。其中， d f 用于指示在某一检测点解码器需要多少缓存来避免由于网络抖动产生的封 包丢失，m l r 是指一秒内媒体封包丢失数量。m d l 只是试图基于丢包与抖动情 况这两个网络性能记录来反映网络视频质量，而不考虑网络视频流的视频内容， 但是对数字视频压缩算法而言，属于不同帧类型的包的丢失对网络视频质量的 影响效果是不同的，所以它对网络视频质量评估存在较大的偏差。而且m d i 没有提供量化的评分来评估网络视频质量。m p q m 【6 】模型基于人类视觉系统来 评价网络视频质量，它采用了一个三维滤波器组来模拟h v s 的多通道特性，但 是由于引入了频率分解，需要对每个视频包的视频内容进行解析，因此算法复 杂，运算量过大，计算时间长，而且通过q m 模型得出的视频质量不能反映 出网络视频质量的劣化是视频压缩造成的还是网络损伤而造成的，因此不利于 网络服务提供商或运营商来评价网络视频质量。 针对以上情况，本文提出一种新型的轻便的视频质量评估算法。 1 3 本文研究方法解决的主要问题及其优势 本文提出的研究方法是通过获取进行视频传输的网络的损伤情况，利用可 量化的评价指标评定视频质量受网络损伤的影响程度，评估网络视频质量。利 用本方法进行网络视频质量评估，主要考虑了网络损伤对视频质量的影响，由 评价结果可知网络损伤对视频质量的劣化程度，区分了视频编解码因素与网络 华东师范大学硕士学位论文 损伤对视频质量的影响，因此特别适合于网络服务提供商或运营商对网络视频 传输情况进行评估。同时，在评估过程中，只参考了以某种视频质量评价指标 描述的原始视频平均质量，无需利用原始视频各个画面的亮度、色差、运动向 量等具体信息，因此资源开销小、实时性好。而且，利用本方法进行网络视频 质量进行评估，由于考虑了不同类型帧的包丢失对视频质量影响不同、每个帧 丢不同数目包对视频质量的不同劣化程度等情况，所以进行视频质量评估的精 确性较高。 总之，利用本方法进行网络视频质量评估，资源开销小、实时性好，特别 适合于网络服务提供商或运营商对实时传输的视频流进行视频质量评估。 本文主要进行了以下三个方面的工作： ( 1 ) 研究影响网络视频质量的主要因素，分析现有视频质量评估模型； ( 2 ) 推导通过网络损伤情况评估网络视频质量的算法并加以论证； ( 3 ) 将通过网络损伤情况评估网络视频质量的算法应用于“3 t n c t 业务监 控”项目中，并对实验结果作出评价； 本文将从以下几个方面进行展开：第二章介绍网络视频相关基础知识，着 重介绍流媒体的概念，同时介绍视频传输网络运行状况及其对视频质量的影响， 并以p t v 应用为例介绍视频质量监控的必要性；第三章详细介绍现有的几种 视频质量监控算法并对它们作出比较，分析优劣；第四章基于网络视频应用提 出本文核心通过网络损伤情况评估网络视频质量的算法；第五章介绍本方 法在“3 t n e t 业务监控项目中的应用；第六章是总结与展望。 华东师范大学硕士学位论文 2 网络视频技术的基本知识 这一章我们将介绍网络视频技术的一些基础知识。包括现有流媒体技术原 理，流媒体技术的发展状况及网络发展状况等等。并将详细介绍其中母t v 技 术的原理和现状，由此引出视频质量监控的重要性。 第一节将从以下几个方面展开：流媒体技术基础，现代流媒体技术发展热 l 息o 2 1网络视频技术基础 2 1 1网络视频的工作方式 网络视频就是对各种类型和各种格式的视频进行处理，将其转换成适于网 络传输的数字化视频格式，并通过各类网络进行传播的一种媒体。 与传统视频相比，网络视频具有交互性，实时性，集成性与码率可变、突 发性强等特点。 网络视频的工作方式有单播、组播、广播和点播四种忉。 所谓单播( u 血c 嬲t ) ，就是在每个客户端与视频媒体服务器之间建立一个单 独的数据通道，并且从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机的 传输方式。