都思同　黃德昌

摘 要：為了給終端用戶提供更好質(zhì)量的視頻，本文提出了一種基于H264/AVC擴(kuò)展的自適應(yīng)多路徑視頻流可伸縮視頻編碼算法，通過(guò)視頻流分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（VDN）提供路徑的多樣性，我們的方法最終適應(yīng)于各種終端用戶，并且通過(guò)在多路徑上的可用帶寬的變化來(lái)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明該算法更能有效地估計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況、降低視頻丟包率和減少網(wǎng)絡(luò)延遲，從而更有效地保證視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：視頻流分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；可伸縮視頻編碼；多路徑

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to provide better video terminal user，this paper presents an algorithm of adaptive multipath video scalable video coding，which is based on the H264/AVC extension.Through video distribution network （VDN） provides the path of diversity，by using the method of scalable video coding our method finally adapted to the various terminal users，and adapt the undulate of the network bandwidth through the changes of the available bandwidth on the multipath.

Keywords：video distribution network；scalable video coding；multi-path

1 引言（Introduction）

在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、帶寬的波動(dòng)、終端用戶的多樣性等都是影響視頻流應(yīng)用的因素[1]。站在視頻編碼的觀點(diǎn)看，可擴(kuò)展性被認(rèn)為是一個(gè)既涉及視頻編碼又涉及網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)的解決方案，它把視頻編碼在多個(gè)層中，以優(yōu)化對(duì)于給定比特率范圍的視頻質(zhì)量，而不是一個(gè)給定的比特率[2]。它使大量異構(gòu)的用戶可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)查看所需要的視頻流[3]。其中最知名的可擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)是H.264/MPEG-4AVC視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的可伸縮視頻編碼（SVC）[4]。從網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)，基于多路視頻流的方法是一個(gè)很好的解決方案[5]。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)趨勢(shì)是通過(guò)視頻分發(fā)網(wǎng)絡(luò)為視頻流提供利用路徑的多樣性。我們?cè)诒疚牡哪繕?biāo)是提供一個(gè)系統(tǒng)，為在VDN上的多路徑視頻流提供SVC耦合編碼，以提供最好質(zhì)量的視頻給終端用戶，同時(shí)保持最終用戶的需求和網(wǎng)絡(luò)資源消耗之間的平衡。

2 伸縮視頻編碼和VDN視頻流（Scalable video coding and VDN video streaming）

可伸縮性編碼通過(guò)增加伸縮功能擴(kuò)展為可伸縮壓縮編碼架構(gòu)?；贖.264擴(kuò)展的SVC架構(gòu)已被選定為SVC新標(biāo)準(zhǔn)的草案，該架構(gòu)中有許多的編碼模塊都沿用了H.264標(biāo)準(zhǔn)的功能。其主要特性有：基本層與H.264標(biāo)準(zhǔn)的主要描述級(jí)（Main Profile）完全兼容、低解碼復(fù)雜度的層間預(yù)測(cè)、支持自適應(yīng)性低延遲的時(shí)域分解模式、自適應(yīng)的MCTF更新步驟、精細(xì)粒度SNR可伸縮性和靈活的綜合可伸縮性等。

視頻分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于覆蓋的架構(gòu)，多個(gè)覆蓋節(jié)點(diǎn)將被部署在VDN中充當(dāng)覆蓋的入口/出口或者作為中間節(jié)點(diǎn)。然后在出口節(jié)點(diǎn)移除VDN包頭并分發(fā)視頻流給接收者。文獻(xiàn)提出的方法需要對(duì)VDN中間節(jié)點(diǎn)預(yù)先存儲(chǔ)的視頻文件的副本。以前的一些研究主要集中在視頻編碼方法，以及路徑選擇方法。我們的研究工作是覆蓋路徑選擇的可用帶寬估計(jì)和可伸縮視頻編碼。

3 在VDN多路徑上的SVC視頻流解決方案（SVC video streaming solution on VDN multipath）

為了優(yōu)化在一個(gè)給定比特率范圍內(nèi)的而不是單個(gè)比特率的視頻質(zhì)量，SVC編碼在一個(gè)基本層，其中包含所需的最小數(shù)據(jù)和幾個(gè)增強(qiáng)層。不同的SVC層的低比特率使每層都可以用比較小的帶寬傳輸。另一方面，發(fā)送多個(gè)增強(qiáng)層產(chǎn)生更好的視頻輸出，但需要更多的帶寬。

3.1 多路徑選擇的可用帶寬估計(jì)

