CN1490980A - 用于流式传输多媒体数据的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种多媒体流式传输装置和方法，通过所述装置和方法，按照网络条件来自适应地发送多媒体数据。多媒体流式传输装置响应于与要提供的多媒体数据对应的元数据的语法分析结果和由接收多媒体数据的客户机测量的网络带宽信息而流式传输与预定的服务质量等级对应的多媒体数据。因此，可以执行对应于网络的带宽改变的自适应多媒体流式传输而不向服务器上施加任何附加的负担。

Description

用于流式传输多媒体数据的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种多媒体数据的传输，具体涉及多媒体流式传输(streaming)装置和方法，通过所述装置和方法，按照网络的条件来自适应地传输多媒体数据。
背景技术
流式传输是这样的一种技术，通过它可以处理要传输的数据以便不断地和连续地进行数据传输。流式传输技术随着因特网的发展已经变得越来越重要。这是因为多数用户没有足够快的因特网连接线来迅速地下载大的多媒体文件。如果使用流式传输技术，则即使在文件的完全传输还没有完成的时候也可以由客户机浏览器或***程序来提供数据。
但是，在流式传输环境中，网络运行的条件不是始终稳定的。通常，即使对应于初始网络带宽多媒体流式传输服务，如果范围接收器数量增大，则出现网络拥塞，从而不能保证稳定的服务。因此，需要一种对应于网络中的变化来改变传输率的流式传输服务。
自适应流式传输是这样的技术，它按照网络工作的环境中的变化来适当地调整传输数据的数量。自适应流式传输的实现示例包括下列。
U.S.Pat.No.6,014,694，“System for adaptive video/audio transport over anetwork，”granted to Aharoni et al.in January 2000(2000年1月授予Aharoni等的美国专利第6,014,694号“通过网络的自适应视频/音频传送***”)公开了一种多比特流业务，其中所期望的比特率被划分成多个等级，与各个比特率对应的多媒体流被产生和一起被存储。按照这种方法，存储每个帧的流，或分别存储对应于每个比特率的流，然后每个服务器有选择地流式传输对应的流。但是，这个方法具有一个缺点在于用于服务一个多媒体内容的存储流的大小较大。
U.S.Pat.No.6,091,777，“Continuously adaptive digital video compressionsystem and method for a web streamer，”granted to Guetz et al.in July 2000(2000年7月授予Guetz等的美国专利第6,091,777号“连续自适应数字视频压缩***和用于万维网成流器(streamer)”)公开了一种通过当传输数据时根据信道的带宽和客户机的资源条件而调整图象的压缩率来编码数据的方法。但是，这种方法通过对于每个帧比较当前的带宽与前一个帧的压缩率来调整下一个帧的压缩率，因此计算量大并且服务器的开销大。
U.S.Pat.No.6,181,711，“System and method for transporting a compressedvideo and data bit stream over a communication channel，”granted to Zhang et al.in January 2001(2001年1月授予Zhang等的美国专利第6,181,711，号“通过通信信道传送压缩视频和数据比特流的***和方法”)公开了一种方法，通过这种方法，预先压缩的数据的比特率被转换并且数据对应于网络的带宽被再次编码然后被传输。比特率转换包括解码处理、比特率转换处理和编码处理。按照所述方法，每当网络的带宽改变时，应当通过上述的处理来执行比特率转换，因此使得增加了服务器的负载。另外，除非满意地完成了实时的编码，不能保证稳定的服务。
发明内容
本发明提供了一种多媒体流式传输装置和方法，按照所述装置和方法，通过按照网络的带宽变化自适应地改变传输率来提供最佳的多媒体流式传输服务而不对服务器施加负担。
按照本发明的一个方面，提供了一种多媒体流式传输装置，包括：多媒体流式传输服务器，它响应于与所期望提供来用于服务的多媒体数据对应的元数据的语法分析(parsing)结果和从外部输入的网络带宽信息而流式传输与预定的服务质量(QoS)等级对应的多媒体数据；多媒体流式传输客户机，它利用当接收多媒体数据时的时间和关于多媒体数据的大小的信息来测量服务器所连接的网络的带宽，并且向服务器发送所测量的带宽信息。
按照本发明的另一个方面，提供了一种多媒体流式传输服务器，包括：数据存储单元，它存储所期望提供来用于服务的多媒体数据和与多媒体数据相关的元数据(metadata)；元数据语法分析单元，它语法分析元数据并且以描述符的形式输出语法分析结果；消息接收单元，它从客户机接收网络带宽信息；服务质量(QoS)处理单元，它响应于所述描述符信息和网络带宽信息来选择可以用于服务的QoS等级，并且从数据存储单元提取对应于所选择的QoS等级的多媒体数据；缓冲器，它存储所提取的数据；分组产生单元，它将存储在缓冲器中的数据分组化；分组传输单元，它在每个预定的时间间隔向客户机发送存储在缓冲器中的数据。