其传输原理如图1 1 所示。 图1 1 单播传输原理图 华东师范大学硕士学位论文 在单播中，每个用户必须分别对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务 器必须向每个用户发送所申请的数据包拷贝。单播避免了将数据包发送给不需 要的用户，但每份拷贝都得经过网络传输。这种巨大冗余一方面占用了很高的 带宽，另一方面加重了服务器的负担，以致响应需要很长时间，甚至停止播放。 因此，服务方不得不购买高速硬件设备和提高带宽来保证一定的服务质量。 组播( m l l l t i c a s t ) 又称为多址广播或多播，是一种基于“组”的广播。组 播的源和目的地是一对多的关系，并且这种一对多的关系只能在同一个组内建 立。组播的工作原理如图2 1 所示。 ， 图2 1 组播传输原理图 采用组播方式，允许路由器一次将数据包复制到多个信道上，媒体服务器 只需发送一个信息包，因此，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续 数据流而无时延。组播信息可以发送到组内任意地址的客户机，其结果是：减 少了网络上传输的信息包的总量，网络利用效率大大提高，成本大为下降。 广播( s t 撕o n ) 指的是将数据包的单独一个拷贝发送到网络上的所有用户， 用户则被动地接收视频流，而不管用户是否需要该拷贝的一种传输方式。广播 的传输原理如图2 2 所示。其本质上也是一种一对多的关系。 华东师范大学硕士学位论文 图2 2 广播传输原理图 广播方式虽然能够传送一个单独的数据流到整个网上，但由于其不辨目的 的发送方式，很容易引起广播风暴，大量无用的广播信息会淹没整个网络，从 而消耗网络带宽和资源。因此，要限制广播消息的发送。通常的做法是：通过 设置路由器来组织广播的传播，从而将广播限制在一个物理或逻辑网段内。 点播( o nd e m a n d ) 是客户端与服务器之间的互动的连接。在点播连接中， 用户通过选择内容来初始化客户端连接：用户可以进行开始、停止、后退、快 进或暂停视频流等操作。点播提供了对视频流的最大控制。这种方式由于每个 客户端各自连接服务器，因此会迅速用完网络带宽。 组播是网络视频应用较为广泛的一项技术，单播在用户量少的情况下得到 较多应用，点播技术则用于满足客户的个性化需求。 2 1 2 网络视频系统的组成 网络视频系统主要由视频服务器端子系统、网络通信子系统和客户端子系 统三个部分组成【8 1 。 视频服务器端子系统由视频服务器、后备存储服务器、节目采编工作站、 信息编排工作站和信息服务器、播控服务器、管理工作站及相应的网络接口组 成。 网络通信子系统负责视频信息流的实时传输，是影响时基媒体网络服务系 华东师范大学硕士学位论文 统性能的关键部分。网络通信子系统包含主干网络系统和本地网络系统两部分。 主干网络系统是指与前端系统连接的公用网络；本地网络系统则是指视频用户 所拥有的接入网。 客户端子系统就是网络视频用户的终端设备。只有利用相应的终端设备， 网络视频用户才能与某种服务或服务的提供者之间进行交互操作。在网络视频 系统中，对客户端系统具如下要求： ( 1 ) 能够以较高的带宽登陆到前端系统的服务器，并向服务器发出播 送请求。 ( 2 ) 能够将视频服务器送来的视频压缩数据进行解压缩。 ( 3 ) 能够播放高质量的视频图像。 ( 4 ) 在播放过程中能够对网络中断与演播中断进行协调。 实际使用中，客户端设备通常是安装了数据解码和媒体播放功能的计算机 系统，或者是安装了机项盒的电视机系统。 目前，在网络上传输音频、视频、动画等多媒体信息的方法主要有两种： 下载传输和流式传输。所谓下载，就是将全部视、音频文件通过服务器传输到 客户机，并保存到客户机硬盘的过程，只有当下载的文件完全传送到客户机后 才能开始播放。