CN1437124A - 自适应网络带宽的多媒体传送*** - Google Patents
自适应网络带宽的多媒体传送*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种自适应网络带宽的多媒体传送***，主要包括视频服务器、客户机和因特网，视频服务器通过因特网向客户机实时传送多媒体信息，其中视频服务器上包括：视频数据存储区，发送缓冲区，质量自适应器，拥塞控制模块，质量自适应器上的质量控制器按照规则依次从视频数据存储区中取出数据，自动根据网络情况相应调整所发送的视频数据的质量，进行自适应调整处理后放入发送缓冲区；客户机上包括：应答器，接收缓冲区，解码器，播放器和播放监视器，播放监视器用于监视客户的非正常播放事件，本发明从一个全新的角度解决自适应网络带宽的实时传送多媒体的技术问题，实现了一套简单易用、不用预测带宽而又效果很好的实时传送多媒体方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络多媒体传送技术，特别是一种利用因特网实时传送多媒体信息的自适应网络带宽的多媒体传送***。
背景技术
利用因特网实时传送多媒体信息正日益受到业界的广泛重视，并有很多应用领域，如视频点播、网络图书馆、远程教育、利用互联网传送电视节目等等。但是，由于因特网的带宽、负荷等变化剧烈，难以满足多媒体业务的实时***质量要求，并常常造成播放卡壳、延迟、视频质量抖动剧烈等不良情况。针对这个问题，许多研究者做了深入的研究。其中以RezaRejaie(现在美国贝尔实验室工作)等人最近提出的分层质量自适应方案{Layered Quality Adaptation for Internetideo Streaming}为最具代表性。在Reza Rejaie的方案里，视频数据是分层编码的，层次越多播放的质量越好，但要求的带宽也越高。该方案根据对网络带宽的预测来决定增减传送的视频数据的层数。如图1所示，整个***由三部分组成：视频服务器(Server)、因特网(Internet)、客户机(Client)。视频服务器响应客户机的请求通过因特网向客户机传送视频数据；客户机开辟几个缓冲区用于存放从因特网到达的数据，同时客户机上有一个播放器实时地从数据缓冲区中取视频数据进行播放。***的核心部件是视频服务器上的质量自适应子***(QualityAdaptation)。在视频服务器端，拥塞控制模块(Congestion control)与网络进行交互，探测网络的带宽并相应地调整发送速率。而质量自适应模块根据拥塞控制模块返回的信息进一步预测带宽并相应地调整传送的视频数据的层数。在该方案里，假定拥塞控制模块采用TCP友好拥塞控制策略(TCP-friendly congestion control)，然后根据TCP友好拥塞控制策略的特性和当前服务器的发送速率预测下一阶段的可用带宽，并进行质量自适应调整。
由于需要预估网络带宽，这带来三个方面的严重问题：
1)因特网情况很复杂，带宽预计常常不准，造成***性能大幅下降；
2)为了预估带宽，质量自适应***必须知道拥塞控制模块是如何工作的。而实际上不同的服务器可能采用不同的拥塞控制策略，这使得现有技术在应用上困难很大；
3)为了预估带宽并进行相应的质量自适应调整，现有技术必须正确设置一系列参数。不幸的是，这些参数的设置只能依靠经验和试凑法，不利于技术的实际应用。
正因为这些原因，目前国际上尚缺少能够在因特网上实时传送多媒体数据的合适产品。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，从一个全新的角度解决自适应网络带宽的实时传送多媒体的技术问题，发明并实现了一套简单易用、不用预测带宽而又效果很好的实时传送多媒体方案。严格的理论证明和仿真实验说明本方案效果很好，非常便于实现。
为实现本发明的目的采用以下技术方案。
一种自适应网络带宽的多媒体传送***，主要包括视频服务器、客户机和因特网，视频服务器通过因特网向客户机实时传送多媒体信息，其中
(1)视频服务器上包括：
a.视频数据存储区，将视频数据按照播放次序排在该视频数据存储区中；