按照本发明的另一个方面，提供了一种多媒体流式传输客户机，包括：分组接收单元，它从服务器接收多媒体数据；缓冲器，它存储所接收的多媒体数据；多媒体解码器，它再现存储在缓冲器中的数据；带宽测量单元，它利用当在分组接收单元中接收多媒体数据时的时间和数据的大小信息来测量网络带宽；消息传输单元，它向服务器发送所测量的网络带宽，以便根据网络带宽来调整从服务器发送的多媒体数据的传输率。
按照本发明的另一个方面，提供了一种在通过网络连接的服务器和客户机之间执行的多媒体流式传输方法，所述方法包括：(a)客户机向服务器发送服务请求消息和会话连接请求消息；(b)向客户机发送对请求消息的服务确认消息和一对伪分组；(c)响应于由服务器发送分组对，确定网络的初始带宽值并且向服务器发送所确定的初始带宽值；(d)比较由客户机发送的初始带宽信息和作为语法分析元数据的结果获得的描述符信息，确定合适的QoS等级，按照与所述QoS等级对应的传输率而开始提供多媒体流式传输服务；(e)响应于由服务器的流式传输服务发送的分组信息，定期测量网络带宽和向服务器发送所测量的带宽；(f)按照由客户机发送的网络带宽值，提取预定的多媒体流，向客户机发送所提取的多媒体流。
按照本发明的另一个方面，提供了一种通过网络连接到客户机的服务器的流式传输方法，所述方法包括：(a)从客户机接收网络带宽；(b)根据作为语法分析与所期望提供来用于服务的多媒体数据对应的元数据的结果获得的描述符，选择当前的时间段；(c)比较在用于所选择的段的描述符中定义的目标比特率与网络带宽，选择可以用于服务的QoS等级；(d)提取与所选择的QoS等级对应的帧，并且在每个预定的时间间隔将这些帧发送到客户机。
按照本发明的另一个方面，提供了一种客户机的网络带宽测量方法，所述客户机通过网络从服务器接收多媒体数据，所述方法包括：(a)将一个被累加的分组的大小值设置为0；(b)开始从服务器接收分组；(c)将当接收到第一个分组时的时间设置为T1；(d)在输入第一分组之后直到输入最后一个分组，每当输入一个分组的时候，将所述分组的大小值累加到所述被累加的分组的大小上；(e)如果输入了最后一个分组，则将当输入最后一个分组时的时间设置为T2；(f)通过计算
Figure A0315561100151
来测量网络带宽；(g)向服务器返回提供所测量的网络带宽信息。
附图说明
通过参照附图详细说明本发明的优选实施例，本发明的上述和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是按照本发明的一个优选实施例的多媒体流式传输服务器的方框图，所述服务器在可变的网络环境中提供自适应的多媒体流式传输服务；
图2是按照本发明的一个优选实施例的元数据的结构的图；
图3是按照本发明的一个优选实施例的独立型元数据的结构的图；
图4是按照本发明的一个优选实施例的依赖型元数据的结构的图；
图5是按照本发明的一个优选实施例的元数据的结构的图，所述结构用于通过按照网络的带宽变化调整传输比特率而同时流式传输视频流和音频流；
图6是按照本发明的一个优选实施例的多媒体流式传输客户机的方框图，所述客户机处理通过服务器发送的多媒体分组；
图7是示出在图1的服务器和图6的客户机之间执行的多媒体流式传输操作的示意图；
图8是示出在图6中所示的客户机中执行的网络带宽测量方法的流程图；
图9是示出在图1所示的服务器中执行的多媒体流式传输服务处理的流程图；
图10是示出通过按照网络的带宽变化调整传输比特率而自适应地提供多媒体数据的流式传输服务的示例的图；
图11是示出当服务质量(QoS)等级被设置为3时通过按照本发明的一个实施例的自适应流式传输方法的多媒体流的比特率变化的图；
图12是示出当象图11一样将QoS等级设置为3时峰值信号噪声比(PSNR)值的变化的图；
图13是示出当QoS等级被设置为5时通过按照本发明的一个实施例的自适应流式传输方法的多媒体流的比特率变化的图；
图14是当象图13一样QoS值被设置为5时PSNR值的变化的图；
图15是示出当QoS等级被设置为7时通过按照本发明的一个实施例的自适应流式传输方法的多媒体流的比特率变化的图；
图16是当象图15一样将QoS值设置为7时的PSNR的变化的图。
具体实施方式
参见图1，按照本发明的多媒体流式传输服务器100包括数据存储单元101、元数据语法分析单元110、服务质量(以下称为“QoS”)处理单元130、消息接收单元160、缓冲器170、分组产生单元180和分组发送单元190。
数据存储单元101存储要提供用于服务的压缩多媒体数据和与多媒体数据相关的元数据。在此，多媒体数据以音频数据、诸如视频数据的移动图象数据、静止图象数据、文本数据和图形数据的任何一个的形式被存储。利用具有空间可扩缩功能、质量可扩缩功能、时间可扩缩功能和微粒可扩缩(FGS)功能中的任何一个的比特流来形成多媒体数据。元数据语法分析单元110语法分析元数据并且以描述符的形式输出语法分析结果。QoS处理单元130、响应于元数据的描述符信息和网络带宽信息而执行QoS处理。消息接收单元160从客户机接收关于网络1的条件的信息(即，网络带宽信息)。缓冲器170由两个缓冲器组成，一个用于存储分组的分组存储缓冲器和一个用于发送分组的分组发送缓冲器。分组产生单元180将在分组发送缓冲器中存储的数据分组化，分组发送单元190以预定的时间间隔向网络1发送存储在缓冲器170中数据。
现在说明由QoS处理单元130进行的QoS处理。首先，服务等级选择单元140从消息接收单元160接收网络带宽值，比较带宽与在描述符中预先定义的每个QoS等级的目标比特率，选择可以获得的QoS等级。然后，QoS处理单元130提取与当前QoS等级对应的帧并且在缓冲器170中存储这些帧。