由于视、音频文件一般都比较大，因此需要的存储容量也较大； 同时，由于网络带宽的限制，下载常常要花数分钟甚至数小时，故这种处理方 式的延迟也很大。流式传输方式就是将动画、视频、音频等多媒体文件经过特 殊的压缩方式分解成一个个压缩包，再由视频服务器向用户计算机连续的、实 时的传送信息的一种传输技术。在流式传输方式系统中，用户不必像非流式播 放那样等到整个文件全部下载完毕后才能看到其中的内容，而只需经过几秒或 几十妙的启动延时，即可在用户的计算机上利用相应的播放器( 或其他软、硬 件) 对压缩的流式多媒体文件解压，再进行播放和观看；多媒体文件的剩余部 分将在后台的服务器内继续下载。 本章第二小节将对网络流媒体技术进行介绍。 2 2 网络流媒体技术基础及发展状况 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 指在网络中使用流式传输技术时的连续时基媒 体，如音频、视频或多媒体文件嘲。由于流媒体采用了流式传输技术，因此所 传输的文件会像水一样不断流动。这样，文件不是一次读取、发送所有的数据， 而是首先发送音频、视频的第一部分；在第一部分开始播放的同时，数据的其 余部分就会源源不断的流出，及时到达目的地供播放使用。为保证在阻塞造成 华东师范大学硕士学位论文 网络速度下降的情况下不会中断，播放器会在开始播放前先缓冲一部分数据， 因而能实现流式媒体数据流的随时传送和随时播放。 2 2 1 流媒体的特点及其传输 流媒体的特点有： 1 、启动延时大幅度缩短； 2 、对缓存容量的需求大大降低； 3 、采用特定的实时传输协议； 4 、对时间敏感。 流媒体有两种传输方式：顺序流式传输和实时流式传输。 顺序流式传输就是顺序下载，并在下载文件的同时观看在线媒体；在给定 时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分。顺序流式 传输不像实时流式传输那样，可以在传输期间根据用户连接的速度做相应的调 整。顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告。由于该文 件在播放前观看的部分是无损下载的，因此这种方法保证了视频播放的最终质 量。这意味着用户在观看前必须经历延迟，对较慢的连接尤其如此。 实时流式传输保证媒体信号带宽与网络连接匹配，以使媒体可以被实时观 看到。实时流式传输需要专用的流媒体服务器与传输协议。理论上，实时流一 经播放便不会停止，但实际上，有可能发生周期暂停。实时流式传输必须匹配 连接带宽，这意味着在以调制解调器速度连接时，图像质量会较差。而且，由 于出错丢失的信息会被忽略掉，当网络拥挤或出现问题时，视频质量会很差。 实时流式传输需要特定的服务器，这些服务器允许你对媒体媒体发送更多级别 的控制，因而系统设置、管理比标准h 1 阳服务器更为复杂。实时流式传输还 需要特殊的网络协议，如r t s p ( r e a l t i m es 缸e 蛐p r o t o c 0 1 ) 【1 川或m m s ( m i c r o s o rm e d i as e e r ) 协议。这些协议在有防火墙时会出现问题，从而导致 用户不能看到一些地点的实时内容。 近几年流媒体应用发展相当快，3 g 流媒体，p 2 p 流媒体，i p t v 流媒体这 些技术都成了各个领域的发展热点，下面我们将就流媒体在这些方面的发展状 况进行介绍。 2 2 2 流媒体发展现状 本小节将从3 g 无线流媒体，p 2 p 流媒体以及p t v 流媒体三个大的角度系 统分析流媒体的发展现状。 一、3 g 无线流媒体 流媒体技术应用到移动网络和终端上，即移动流媒体技术。 