b.发送缓冲区，用于暂时存放视频数据；
c.质量自适应器，按照规则依次从视频数据存储区中取出数据，自动根据网络情况相应调整所发送的视频数据的质量，进行自适应调整处理后放入发送缓冲区；
d.拥塞控制模块，按拥塞控制策略从发送缓冲区中取数据往因特网里发送；
(2)客户机上包括：
a.应答器，用于向视频服务器的拥塞控制模块发送应答信号，协助拥塞控制模块进行拥塞控制；
b.接收缓冲区，用于暂时存放通过因特网传送来的视频数据；
c.解码器，负责解码；
d.播放器，负责播放；
e.播放监视器，监视客户的非正常播放事件。
所述的质量自适应器进一步包括：
(1)发送缓冲区监视器，用于监视发送缓冲区中的数据量情况；
(2)调度整形器，由发送缓冲区监视器激发，经激发后从视频数据存储区中取出下一帧数据，经整形处理后将该帧数据放入发送缓冲区等候发送；
(3)质量控制器，控制当前调度整形器所处理的帧的质量；
(4)接收缓冲区观测器，用于观测接收缓冲区中的数据量。
所述的发送缓冲区监视器具有一给定阈值，当发送缓冲区中的数据量小于该给定阈值时，发送缓冲区监视器激发调度整形器。
所述的质量控制器是一种输入为接收缓冲区观测器的输出Br、输出为视频质量Q的调节器，该调节器选自比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器、模糊调节器。
在所述的比例积分调节器和比例积分微分调节器中还包括积分器，第n个采样时刻积分器的输出记为Integ(n)。
所述的质量控制器实现质量控制的步骤为：
(1)预先设定接收缓冲区数据量的参考值Ref；
(2)按视频播放的帧率f设定采样频率，使采样频率≥f；
(3)设定质量控制器的调节参数Kp、Ki、Kd；
(4)按照设定的采样频率做采样控制运算，从而求出当前时刻的视频质量Qn；
(5)将视频质量Qn输出到调度整形器。
对于比例积分调节器和比例积分微分调节器，所述的采样控制运算包括步骤：
(1)读入当前接收缓冲区观测器的观测值Br(n)；
(2)将Br(n)与接收缓冲区数据量的参考值Ref进行比较；
(3)按照下式调整积分器的输出：
Integ(n)＝Ki×(Br-Ref)+Integ(n-1)
(4)按照下式计算视频质量：
Q＝Integ(n)+Kp×[Br(n)-Ref]+Kd×[Br(n)-Br(n-1)]
所述的接收缓冲区观测器观测t时刻接收缓冲区的数据量Br(t)的步骤为：
(1)从质量控制器和调度整形器里获得以前(即0→t时间内)通过网络发送的视频数据帧的质量及每一帧的大小，再利用客户机的播放帧率以及所述的播放监视器的反馈信息，即客户机发生非正常播放事件的信息，精确估算出到t时刻为止客户机一共播放了多少数据C(t)；
(2)接收缓冲区观测器利用发送缓冲区监视器的信息算出从开始播放到t时刻一共向客户机传送了多少数据S(t)；
(3)从而接收缓冲区观测器可以算出t时刻接收缓冲区中的数据量Br(t)＝S(t)-C(t)。
所述的客户机所发生的非正常播放事件包括快进播放、暂停播放、快退播放等。
所述的调度整形器的整形处理包括步骤：
(1)读取质量控制器的当前输出Qt；
(2)调整所述的下一帧数据，使得该帧的视频质量尽可能接近Qt。
本发明的优点在于：
1.本发明能使多媒体服务器自动适应网络状况实时传送多媒体数据，即使在剧烈变化的网络环境下，采用该技术仍能保证客户端享受到连续的、平稳的、最高质量的视频服务；
2.本技术不需估计网络带宽，避免了网络带宽估计不准带来的性能大幅下降；
3.本发明实现了质量自适应***与拥塞控制***的解耦，从而使得本发明中的质量自适应***能在任何拥塞控制策略下工作，极大地降低了技术推广的难度；
4.本发明能很好地屏蔽网络带宽的短时间尺度波动对视频播放质量的影响，网络带宽波动包括长时间尺度的波动和短时间尺度的波动，由于拥塞控制的作用，网络带宽的短时间尺度波动常常比较大，如果直接按照网络实时带宽进行视频质量调节，必然会造成视频质量抖动剧烈，让客户很不舒服。本发明不需直接跟踪网络带宽进行质量调节，很好地屏蔽了网络带宽的短时间尺度波动对视频播放质量的影响；
5.本发明极大地简化了参数的调节难度，同时需要调节的参数量很少。