元数据20存储对应于各个等级的帧的指针信息以便存储在缓冲器170中的文件可以直接访问元数据20。分组产生单元180通过将数据划分为预定大小的分组而分组化存储在缓冲器170的数据，分组发送单元190在每个预定的时间间隔向网络1发送存储在缓冲器中的数据。当发送数据时，分组发送单元190以相同的间隔发送分组，以便可以准确地执行在客户机(图6的300)中的带宽测量。分组发送间隔和分组的大小被调整到提供用于服务的数据的平均比特率。
元数据20被根据可扩展标记语言(XML)定义，并且按照XML的优点具有可扩缩性和兼容性。如果在服务器100和客户机之间进行流式传输服务请求，则元数据20被元数据语法分析单元110语法分析并且被以描述符的形式存储，以便可以在服务器100内部使用描述符。
图2是按照本发明的一个优选实施例的元数据的结构的图。在图2中，方框21-26指示节点目标，连接节点21-26的每行指示分层连接关系。每行连接部分后面数字表示示出多少节点与所述节点相关的基数。在此，在行连接部分后面的数字“1，1”表示在两个节点的连接关系中的最大数量和最小数量都时是1，数字“0，*”表示在连接关系中的最大数量和最小数量分别是0和无限，数字“1，*”表示在连接关系中的最大数量和最小数量分别是1和无限。
例如，被表达为“1，1”的、在流式传输提示节点21和首标组提示节点22之间的关系表示在流式传输提示节点21下，应当仅仅有一个首标组提示节点22而不能是两个或多个节点。被表达为“1，*”的、在流式传输提示节点和段组提示节点24之间的关系表示在流式传输提示节点21下应当有一个或多个段组提示节点24而对段组提示节点24的数量没有限制。
在图2中，流式传输提示节点21是在顶等级的节点，并且具有指定元数据20的控制类型和节点的分层类型的属性值。在流式传输提示节点21中指定的控制类型包括targetBitrateControl、targetQualityControl、targetComplexityControl、targetProfileControl、targetSpeedControl、targetDirectionControl、targetDeviceControl。
TargetBitrateControl是用于按照网络的带宽变化调整传输比特率的属性值，targetQualityControl是用于调整要提供的元数据的目标质量的属性值，targetComplexityControl是用于按照客户机的资源条件支持不同服务的属性值，targetProfileControl是用于按照多媒体数据的压缩格式支持不同服务的属性值，targetSpeedControl是用于按照来自客户机的再现速度调整请求调整服务速度的属性值，targetDirectionControl是按照来自客户机的再现方向调整请求调整服务方向的属性，targetDeviceControl是用于按照客户机终端的类型支持不同服务的属性。另外，在流式传输提示节点21中，可以另外定义除了这些控制类型之外的用于QoS的控制类型。按照流式传输提示节点21的控制属性值，不同地指定元数据的属性。
流式传输提示节点21的分层类型被划分成独立型和依赖型，按照所述类型，低等级节点的结构变化。具体上，媒体段提示节点25可以按照它的结构建立独立型元数据和依赖型元数据。
图3是按照本发明的一个优选实施例的独立型元数据的结构的图。图4是按照本发明的一个优选实施例的依赖型元数据的结构的图。
参见图3，媒体段提示节点2511-2513具有彼此独立的各个连接关系。同时，图4示出了第二媒体段提示节点2522具有依赖于第一媒体段提示节点2521的连接关系。在此，在独立型元数据结构中，每个节点具有对应于服务等级的多媒体数据的帧信息而不参考上节点或重用，而在依赖型元数据结构中，参考上节点来获得在每个等级共享的信息，下节点仅仅指定附加信息。
再次参见图2，流式传输提示节点21被划分成具有首标信息的首标组提示节点22和当多媒体数据被划分成时间单元、即段时形成每个段信息的段组提示节点24。
首标组提示节点22具有与要提供的多媒体目标的数量相同数量的帧首标提示节点23，每个帧首标提示节点23具有指示节点的唯一信息的属性值。
帧首标提示节点23的属性值包括streamed(成流)、streamType(流类型)、scalability(扩缩性)、frameRate(帧速率)、avgBitrate(平均比特率)。在这些值中，streamed是用于识别每个多媒体数据的适当ID，streamType是指示多媒体的类型的属性值并且被划分成视频、音频和其他类型。Scalability是指示可扩缩功能的类型的属性值，并且被划分成空间、时间、snr和fgs(微粒可扩缩)类型。空间表示空间可扩缩属性值，时间表示时间可扩缩属性值，snr表示质量可扩缩属性值。sourceLocator表示存储在服务器的数据存储单元101中的多媒体数据的位置信息。FrameRate表示多媒体数据的帧速率，avgBitrate表示多媒体数据的平均比特率。
段组提示节点24定义当整体多媒体流被划分成预定的时间间隔时在每个时间单元中的被划分的多媒体流作为一个段。段组提示节点24具有与每个段的QoS等级的数量相同数量的媒体段提示节点25。如果QoS等级的数量提高，则媒体段提示节点25的数量提高，以便元数据20的大小提高，但是可以提供更详细的服务。
媒体段提示节点25具有指示QoS等级指数的level(等级)属性、指示在QoS等级中提供的全部帧的数量的numofFrames属性值、指示当QoS等级的帧被提供用于服务时的平均比特率的targetBitrate属性值。媒体段提示节点25包括至少一个或多个包含要实际发送的多媒体帧信息的媒体帧提示节点26，并且具有与numofFrames属性值相同数量的媒体帧提示节点。