华东师范大学硕士学位论文 现代社会是一个竞争激烈、生活节奏快、信息量急剧膨胀的社会，在人们 正常的工作、生活活动之余，那些闲散的时空资源随着信息终端触角的延伸， 越来越被人们所充分利用，或是用于工作资讯获取，或是用于生活休闲娱乐。 现代社会信息源和信息需求的高速膨胀使得传统中闲置的、离散的时间和空间 为需求所用。就目前而言，报纸、杂志基本上是获取这部分“眼球”的重要媒介， 但随着3 g 时代到来，以手机+ 流媒体为代表的移动流媒体将成为这一领域最有 力的“眼球”获取媒介。原因在于，流媒体技术内容的获取和内容的消费同步进 行特点，使得可以最大限度地在有限的时空范畴内为消费者提供高效的信息服 务；手机媒体具有移动性、便携性自身特点，可以满足这类应用形式的需要； 而由移动运营商掌控行业价值链的移动流媒体产业可控的商务模式和健全的收 费体系为移动流媒体的可持续发展提供了重要保障。 随着3 g 无线网络的应用，用户的网络带宽可以达到3 8 4 kb i t s 。手机设备 运算能力越来越强，支持流媒体的终端将会成为3 g 终端的一种基本配置，移 动流媒体的应用将会成为3 g 的一种基本业务。 作为流媒体技术的一种移植应用，移动流媒体业务基本形式也有三种：直 播、点播、下载。从应用的角度来看，分为两大类：媒体类应用和行业类应用。 移动流媒体技术有三大特点【1 l 】： 1 、能够实时播放音视频和多媒体内容。这样可以大大缩短启动延时，避免 了用户必须等待整个文件全部从服务器源上下载完成后才能观看的缺点。 2 、播放的流媒体文件不需要在客户端保存，减少了对客户端存储空间的要 求，也减少了缓存容量的需求。 3 、由于流媒体文件不在客户端保存，从而从_ 定程度上解决了媒体文件的 版权保护问题。 业界移动流媒体目前主要有三种媒体格式：3 g p p 3 g p p 2 组织制定的标准 移动流媒体媒体格式3 印厂3 9 p 2 媒体格式，支持终端最多；m i c r o s o f t 公司的 私有的删媒体格式，有少量终端支持；还有就是r e a l 公司的私有格式蹦 媒体格式，r e a 婵l a y 播放器同时支持3 9 p 3 9 p 2 媒体格式。从覆盖用户面来看， 媒体格式3 9 p 3 9 p 2 是首选支持，删格式选择支持。而蹦格式相对于 3 印3 9 p 2 效果没有优势，目前业界在选用3 9 p 3 9 p 2 后不再单独选择支持蹦格 式【1 2 】。不同的移动终端其处理能力有较大差异，所支持的协议和编码格式也各 有不同。目前采用后台的流媒体系统进行终端适配可以解决这个问题。 作为“离散眼球经济”的重要载体和技术保障，3 g 流媒体的发展仍然存在瓶 颈，这里面一个重要的技术问题就是容错问题。相对于有线网络而言，无线网 络状况更不稳定，除去网络流量所造成的传输速率的波动外，无线终端移动速 - 9 - 华东师范大学硕士学位论文 度和所在位置也会严重地影响到传输速率，因此高效的可自适应的编码技术至 关重要。但是高压缩的码流对传输错误非常敏感，还会造成错误向后面的图像 扩散，移动流媒体在信源和信道编码上需要很好的容错技术。想要保障移动流 媒体的良好运营，除了高效的编码，对业务的一个监控也必不可少。 二、p 2 p 流媒体 近年来，人们把p 2 p 技术引入到流媒体传输中而形成了p 2 p 流媒体技术， 该方法有两方面的优点。首先，这种技术并不需要互联网路由器和网络基础设 施的支持，因此性价比高且易于部署；第二，在这种技术中，流媒体用户不只 是下载媒体流，而且还把媒体流上载给其他用户，因此，这种方法可以扩大用 户组的规模，且更多的需求也带来了更多的资源。目前常见的p 2 p 流媒体的应 用主要有视频点播( v o d ) 、视频广播、远程教学以及交互游戏等。 p 2 p 流媒体系统按照其播送方式可分为直播系统和点播系统，此外近期还出 现了一些既可以提供直播服务也可以提供点播服务的p 2 p 流媒体系统。 