附图说明
图1是现有的分层质量自适应***体系结构示意图；
图2是本发明自适应网络带宽的多媒体传送***结构示意图；
图3是本发明的程序流程图；
图4是本发明的质量控制器流程示意图；
图5是实施本发明时在剧烈的带宽变化情况下的性能实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图2所示，一种自适应网络带宽的多媒体传送***，不用预测带宽而又能很好地自适应网络带宽，从而保证实时高质量传送多媒体信息，该***主要包括视频服务器1、客户机2和因特网3，视频服务器1通过因特网3向客户机2实时传送多媒体信息。
所述的视频服务器1上进一步包括：
a.视频数据存储区11，将视频数据按照播放次序排在该视频数据存储区11中；
b.发送缓冲区13，用于暂时存放视频数据；
c.质量自适应器12，按照规则依次从视频数据存储区11中取出数据，自动根据网络情况相应调整所发送的视频数据的质量，进行自适应调整处理后放入发送缓冲区13；
d.拥塞控制模块14，按拥塞控制策略从发送缓冲区13中取数据往因特网3里发送。
所述的客户机2上包括：
a.应答器21，用于向视频服务器1的拥塞控制模块14发送应答信号，协助拥塞控制模块14进行拥塞控制；
b.接收缓冲区22，用于暂时存放通过因特网3传送来的视频数据；
c.解码器23，负责解码；
d.播放器24，负责播放；
e.播放监视器25，监视客户的非正常播放事件。
所述的质量自适应器12进一步包括：
(1)发送缓冲区监视器121，用于监视发送缓冲区中的数据量情况；
(2)调度整形器122，由发送缓冲区监视器121激发，经激发后从视频数据存储区11中取出下一帧数据，经整形处理后将该帧数据放入发送缓冲区13等候发送；
(3)质量控制器123，控制当前调度整形器122所处理的帧的质量；
(4)接收缓冲区观测器124，用于观测接收缓冲区22中的数据量。
下面用微软公司的VisualC++开发工具开发了本发明的一个原型***作为实施例，结合图3所示本发明的程序流程框图，详细说明如何实现本发明，并给出各种实施方式。
在本实施例中，视频服务器1端的拥塞控制模块14负责与因特网2的交互并向因特网传送数据，拥塞控制模块14有很多种实现方式。其中一种简单的方式是直接采用套接字接口来实现。微软的视窗***提供WinSocket编程接口。利用MFC类中的CSocket类(或CAsyncSocket类)可以实现向网络中传送数据并实现拥塞控制的功能。在UNIX平台上，可以采用BSD-Socket接口进行实现。本***同样允许参照任何一种拥塞控制策略，在TCP/IP的体系结构下实现拥塞控制模块14。
视频服务器1端的发送缓冲区13只要在服务器开辟一块内存空间即可实现。通常发送缓冲区13比较小，只要几十K字节的空间。视频数据存储区11通常由大容量的存储器(如硬盘、光盘)等实现。
视频服务器1上的质量自适应器12是关键。该质量控制器12可以用硬件实现，也可以用软件实现。图3和图4给出了主程序流程图和质量控制器流程图。在本实施例中，发送缓冲区监视器121监测到发送缓冲区13中数据小于给定阈值时，就进行下一帧数据的处理。该发送缓冲区13的监视作用可以用中断来实现，也可以用定时查询来实现。对下一帧数据的处理包括三个步骤：
1)从视频数据存储区11里取下一帧(第j帧)数据；调度整形器122访问第j帧数据的存储地址就可实现这一步；
2)调度整形器122根据质量控制器123的输出来调制第j帧数据。对数据帧的调制可以用很多方式实现：如果视频数据是分层编码的，那么可以通过从该帧数据中选择合适的层数来达到调制该帧数据的视频质量和发送比特率要求；如果视频数据是可扩展编码的，那么可以直接利用可扩展编码的特性来调制数据；如果视频数据是按MPEG-2或更早的编码标准编码的，那么可以采用动态比特率整形(Dynamical Rate Shaping)的方法调制该帧数据的视频质量和发送比特率要求；
3)调度整形器122把调制后的第j帧数据放到发送缓冲区13等待发送。然后调度整形器122把指针指向视频数据存储区11里的下一帧(第j+1帧)。然后进行上述循环，直至播放结束。