媒体帧提示节点26具有诸如streamed、CTS、DTS、CodingType、frameOffset、frameLength、frameNo的属性值。streamID是用于当多个多媒体目标被提供用于服务时的每个多媒体流的适当ID，并且具有与帧首标提示节点23的streamID相同的值。DTS和CTS分别表示帧的解码时间信息和再现时间信息。按照帧参考方法，当编码时帧被划分成I帧、P帧和B帧。CodingType表示帧的类型。FrameOffset表示存储在数据存储单元101中的多媒体数据的位置信息，frameLength表示帧的大小。FrameNo表示帧的数量。
媒体帧提示节点26的这些属性值使得能够直接访问存储在数据存储单元101中的多媒体数据10。如果使用这个元数据的数据结构，则即使当应当同时提供多个多媒体流来用于服务时也可以获得自适应多媒体流。
图5是按照本发明的一个优选实施例的元数据的结构的图，所述结构用于通过按照网络的带宽变化调整传输比特率而同时流式传输视频流和音频流。
参见图5，与一个单元段的各个QoS等级对应的媒体段提示节点2531-2533中的每个具有视频和音频流的帧信息，并且通过使用媒体帧提示节点2631-263n的streamID属性值来区分和访问每个多媒体数据流。例如，当streamID 0被定义为视频数据流并且streamID 1被定义为音频数据流的时候，按照是否媒体帧提示节点26的streamID属性值指示streamID 0或streamID 1来访问多媒体数据流的任何一个。因此，当同时提供多个流的时候，如果在元数据中也定义了要提供用于服务的多媒体帧，则可以按照带宽调整传输率，并且可以成功地执行在多媒体数据中的同步。
图6是按照本发明的一个优选实施例的多媒体流式传输客户机300的方框图，所述客户机处理通过服务器100发送的多媒体分组。参见图6，按照本发明的多媒体流式传输客户机300包括分组接收单元310、缓冲器320、多媒体解码器330、带宽测量单元340和消息发送单元350。
分组接收单元310从服务器100接收多媒体流，缓冲器320存储所接收的多媒体流数据。多媒体解码器330再现存储在缓冲器320中的数据，带宽测量单元340利用当分组接收单元310接收多媒体分组时的时间和分组大小的信息来测量网络带宽。
当发送数据的时候，服务器100在预定的时间间隔以分组组为单位发送在缓冲器170中的所有分组，并且当发送分组时，一起发送分组编号。分组接收单元310利用由服务器100发送的分组编号来区别在分组组中的第一分组和最后分组。假定当接收第一分组时的时间是t1，当接收最后一个分组时的时间是t2，并且分组组的数据大小是Sp，则可以通过下面的方程1来获得网络的带宽：
Figure A0315561100201
在此，时间单位是毫秒(ms)，数据大小的单位是字节，带宽的测量单位是每秒比特(bps)。每当在带宽中存在变化的时候从消息发送单元350中服务器100定期反馈所测量的带宽。
图7是示出在图1的服务器100和图6所示的客户机300之间执行的多媒体流式传输操作的示意图。参照图7，在按照本发明的自适应多媒体流式传输方法中，利用当发送数据时的元数据按照网络的带宽来调整在服务器100和客户机300之间的数据传输率。为此，客户机300首先向服务器100发送服务请求和会话连接请求(附图标号(1))。服务器100确认来自客户机300的服务请求(附图标号(2))，向客户机300发送服务确认消息和一对伪分组(附图标号(3))。
客户机响应于由服务器100发送的那对分组而测量初始带宽(附图标号(4))。由服务器100发送的两个分组的大小被设置为与分组单元的大小相同，通过这个大小，当服务器100的分组产生单元180分组化多媒体数据时多媒体数据被划分成分组。两个分组的发送间隔也被设置为与多媒体数据的发送间隔相同。在从服务器100接收伪分组对之后，客户机300利用方程1来确定初始带宽值，并且向服务器100发送这个值(附图标号(5))。
当客户机300测量和发送初始带宽的时候，服务器100语法分析元数据，以描述符的形式存储语法分析的结果，比较初始带宽和描述符信息，确定适当的QoS等级，开始提供多媒体流式传输服务(附图标号(6))。利用由服务器100发送的分组信息，客户机300定期测量网络的带宽(附图标号(7))，并且向服务器100发送所测量的带宽值(附图标号(8))。服务器100按照由客户机300发送的带宽值提取预定的多媒体流(附图标号(9))，并且向客户机300发送所提取的多媒体流(附图标号(10))。现在说明此时在多媒体流式传输服务器100和客户机300之间执行的数据发送处理。
如上所述，按照缓冲器的目的，缓冲器170被划分成用于存储分组的分组存储缓冲器和用于发送分组的分组发送缓冲器。当分组发送单元190发送在分组发送缓冲器中存储的分组的时候，QoS处理单元130在分组存储缓冲器中存储对应于QoS等级的帧。此时，在每个预定的时间间隔中执行分组发送。如果是在发送一个分组和预定时间过去之后发送下一个分组的时间，则分组发送单元190使用前一个分组存储缓冲器来作为用于发送当前分组的分组发送缓冲器，并且使用在发送前一个分组后空的前一个分组发送缓冲器来作为用于存储分组的分组存储缓冲器。按照缓冲器170的这个递归管理，可以在最小化在网络的条件中的变化的同时执行连续的流式传输。
分组发送单元190在每个预定的时间间隔发送存储在分组发送缓冲器中的所有分组，并且此时发送的分组被定义为一个分组组。在所述分组组中的分组具有指示在发送中的分组的顺序的分组编号。根据这些分组编号，客户机300确定分组的顺序和分组组的开始和结尾，并且以分组组的单位测量带宽。现在说明用于测量客户机300中的带宽的处理。