在流媒体直播服务中，用户只能按照节目列表收看当前正在播放的节目。 在直播领域，交互性较少，技术实现相对简单，因此p 2 p 技术在直播服务中发 展迅速。2 0 0 4 年，香港科技大学开发的c 0 0 l s 仃e a d l h 培原型系统将高可扩展和 高可靠性的网状多播协议应用在p 2 p 直播系统当中，被誉为流媒体直播方面的 里程碑，后期出现的p p l i v e 和p p s 仃e 锄等系统都沿用了其网状多播模式。 与直播领域相对应，在p 2 p 流媒体点播服务中，用户可以选择节目列表中 的任意节目观看。在点播领域，p 2 p 技术的发展速度相对缓慢，一方面是因为 点播当中的高度交互性实现的复杂程度较高；另一方面是节目源版权因素对 p 2 p 点播技术的阻碍。目前，p 2 p 的点播技术主要朝着适用于点播的应用层传 输协议技术、底层编码技术、以及数字版权技术等方面发展。 与p 2 p 流媒体直播不同，p 2 p 流媒体点播终端必须拥有硬盘，其成本高于 直播终端。目前p 2 p 点播系统还需在技术上进一步探索，期望大规模分布式数 字版权保护( d r m ) 系统的研究，以及底层编码技术的发展能为p 2 p 点播系统 的实施铺平道路。 下面我们介绍一下p 2 p 流媒体系统的网络结构。 目前存在很多p 2 p 流媒体的研究成果及实际系统，它们在其覆盖网络的组 织结构上可以被大体分成两大类，即基于树( 1 r e e - b a s e d ) 的覆盖网络结构和数 据驱动随机化的覆盖网络结构。 1 、基于树的方法 大部分系统都可以归类为基于树的方法。在这种方法中，节点被组织成某 华东师范大学硕士学位论文 种传输数据的拓扑( 通常是树，如图2 3 所示) ，每个数据分组都在同一拓扑 上被传输。拓扑结构上的节点有明确定义的关系，例如，树结构中的“父节点 子节点”关系。这二方法是典型的推送方法，即：当节点收到数据包，它就把该 数据包的拷贝转发到它的每一个子节点。既然所有的数据包都遵循这一结构， 那么保证这一结构在给所有接受节点提供高性能时是最优的。更进一步，当节 点随意加入和离开时，该结构必须得以维持。特别地，如果某节点突然崩溃或 者其性能显著下降，它在该树结构上所有的后代节点都停止接收数据，且该树 结构必须被修复。最后，当组建基于树的结构时，避免出现环是一个必须要解 决的重要问题。基于树的方法可能是最自然的方法，不需要复杂的视频编码算 法。然而，其中需要重点考虑的一个问题是节点失效，特别地，靠近树根的节 点失效将中断大量用户的数据传输，潜在地带来瞬时低性能的结果。此外，在 该结构中大多数节点都是叶子节点，他们的上行带宽没有被使用到。为了解决 这些问题，已有研究提出了一些带有弹性的结构，如基于多重树的方法【1 3 - 1 4 1 。 一 臼 图2 3 基于树的p 2 p 流媒体传输 2 、数据驱动方法 近年来，人们又提出用于p 2 p 的数据驱动的方法。数据驱动的覆盖网络与 基于树结构的最大不同在于它不组建和维护一个传输数据的明显拓扑结构，它 用数据的可用性去引导数据流，而并不是在高度动态的p 2 p 环境下不断地修复 拓扑结构。 。 一个不用明确维护拓扑结构的数据分发方法是使用g o s s i p 协议。在典型的 g 0 s s i p 协议中，节点给一组随机选择的节点发送最近生成的消息；这些节点在 下一次做同样的动作，其他节点也做同样的动作，直到该消息传送到所有节点。 对g o s s i p 目标节点进行随机选择可以在存在随机失效的情况下使系统获得较好 华东师范大学硕士学位论文 的健壮性，另外还可以避免中心化操作。然而，g o s s i p 不能直接用作视频广播， 因为其随机推送可能导致高带宽视频的大量冗余。此外，在没有明确的拓扑结 构支持下，最小化启动和传输时延成为主要问题。