在本实施例中，用采样控制器实现质量控制器123，图4给出了质量控制器流程图。由于视频播放的帧率为f帧每秒(通常为30帧每秒)，选取质量控制器123的采样频率为大于或等于f赫兹。微软视窗操作***的软件定时器可以用来产生采样中断，其他一些硬件也可用来产生采样中断。在本实施例中，用比例积分调节器来进行视频质量控制。每到一个采样时刻，质量控制器123读入接收缓冲器观测器124的输出，并进行比例积分运算，最后输出视频质量。也可以用其他的调节器来进行视频质量控制，比如模糊调节器、比例调节器等等。
在图4所示的质量控制器流程图中，有一比例积分器，积分器的输出为Integ(n)。该质量控制器123有三个参数：
1)接收缓冲区22数据量的参考值Ref，用于设定接收缓冲区数据量的调节目标；
2)比例积分调节器的比例项系数Kp，用于设定比例积分调节器的比例项的调节强度；
3)比例积分调节器的积分项系数KI，用于设定比例积分调节器的积分项的调节强度。
所述的质量控制器123实现质量控制的步骤为：
(1)预先设定接收缓冲区22数据量的参考值Ref；
(2)按视频播放的帧率f设定采样频率，使采样频率≥f；
(3)设定质量控制器12的调节参数Kp、Ki；
(4)按照设定的采样频率做采样控制运算，从而求出当前时刻的视频质量Qn；
(5)将视频质量Qn输出到调度整形器122。
如图4所示，质量控制器123通过比例积分调节器实现每帧数据调制的流程图。所述的采样控制运算包括：首先取初始化Integ＝0，到采样时间时，读入当前接收缓冲区观测器124的观测值Br(n)；将Br(n)与接收缓冲区数据量的参考值Ref进行比较；按照下式调整积分器的输出：
Integ(n)＝Ki×[Br(n)-Ref]+Integ(n-1)
再按照下式计算视频质量：
Q＝Integ(n)+Kp×[Br(n)-Ref]
然后输出视频质量Q。
所述的接收缓冲区观测器124观测t时刻接收缓冲区22中的数据量Br(t)的步骤为：
(1)从质量控制器123和调度整形器122里获得以前(即0→t时间内)通过网络3发送的视频数据帧的质量及每一帧的大小，再利用客户机2的播放帧率以及所述的播放监视器25的反馈信息，即客户机2发生非正常播放事件的信息，精确估算出到t时刻为止客户机2一共播放了多少数据C(t)；
(2)接收缓冲区观测器124利用发送缓冲区监视器121的信息算出从开始播放到t时刻一共向客户机2传送了多少数据S(t)；
(3)从而接收缓冲区观测器124可以算出t时刻接收缓冲区22中的数据量Br(t)＝S(t)-C(t)。
所述的客户机2所发生的非正常播放事件包括快进播放、暂停播放、快退播放等。
所述的调度整形器122的整形处理包括步骤：
(1)读取质量控制器的当前输出Qt；
(2)调整所述的下一帧数据，使得该帧的视频质量尽可能接近Qt。
图5所示为在剧烈的带宽变化情况下的性能实验结果，其中(a)表示实验用的带宽情况，(b)表示在客户机端得到的视频播放质量，(c)和(d)分别表示在播放期间接收缓冲区22和发送缓冲区13的数据量情况。对比图中(a)和(b)，可以看出，在网络带宽剧烈变化的情况下，视频质量变化很平缓。由图之(c)可知，在播放过程中，接收方的缓冲区始终没有上溢和下溢，这表明客户始终能享受到连续的视频播放，没有出现播放卡壳，也没有因为缓冲区上溢而丢掉从网络传过来的视频数据。图之(d)则表明发送缓冲区13始终在50K字节左右，没有发生下溢，这说明网络发送模块始终有数据可发，也就是说网络带宽得到了充分的利用。
Claims (10)
1.一种自适应网络带宽的多媒体传送***，主要包括视频服务器、客户机和因特网，视频服务器通过因特网向客户机实时传送多媒体信息，其中
(1)视频服务器上包括：
a.视频数据存储区，将视频数据按照播放次序排在该视频数据存储区中；
b.发送缓冲区，用于暂时存放视频数据；
c.质量自适应器，按照规则依次从视频数据存储区中取出数据，自动根据网络情况相应调整所发送的视频数据的质量，进行自适应调整处理后放入发送缓冲区；
d.拥塞控制模块，按拥塞控制策略从发送缓冲区中取数据往因特网里发送；
(2)客户机上包括：