图8是示出在图6中所示的客户机300的分组接收单元310中执行的网络带宽测量方法的流程图。
参见图8，分组接收单元310通过在步骤3110将指示所接收的分组的整体大小的累加分组大小值设置为0来初始化这个值，并且在步骤3120接收分组。如果分组接收单元310接收分组，则在分组中首标和数据分离，并且从首标获得分组编号。利用这个分组编号，在步骤3130确定是否所接收的分组是第一分组。
如果步骤3130的确定结果指示所接收的分组是第一分组，则在步骤3140第一分组的数据时间被设置为TS1，并且在此执行步骤3120来连续地接收分组。然后，在步骤3130确定是否所接收的分组是第一分组，并且如果确定结果指示所接收的分组不是第一分组，则在步骤3150确定是否所述分组是最后分组。
如果在步骤3150的确定结果指示所接收的分组不是最后的分组，则将当前分组的大小值累加到现有的累加分组的大小值上，并且在此执行步骤3120以连续地接收分组。然后，在步骤3130确定是否所接收的分组是第一分组，如果确定结果指示所接收的分组不是第一分组，则在步骤3150再次确定是否所述分组是最后的分组。
如果在步骤3150确定所接收的分组是最后的分组，则在步骤3170将最后分组的接收时间设置为TS2。然后，通过向方程1中***第一分组的时间时间TS1、最后分组的接收时间TS2和累加分组的大小值，即通过计算
Figure A0315561100221
在步骤3180测量网络的带宽。
图9是示出在图1所示的服务器100中执行的多媒体流式传输服务处理的流程图。参见图9，首先，服务器100在步骤1100从客户机300接收网络的带宽，并且在步骤1200从根据元数据产生的描述符选择当前的时间段。然后，通过比较带宽和在所选择的段的描述符中定义的目标比特率，在步骤1400服务器100选择可以用于服务的QoS等级。当元数据被定义的时候，确定QoS等级的数量，并且根据多媒体数据的平均比特率确定每个等级的目标比特率。因为元数据包括关于对应于每个等级的帧的信息，如果确定QoS等级，则在步骤1500中仅仅提取对应于所选择的等级的帧，并且在步骤1700中将其存储在缓冲器中。然后，通过分组发送单元190，在每个预定的时间间隔，在缓冲器170中存储的数据被发送到客户机300。
图10是示出通过按照网络的带宽变化调整传输比特率而自适应地提供多媒体数据的流式传输服务的示例的图。
参见图10，例如，如果由客户机300检测的当前网络的带宽是400kbps，则服务器100从元数据选择合适的QoS等级。如图10所示，当网络的带宽是400kbps的时候，QoS等级由3个级别形成，并且此时媒体段提示节点2541-2543的每个指示一个QoS等级。例如，假定targetBitrate值、即媒体段提示节点2541-2543的属性值之一是等级1，则比特率被设置为192kbps，如果所述值是等级2，则比特率被设置为356kbps，如果所述值是等级3，则比特率被设置为689kbps，具有最接近当前带宽(即400kbps)的目标比特率值的等级2被选择作为QoS等级。
媒体段提示节点2541-2543具有在各个从属等级的媒体帧提示节点2641、2642、...，264m，并且每个媒体帧提示节点2641、2642、...，264n存储关于可以支持对应的目标比特率的帧的信息。在这种情况下，网络的带宽可以不固定到400kbps而可以变化。如果带宽变化，则要选择的QoS等级也于是变化。因此，如果服务器100选择对应于适合于当前网络的带宽的QoS等级(例如，QoS等级2)的帧并且发送这些帧，则按照当前网络的带宽调整数据传输率，以便可以实现自适应流式传输。
图11是示出当服务质量(QoS)等级被设置为3时通过按照本发明的一个实施例的自适应流式传输方法的多媒体流的比特率变化的图。图11所示的图是当使用具有352×288的公共中间格式(CIF)大小、30fps的帧速率和658kbps的平均比特率的序列数据时自适应流式传输的结果。这个图示出了网络的带宽(net_bw)、在调整之前的比特率(org_bitrate)、具有当QoS等级被划分成三个级别时过去的时间的按照本发明调整的比特率(adt_bitrate)。
参见图11，网络带宽(net_bw)在间隔A中逐渐降低，在间隔B中达到最小值，在间隔C中恢复。此时，因为在间隔A中在调整之前的数据的原始比特率(org_bitrate)小于网络带宽(net_bw)，因此不发生通过QoS等级的比特率调整。同样，因为在间隔C中在调整之前的数据的原始比特率(org_bitrate)小于网络带宽(net_bw)，因此不发生通过QoS等级的比特率调整。但是，因为在间隔B中在调整之前的数据的原始比特率(org_bitrate)大于网络带宽(net_bw)，如果这个状态持续很长时间，则发生网络拥塞并且可能在发送期间丢失分组。因此，在本发明中，比特率被调整到按照在间隔B中的QoS等级的网络带宽(net_bw)，以便防止在发送期间会发生的分组丢失。
图12是示出当象图11一样将QoS等级设置为3时峰值信号噪声比(PSNR)值的变化的图。
通过方程2和3来获得PSNR：
RMSE = 1 MN Σ i = 0 M - 1 Σ j = 0 N - 1 [ f ( i , j ) - f ‾ ( i , j ) ] 2 - - ( 2 )
方程2原来是用于计算原始图象的解码图象的均方根误差的方程。在此，f(i，j)表示原始图象的像素值， f(i，j)表示解码图象的像素值。M和N分别表示原始图象和解码图象的像素数量。