为了解决这些问题，一些解 决方案，例如c b a i d 翰1 5 】、c 0 0 1 s 仃e a m i l l 1 6 】采用拉取技术，即：节点维持一 组伙伴并周期性地同伙伴交换数据可用性信息，接着节点可以从一个或多个伙 伴找回没有获得的数据，或着提供可用数据给伙伴。由于节点只在没有数据时 去主动获取，所以避免了冗余。此外，由于任一数据块可能在多个伙伴上可用， 所以覆盖网络对时效是健壮的。最后，随机化的伙伴关系意味着节点间的潜在 的可用带宽可以被完全利用。 由于p 2 p 流媒体系统中节点存在不稳定性，p 2 p 流媒体系统需要解决如下 几个关键技术【1 7 】：文件定位、节点选择、容错以及安全机制等。 p 2 p 方式的文件查找研究是近年来p 2 p 计算的一个研究热点。在p 2 p 网络 结构中常用的文件定位方式是通过分布式哈希表( d h t ) 算法【1 8 】来实现，每个 文件经哈希运算后得到一个唯一的标识符，每个节点也对应一个标识符，文件 存储到与其标识符相近的节点中。查找文件时，首先哈希运算文件名得到该文 件的标识符，通过不同的路由算法找到存放该文件的节点。虽然d h t 方式查找 文件快速有效，但是也存在一些固有的问题，如d h t 是将文件均匀分布在各个 节点上，不能反映媒体文件的热门度，导致负载的不均衡；其次d h t 不能提供 关键字的搜索，如同时包含媒体文件名、媒体类型等丰富信息的文件的查询。 文献l l 川在泛洪机制基础上做了改进，在无结构的p 2 p 网络中采用了或然性 的泛洪技术，通过或然性的分析选取优化的分支进行泛洪操作，从而使其伸缩 性比正常泛洪机制提高9 9 。d n c t s 骶a m 【2 0 】是一个基于目录的p 2 p 流媒体点- 播系统，其媒体文件的查找方式是通过目录服务器来维护所有媒体服务器信息 和客户信息( 包括p 地址、缓冲大小等) 。当新客户的请求到达时，在目录中 查找请求的媒体文件，快速返回侯选节点，侯选节点可以是媒体服务器，也可 以是可提供该影片片段的客户，从而具有p 2 p 的特性。但是由于其目录服务器 的集中式管理，d i r e c t s 仃e 锄系统的规模受到了限制。 在一个典型的p 2 p 覆盖网络中，网络中的节点来自各个不同自治域，节点 可以在任一时间自由地加入或离开覆盖网络，导致覆盖网络具有很大的动态性 和不可控性。因此，如何在服务会话初始时，确定一个相对稳定的可提供一定 服务质量( q o s ) 保证的服务节点或节点集合是p 2 p 流媒体系统迫切需要解决 的问题。 p 2 p 流媒体发展如此迅速，网络上兴起的各种p 2 p 流媒体软件吸引了大量 的用户，显示出了巨大的生命力，但是另一方面构建一个有效的p 2 p 流媒体系 华东师范大学硕士学位论文 统还面临着许多挑战，包括节点的管理以及建立发布树、应付不可预知的节点 失效以及适应网络状态的变化等。尽管如此，p 2 p 流媒体技术的优越性仍然引 起了许多大学、研究机构以及商业机构的重视，随着运营商的加入，p 2 p 流媒 体的研究势必取得更大的进展并将更加广泛地应用于商业领域，为了保障这一 点j 研制流媒体质量监控系统以保证系统的稳定性、提高它的可靠性是必须的。 三、p t v 流媒体 网络电视( p t v ) 也叫交互式网络电视，是利用宽带网的基础设施，以家 用电视机( 或计算机) 作为主要终端设备，集互联网、多媒体、通信等多种技 术于一体，通过互联网络协议( p ) 向家庭用户提供包括数字电视在内的多种 交互式数字媒体服务的崭新技术【2 l 】。 2 0 0 6 年以来，冲国的i p l 、，产业步入提速阶段，突出表现是：试点区域不 断扩大、多种模式百花齐放、合作共赢成为主流、技术标准日益明确。