a.应答器，用于向视频服务器的拥塞控制模块发送应答信号，协助拥塞控制模块进行拥塞控制；
b.接收缓冲区，用于暂时存放通过因特网传送来的视频数据；
c.解码器，负责解码；
d.播放器，负责播放；
e.播放监视器，监视客户的非正常播放事件。
2.根据权利要求1所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的质量自适应器进一步包括：
(1)发送缓冲区监视器，用于监视发送缓冲区中的数据量情况；
(2)调度整形器，由发送缓冲区监视器激发，经激发后从视频数据存储区中取出下一帧数据，经整形处理后将该帧数据放入发送缓冲区等候发送；
(3)质量控制器，控制当前调度整形器所处理的帧的质量；
(4)接收缓冲区观测器，用于观测接收缓冲区中的数据量。
3.根据权利要求2所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的发送缓冲区监视器具有一给定阈值，当发送缓冲区中的数据量小于该给定阈值时，发送缓冲区监视器激发调度整形器。
4.根据权利要求2所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的质量控制器是一种输入为接收缓冲区观测器的输出Br、输出为视频质量Q的调节器，该调节器选自比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器、模糊调节器。
5.根据权利要求4所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的比例积分调节器和比例积分微分调节器中还包括积分器，第n个采样时刻积分器的输出记为Integ(n)。
6.根据权利要求2所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的质量控制器实现质量控制的步骤为：
(1)预先设定接收缓冲区数据量的参考值Ref；
(2)按视频播放的帧率f设定采样频率，使采样频率≥f；
(3)设定质量控制器的调节参数Kp、Ki、Kd；
(4)按照设定的采样频率做采样控制运算，从而求出当前时刻的视频质量Qn；
(5)将视频质量Qn输出到调度整形器。
7.根据权利要求5和6所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的采样控制运算包括步骤：
(1)读入当前接收缓冲区观测器的观测值Br(n)；
(2)将Br(n)与接收缓冲区数据量的参考值Ref进行比较；
(3)按照下式调整积分器的输出：
Integ(n)＝Ki×(Br-Ref)+Integ(n-1)
(4)按照下式计算视频质量：
Q＝Integ(n)+Kp×[Br(n)-Ref]+Kd×[Br(n)-Br(n-1)]
8.根据权利要求2所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的接收缓冲区观测器观测t时刻接收缓冲区的数据量Br(t)的步骤为：
(1)从质量控制器和调度整形器里获得以前(即0→t时间内)通过网络发送的视频数据帧的质量及每一帧的大小，再利用客户机的播放帧率以及所述的播放监视器的反馈信息，即客户机发生非正常播放事件的信息，精确估算出到t时刻为止客户机一共播放了多少数据C(t)；
(2)接收缓冲区观测器利用发送缓冲区监视器的信息算出从开始播放到t时刻一共向客户机传送了多少数据S(t)；
(3)从而接收缓冲区观测器可以算出t时刻接收缓冲区中的数据量Br(t)＝S(t)-C(t)。
9.根据权利要求8所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的客户机所发生的非正常播放事件包括快进播放、暂停播放、快退播放等。
10.根据权利要求8所述的自适应网络带宽的多媒体传送***，其特征在于，所述的调度整形器的整形处理包括步骤：
(1)读取质量控制器的当前输出Qt；
(2)调整所述的下一帧数据，使得该帧的视频质量尽可能接近Qt。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20050608 |