如果按照方程2获得了原始图象的解码图象的RMSE，则通过下列方程3来获得PSNR值：
PSNR = 20 log 10 ( 255 RMSE ) - - - ( 3 )
在图12的图中PSNR值大幅度下降的部分表示发生帧丢失来用于调整比特率的部分。此时，平均的PSNR是34.87dB。
图13是示出当QoS等级被设置为5时通过按照本发明的一个实施例的自适应流式传输方法的多媒体流的比特率变化的图。图14是当象图13一样QoS值被设置为5时PSNR值的变化的图。图13和图14的图示出了在与图11和图12的实验相同的条件下执行的实验的结果。
参见图13，当QoS等级被设置为5时的数据的调整比特率(adt_bitrate)与当QoS等级被设置为3时图11的情况相比较更适当地按照网络带宽(net_bw)的变化被提供。因此，在帧丢失率和平均比特率中，当QoS等级被设置为5时的调整比特率可以比当QoS等级被设置为3时的调整比特率获得更为改善的结果。
接着，参见图14，其示出了PSNR值大幅度降低的部分与图12中的所述部分相比较缩小了。这意味着发生帧丢失的部分缩小了。当象图14那样将QoS等级设置为5的时候，平均PSNR是35.57dB。
图15是示出当QoS等级被设置为7时通过按照本发明的一个实施例的自适应流式传输方法的多媒体流的比特率变化的图，图16是当象图15一样将QoS值设置为7时的PSNR的变化的图。图15和图16的图示出了在与图11和图12的实验相同的条件下执行的实验的结果。
参见图15，当QoS等级被设置为7时数据的调整比特率(adt_bitrate)与当QoS等级被设置为3或5时的情况相比较更适当地按照网络带宽(net_bw)的变化被提供。因此，在帧丢失率和平均比特率中，当QoS等级被设置为7时的调整比特率可以比当QoS等级被设置为3或5时的调整比特率获得更为改善的结果。
接着，参见图16，示出了PSNR值大幅度降低的部分与图12和图14中的所述部分相比较缩小了。这意味着发生帧丢失的部分大大缩小了。当象图16那样将QoS等级设置为7的时候，平均PSNR是35.89dB。
在图11-16中获得的结果可以被总结在下表1中：
                           表1
   QoS等级的数     帧丢失率(％)    平均比特率(bps)    平均PSNR(dB)
   3     19.3    583.596    34.87
   5     12.7    608.964    35.57
    7     9.6     621.112     35.89
如表1和图11-16中所示，本发明可以当QoS等级的数量增加(即QoS等级被更细地划分)的时候按照网络带宽的变化更为适当地提供服务。随着QoS等级的数量增加，帧丢失率降低，并且平均比特率和平均PSNR增加。因此，当QoS等级的数量增加的时候，允许进行发送率的更详细的控制。因此，按照本发明的多媒体流式传输装置和方法可以自适应地按照网络带宽的变化提供多媒体流式传输服务而不对服务器施加负担。
如上所述，按照本发明的自适应流式传输装置和方法可以提供最佳的流式传输服务而不管网络的条件和接收服务的终端的类型如何。如果仅仅与多媒体数据一起指定了元数据，则所述装置和方法可以被使用而不管要提供的内容的格式如何，并且与现有技术的方法相比较，在流式传输中加到服务器上的负担降低。而且，本发明可以被应用到在无线通信网络以及在有线通信网络中的数据流式传输。
本发明可以在计算机可读记录介质上以计算机可读的代码来实现。计算机可读记录介质包括所有种类的存储计算机可读数据的记录装置。
计算机可读记录介质包括诸如磁存储媒体(如ROM、软盘、硬盘等)、光可读媒体(如CD-ROM、DVD等)和载波(如通过因特网的传输)的存储媒体。而且，计算机可读记录介质可以经由通过网络连接的计算机***来被使用，并且可以以分布模式被存储和执行。

Claims (60)

1.一种多媒体流式传输装置，包括：
多媒体流式传输服务器，它响应于与所期望提供来用于服务的多媒体数据对应的元数据的语法分析结果和从外部输入的网络带宽信息而流式传输与预定的服务质量(QoS)等级对应的多媒体数据；
多媒体流式传输客户机，它利用当接收多媒体数据时的时间和关于多媒体数据的大小的信息来测量服务器所连接的网络的带宽，并且向服务器发送所测量的带宽信息。
2.按照权利要求1的多媒体流式传输装置，其中多媒体流式传输服务器包括：
数据存储单元，它存储所期望提供来用于服务的多媒体数据和与多媒体数据相关的元数据；
元数据语法分析单元，它语法分析元数据并且以描述符的形式输出语法分析结果；
消息接收单元，它从客户机接收网络带宽信息；
服务质量(QoS)处理单元，它响应于所述描述符信息和网络带宽信息来选择可以获得来用于服务的QoS等级，并且从数据存储单元提取对应于所选择的QoS等级的多媒体数据；
缓冲器，它存储所提取的数据；
分组产生单元，它将存储在缓冲器中的数据分组化；
分组传输单元，它在每个预定的时间间隔向客户机发送存储在缓冲器中的数据。
3.按照权利要求2的多媒体流式传输装置，其中QoS处理单元包括：
服务等级选择单元，它比较每个QoS等级的目标比特率与带宽，并且选择预定的QoS等级；
帧选择单元，它从存储在数据存储单元中华的多媒体数据提取对应于所述QoS等级的帧，并且在缓冲器中存储所提取的帧。
4.按照权利要求2的多媒体流式传输装置，其中缓冲器包括：
分组存储缓冲器，它存储分组；
分组发送缓冲器，它发送分组。