在上海， 大规模放号之后引发的市场冲动、从a d s l 到光纤城域网的多种技术手段，都 显示出试验特区发展的魄力；在哈尔滨，一年半的成功合作，使其用户总量已 超7 万户；在河南，以农村信息化为主题的i p l 、，进程，更富有现实的和谐意 义；而随着广电i m ，牌照的次第发放、通信运营商向综合信息服务商的全面 转型，i p t v 在三网融合进程中的关键地位越来越强。 i p l 、，已经在公众中形成一定的知名度，包括运营商、内容提供商、设备商、 终端厂商在内的产业链各个环节均在积极推动i p 产业的发展。尽管目前在政策 层面和网络技术层面还有一定障碍，但仍然对i p l v 的未来充满信心。经济的 持续发展、世界杯、2 0 0 8 年北京奥运会等利好因素的刺激，将使中国成为全 球i m ，的最大潜在市场。到2 0 1 0 年，中国的i p l 、，用户数有望超过2 0 0 0 万。那时，i p l 、，的商用将不再是个问题。 本文2 3 小节将对m t v 技术及其发展状况作较为详细的描述。 2 3p t v 发展状况 随着宽带用户的迅猛增长，任何一项基于宽带的新技术，在中国都具有广 泛的市场。据业界预测，到2 0 0 8 年中国的网络电视用户总数将达到1 亿；如果 按照用户人均消费1 0 0 0 元计算，未来四年时间，中国的网络电视市场将达到 1 0 0 0 亿元。所以p ，在中国的发展潜力巨大。五月份国家刚刚发出了我国第 一块d t v ( 网络电视) 的牌照，而且国内电信业的几个大的运营商，中国电信 和网通等，软件业的巨无霸微软公司和威盛也从不同的方面对此投入了很高的 华东师范大学硕士学位论文 热情。 那么什么是p ，呢? m ，国内也称之为网络电视。是一种基于 矾t e i 心m t 新兴技术。是一种个性化、交互式服务的崭新的媒体形态。它通过 电信通道，利用a d s l 或以太网或者有限电视网络等接入宽带网，通过互联网 协议( p 协议) 来传送电视信号，以家用电视机或电脑作为主要终端电器。提 供包括电视节目在内的多种数字媒体服务。其关键技术是利用电脑或“机顶盒+ 电视一完成信号接收。还原成原始数据以便在p c 软件或电视中播放。p t v 系 统又叫交互电视，它的系统结构主要包括流媒体服务、节目采编、存储及认证 计费等子系统，其技术主要包括音视频编解码技术、流媒体传送技术、宽带接 入网络技术、m 机顶盒技术等。主要存储及传送的内容是经过编码的流媒体文 件，由于基于p 网络传输，通常要在边缘设置内容分配服务节点，配置流媒体 服务及存储设备，实现信号的转发。 p t v 视频广播系统主要是以存在了很久m u l t i c a s t 技术和i q 皿协议为基 础圈，针对现有d 城域网络的实际状况和运营商的运营需求，提出管理平台架 构及软件架构设计，从理论上解决了从中心到客户端的视频广播的技术问题和 管理问题。 i p t v 音视频编解码技术在整个系统中处于重要地位，p t v 作为i p 网络上 的视频应用，对音视频编解码有很高的要求。首先，编码要有高的压缩效率和 好的图像质量，压缩效率越高，传输占用带宽越小；图像质量越高，用户体验 则越好。其次，口t v 平台应能兼容不同编码标准的媒体文件，以适应今后业务 的发展。最后，要求终端支持多种编码格式或具备解码能力在线升级功能。 目前主流的视频编码格式有以下几种：m p e g 2 ( i s o e c l 3 8 1 8 2 ) 、 e g - 4 p a n 2 ( i s o i e c l4 4 9 6 - 2 ) 、h 2 6 舭w c ( 即e g 4p a r t lo ) 、微软的 w m v - 9 、r e a l 公司的视频格式，前三者为公开的国际标准，后两者为企业的私 有标准。 m p e g - 2 是d v d 标准之一，编码比较简单，以t s ( t r a n s p o r t s 晚a m ) 流方式 传输为主。m p e g - 4 p a 叱标准开放，同等条件下的编码复杂度是m p e g 2 的3 倍，图像质量是m p e g 2 的1 5 3 倍。