我們用網(wǎng)絡(luò)路徑的可用帶寬指標(biāo)來(lái)評(píng)估我們的最佳路徑，因?yàn)樗梢栽诒韭窂綕M載前確定路徑是否有足夠的能力來(lái)傳輸視頻流。在我們的方法中，每個(gè)VDN節(jié)點(diǎn)有一個(gè)測(cè)量工具來(lái)估算從這個(gè)點(diǎn)到鄰節(jié)點(diǎn)覆蓋鏈接的帶寬。

3.2 SVC多路徑流自適應(yīng)算法

我們的方法主要步驟有：運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的NAP方法、可用帶寬的監(jiān)測(cè)方法、運(yùn)行在服務(wù)器上的多路徑流算法。

NAP方法被應(yīng)用在VDN主機(jī)上，由兩部分組成，參數(shù)收集和監(jiān)控增強(qiáng)層中客戶增加/減少數(shù)。NAP存儲(chǔ)客戶的屏幕類型、CPU能力以及帶寬等參數(shù)信息。增強(qiáng)層中客戶增加/減少數(shù)監(jiān)控在視頻流傳送期間，NAP從服務(wù)器接收到授權(quán)的SVC層，然后，根據(jù)每個(gè)客戶端預(yù)先存儲(chǔ)能力以及該客戶和NAP之間的可用帶寬。

可用帶寬的監(jiān)測(cè)方法是運(yùn)行在服務(wù)器上測(cè)量在SVC服務(wù)器和NAP之間的多覆蓋路徑的帶寬的程序。過(guò)程中一旦帶寬有變化帶寬監(jiān)測(cè)程序就通知服務(wù)器，以便SVC多路徑流算法決定保留或更新相應(yīng)的數(shù)據(jù)流策略。

3.3 SVC多路徑流算法

SVC多路徑流算法包括幾個(gè)部分，初始化NAP信息、NAP判斷是否接收視頻流的條件、NAP能接收的最大增強(qiáng)流層數(shù)、選定增強(qiáng)流層數(shù)后視頻流應(yīng)用什么策略、重新排序路徑列表。

初始化NAP信息作為算法的初始步驟，SVC服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)通信為每個(gè)視頻組播樹(shù)以獲得客戶端的最大需求數(shù)，主要是獲取客戶端的屏幕樣式、CPU能力、網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的帶寬。NAP判斷是否接收視頻流的條件是根據(jù)NAP帶寬算法決定這個(gè)NAP是否可以接收所請(qǐng)求的視頻。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Experimental result）

我們使用了電影《臥虎藏龍》60秒的視頻。此流被用SVC標(biāo)準(zhǔn)編碼器編碼，有一個(gè)基本層和三個(gè)信噪比增強(qiáng)層。從四個(gè)信噪比層的數(shù)據(jù)傳輸率，我們可以看到更高的增強(qiáng)層需要更多的帶寬，還有就是SVC基本層的損失敏感性問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是測(cè)試算法自適應(yīng)客戶端的能力，實(shí)驗(yàn)表明 取值為1.5時(shí)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和三個(gè)客戶端之間的最后鏈接帶寬區(qū)間如下：

根據(jù)以上我們知道NAP發(fā)送C1的帶寬作為最大帶寬給服務(wù)器的話，如圖1（b），如圖2（b）所示，在不使用我們的算法時(shí)如圖1（a）所示。圖2（a）與圖3表明不用本文算法則C2和C3不能解碼低帶寬的視頻。

（a）不用本文算法時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸率

（b）SVC傳輸層情況

（a）不用本文算法時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸率

（b）SVC傳輸層情況

5 結(jié)論（Conclusion）

在本文中，我們提出了一個(gè)用于耦合疊加的多路視頻的視頻分配網(wǎng)絡(luò)流的方法（VDN），具有H.264/AVC擴(kuò)展的可伸縮視頻編碼（SVC）。結(jié)果表明我們的方法可以觀察在多個(gè)覆蓋路徑可用帶寬的變化，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動(dòng)，適時(shí)改變流策略。然而，SVC基本層的損失靈敏度問(wèn)題還需要我們進(jìn)一步去突破。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者簡(jiǎn)介：

都思同（1993-），男，本科生.研究領(lǐng)域：編碼技術(shù)，通信系統(tǒng).

黃德昌（1983-），男，碩士，中級(jí)實(shí)驗(yàn)師.研究領(lǐng)域：編碼技術(shù)，通信系統(tǒng).