5.按照权利要求2的多媒体流式传输装置，其中多媒体数据具有下列任何一种形式之一：音频数据、移动图象数据、静止图象数据、文本数据和图形数据。
6.按照权利要求2的多媒体流式传输装置，其中利用具有空间可扩缩功能、质量可扩缩功能、时间可扩缩功能和微粒可扩缩(FGS)功能中的任何一个的比特流来形成多媒体数据。
7.按照权利要求2的多媒体流式传输装置，其中根据扩展标记语言(XML)来定义元数据。
8.按照权利要求2的多媒体流式传输装置，其中元数据具有包括多媒体数据和流式传输相关的信息的树形式的分层结构。
9.按照权利要求8的多媒体流式传输装置，其中元数据包括：
流式传输提示节点，它指定元数据的控制类型和节点的分层结构的类型；
首标组提示节点，它连接到流式传输提示节点作为流式传输提示节点的从属节点，并且包括多媒体数据的首标信息；
至少一个或多个段组提示节点，其中每个连接到流式传输提示节点作为流式传输提示节点的从属节点，并且包括当多媒体被划分成预定时间间隔的段时的段信息；
至少一个或多个帧首标单元节点，其中每个连接到首标组提示节点作为首标组提示节点的从属节点，并且包括指示每个节点的唯一信息的属性值；
至少一个或多个媒体段提示节点，其中每个连接到段组提示节点作为段组提示节点的从属节点，并且包括关于每个QoS等级的属性信息；
至少一个或多个媒体帧单元节点，其中每个连接到媒体段提示节点作为媒体段提示节点的从属节点，并且包括要实际发送的多媒体帧信息。
10.按照权利要求9的多媒体流式传输装置，其中流式传输提示节点包括：
目标比特率调整器，它按照网络带宽的变化调整传输比特率；
目标质量调整器，它调整要提供用于服务的多媒体数据的QoS；
目标复杂性调整器，它按照客户机的资源复杂性支持不同服务；
目标简况调整器，它按照多媒体数据的压缩格式支持不同服务；
目标速度调整器，它按照来自客户机的再现速度调整请求调整服务速度；
目标方向调整器，它按照来自客户机的再现方向调整请求调整服务方向；
目标器件调整器，它按照客户机终端的类型支持不同服务。
11.按照权利要求9的多媒体流式传输装置，其中首标组提示节点包括：
流识别符，它当同时提供多个多媒体目标来用于服务时区别每个多媒体流；
流类型识别符，它区别多媒体数据的类型；
可扩缩功能识别符，它区别多媒体数据的可扩缩功能的类型；
源位置识别符，它指示存储在数据存储单元中的多媒体数据的位置信息；
帧速率识别符，它指示多媒体数据的帧速率；
平均比特率识别符，它指示多媒体数据的平均比特率。
12.按照权利要求9的多媒体流式传输装置，其中首标组提示节点包括与要提供用于服务的多媒体目标的数量相同数量的帧首标提示节点。
13.按照权利要求9的多媒体流式传输装置，其中段组提示单元包括与QoS等级的数量相同数量的媒体段提示节点。
14.按照权利要求9的多媒体流式传输装置，其中媒体段提示节点包括与在每个QoS等级的被提供用于服务的全部帧的数量相同数量的媒体帧提示节点。
15.按照权利要求9的多媒体流式传输装置，其中媒体帧提示节点包括：
流识别符，它区别当同时提供多个多媒体目标来用于服务时的每个多媒体流；
解码/再现时间识别符，它指示一个帧的解码时间信息和再现时间信息；
编码类型识别符，它按照当编码帧时引用帧的方法将帧区别为I帧、P帧和B帧；
帧偏移识别符，它指示存储在数据存储单元中的多媒体数据的每个帧的位置信息；
帧长度识别符，它指示对应帧的大小；
帧数量识别符，它指示对应帧的数量。
16.按照权利要求9的多媒体流式传输装置，其中按照媒体段提示节点的属性将元数据划分成独立型元数据和依赖型元数据。
17.按照权利要求16的多媒体流式传输装置，其中独立型元数据的每个节点包括对应于服务等级的多媒体数据的帧信息而不参考上节点或重用。
18.按照权利要求16的多媒体流式传输装置，其中依赖型元数据的每个节点参考上节点来获得在多个QoS等级共享的信息，并且仅仅指定在下节点中的附加信息。
19.按照权利要求2的多媒体流式传输装置，其中如果QoS等级的数量提高，则多媒体流式传输服务器的帧丢失率逐渐降低，并且平均比特率和平均峰值信号噪声比(PSNR)值逐渐提高。
20.按照权利要求1的多媒体流式传输装置，其中多媒体流式传输客户机包括：
分组接收单元，它从服务器接收多媒体数据；
缓冲器，它存储所接收的多媒体数据；
多媒体解码器，它再现存储在缓冲器中的数据；
带宽测量单元，它利用当在分组接收单元中接收多媒体数据时的时间和数据的大小信息来测量网络带宽；
消息传输单元，它向服务器发送所测量的网络带宽，以便根据网络带宽来调整从服务器发送的多媒体数据的传输率。
21.按照权利要求20的多媒体流式传输装置，其中分组接收单元通过参考所接收的多媒体数据的分组编号来区别每个分组组的第一分组和最后分组。
22.按照权利要求21的多媒体流式传输装置，其中，假定当接收第一分组时的时间是t1、当接收最后一个分组时的时间是t2并且分组组的数据大小是Sp，则可以通过下面的方程来获得网络的带宽：
Figure A0315561100051
23.按照权利要求20的多媒体流式传输装置，其中带宽测量单元每当网络带宽改变时通过消息发送单元向服务器反馈网络带宽信息。
24.一种多媒体流式传输服务器，包括：
数据存储单元，它存储所期望提供来用于服务的多媒体数据和与多媒体数据相关的元数据；
元数据语法分析单元，它语法分析元数据并且以描述符的形式输出语法分析结果；
消息接收单元，它从客户机接收网络带宽信息；
服务质量(QoS)处理单元，它响应于所述描述符信息和网络带宽信息来选择可以获得来用于服务的QoS等级，并且从数据存储单元提取对应于所选择的QoS等级的多媒体数据；
缓冲器，它存储所提取的数据；
分组产生单元，它将存储在缓冲器中的数据分组化；