h 2 6 4 是3 g p p 编码标准之一，也是 h d d v d 存储格式之一，同等条件下的编码复杂度是m p e g 一2 的4 倍，图像质 量是m p e g 2 的4 8 倍。微软的w m v - 9 是h d d v d 存储格式之一，同等条 件下的编码复杂度是m p e g 2 的1 5 2 倍，图像质量是m p e g 2 的1 5 3 倍。 r e a l 公司的视频格式是在窄带( 主要的互联网) 上进行多媒体传输的压缩编码技 术。 p t v 的核心业务是数字音视频流业务，流媒体传送技术相当重要，如果传 华东师范大学硕士学位论文 送技术高效可靠，不仅可以节约系统带宽，还可以减轻系统负担，使系统得到 优化。通常，口t v 系统中流媒体的传送方式随用户接收方式不同而不同。作为 流媒体技术的应用之一，p t v 从终端用户看主要有点播和广播两种接收方式。 点播接收方式下传送流媒体，由于用户接收服务内容具有个性化，具有实 时交互特点。同时，点播业务对网络带宽的需求也很大，为了避免大量消耗骨 干带宽，同时保证服务质量，要求d 网络能有效地将视频流推送到用户接入网 络，使用户尽可能就近访问。内容分发网络( c d 就能提供这种支持。 广播接收方式下，用户方被动接收流媒体信息，用户对内容选择只限于所 提供的频道，是非交互型的。由于收看广播的用户收看的是相同内容，为了减 少网络带宽浪费，广播接收方式对口网络提出了组播功能要求。 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 一次并同时发送单一的数据 包到多个接收者的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，只有属于该 组播组的地址才能接收到数据包。在口t v 里，组播源往往仅有一个，即使用 户数量成倍增长，主干带宽也不需要随之增加，因为无论有多少个目标地址， 在整个网络的任何一条主干链路上只传送单一视频流，即所谓“一次发送，组内 广播”。组播提高了数据传送效率，减少了主干网出现拥塞的可能性。根据组播 复制点的位置，组播实现方式分为应用层组播、b a r s 组播和d s l 创组播。 口t v 通过宽带接入网络，其接入可以充分利用现有宽带接入技术，主要有 x d s l 、f 兀) 【+ l 气n 、c a b l e m o d e m 等三种。对于目前i p t v 系统“电视机+ 机 顶盒”的主要实现形式，与宽带接入网的连接以及坤数据和视频流的收发和处 理由口机顶盒实现，除此之外，口机顶盒还实现两方面的功能： 1 、对接收的视频流进行解码，包括对m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 。4 、踟、 r e a l 等编码格式的解码，支持视频点播、电视屏幕显示、数字版权管理等功能； 2 、支持h n 札网页浏览、网络游戏等。 球t v 机顶盒所有功能的实现均基于高性能微处理器，嵌入式操作系统是对 芯片实时解码和纯软件实时解码应用的基本支撑平台。目前，m t v 机顶盒的嵌 入式操作系统基本上分为嵌入式w m c e 和嵌入式l i n u x 两类。w m i 晓最大特点 是其a p i 与w n 3 2 兼容，这有利于使用w h l ( 1 0 w s 环境开发w m c e 应用，此外， w m v _ 9 播放器还可直接运行于w n c e ，许多现成的w m d o w s 组件稍加改造就 能应用于终端上的网络管理以及视频流控制等，这些对d s l 低带宽环境充分分 享w i l l d o w s m e d i a 优秀成果而言，不能不说是事半功倍的终端开发捷径。 嵌入式l i n l 机顶盒以专