分组传输单元，它在每个预定的时间间隔向客户机发送存储在缓冲器中的数据。
25.按照权利要求24的多媒体流式传输服务器，其中QoS处理单元包括：
服务等级选择单元，它比较每个QoS等级的目标比特率与带宽，并且选择预定的QoS等级；
帧选择单元，它从存储在数据存储单元中的多媒体数据提取对应于所述QoS等级的帧，并且在缓冲器中存储所提取的帧。
26.按照权利要求24的多媒体流式传输服务器，其中缓冲器包括：
分组存储缓冲器，它存储分组数据；
分组发送缓冲器，它发送分组数据。
27.按照权利要求24的多媒体流式传输服务器，其中多媒体数据具有下列任何一种形式之一：音频数据、移动图象数据、静止图象数据、文本数据和图形数据。
28.按照权利要求24的多媒体流式传输服务器，其中利用具有空间可扩缩功能、质量可扩缩功能、时间可扩缩功能和微粒可扩缩(FGS)功能中的任何一个的比特流来形成多媒体数据。
29.按照权利要求24的多媒体流式传输服务器，其中根据扩展标记语言(XML)来定义元数据。
30.按照权利要求24的多媒体流式传输服务器，其中元数据具有包括多媒体数据和流式传输相关的信息的树形式的分层结构。
31.按照权利要求30的多媒体流式传输服务器，其中元数据包括：
流式传输提示节点，它指定元数据的控制类型和节点的分层结构的类型；
首标组提示节点，它连接到流式传输提示节点作为流式传输提示节点的从属节点，并且包括多媒体数据的首标信息；
至少一个或多个段组提示节点，其中每个连接到流式传输提示节点作为流式传输提示节点的从属节点，并且包括当多媒体被划分成预定时间间隔的段时的段信息；
至少一个或多个帧首标单元节点，其中每个连接到首标组提示节点作为首标组提示节点的从属节点，并且包括指示每个节点的唯一信息的属性值；
至少一个或多个媒体段提示节点，其中每个连接到段组提示节点作为段组提示节点的从属节点，并且包括关于每个QoS等级的属性信息；
至少一个或多个媒体帧单元节点，其中每个连接到媒体段提示节点作为媒体段提示节点的从属节点，并且包括要实际发送的多媒体帧信息。
32.按照权利要求31的多媒体流式传输服务器，其中流式传输提示节点包括：
目标比特率调整器，它按照网络带宽的变化调整传输比特率；
目标质量调整器，它调整要提供用于服务的多媒体数据的QoS；
目标复杂性调整器，它按照客户机的资源复杂性支持不同服务；
目标简况调整器，它按照多媒体数据的压缩格式支持不同服务；
目标速度调整器，它按照来自客户机的再现速度调整请求调整服务速度；
目标方向调整器，它按照来自客户机的再现方向调整请求调整服务方向；
目标器件调整器，它按照客户机终端的类型支持不同服务。
33.按照权利要求31的多媒体流式传输服务器，其中首标组提示节点包括：
流识别符，它当同时提供多个多媒体目标来用于服务时区别每个多媒体流；
流类型识别符，它区别多媒体数据的类型；
可扩缩功能识别符，它区别多媒体数据的可扩缩功能的类型；
源位置识别符，它指示存储在数据存储单元中的多媒体数据的位置信息；
帧速率识别符，它指示多媒体数据的帧速率；
平均比特率识别符，它指示多媒体数据的平均比特率。
34.按照权利要求31的多媒体流式传输服务器，其中首标组提示节点包括与要提供用于服务的多媒体目标的数量相同数量的帧首标提示节点。
35.按照权利要求31的多媒体流式传输服务器，其中段组提示单元包括与QoS等级的数量相同数量的媒体段提示节点。
36.按照权利要求31的多媒体流式传输服务器，其中媒体段提示节点包括与在每个QoS等级的被提供用于服务的全部帧的数量相同数量的媒体帧提示节点。
37.按照权利要求31的多媒体流式传输服务器，其中媒体帧提示节点包括：
流识别符，它区别当同时提供多个多媒体目标来用于服务时的每个多媒体流；
解码/再现时间识别符，它指示一个帧的解码时间信息和再现时间信息；
编码类型识别符，它按照当编码帧时引用帧的方法将帧区别为I帧、P帧和B帧；
帧偏移识别符，它指示存储在数据存储单元中的多媒体数据的每个帧的位置信息；
帧长度识别符，它指示对应帧的大小；
帧数量识别符，它指示对应帧的数量。
38.按照权利要求31的多媒体流式传输服务器，其中按照媒体段提示节点的属性将元数据划分成独立型元数据和依赖型元数据。
39.按照权利要求38的多媒体流式传输服务器，其中独立型元数据的每个节点包括对应于服务等级的多媒体数据的帧信息而不参考上节点或重用。
40.按照权利要求38的多媒体流式传输服务器，其中依赖型元数据的每个节点参考上节点来获得在多个QoS等级共享的信息，并且仅仅指定在下节点中的附加信息。
41.按照权利要求24的多媒体流式传输服务器，其中如果QoS等级的数量提高，则多媒体流式传输服务器的帧丢失率逐渐降低，并且平均比特率和平均峰值信号噪声比(PSNR)值逐渐提高。
42.一种多媒体流式传输客户机，包括：
分组接收单元，它从服务器接收多媒体数据；
缓冲器，它存储所接收的多媒体数据；
多媒体解码器，它再现存储在缓冲器中的数据；
带宽测量单元，它利用当在分组接收单元中接收多媒体数据时的时间和数据的大小信息来测量网络带宽；
消息传输单元，它向服务器发送所测量的网络带宽，以便根据网络带宽来调整从服务器发送的多媒体数据的传输率。
43.按照权利要求42的多媒体流式传输客户机，其中分组接收单元通过参考所接收的多媒体数据的分组编号来区别每个分组组的第一分组和最后分组。
44.按照权利要求43的多媒体流式传输客户机，其中，假定当接收第一分组时的时间是t1、当接收最后一个分组时的时间是t2并且分组组的数据大小是Sp，则可以通过下面的方程来获得网络的带宽：
Figure A0315561100091
45.按照权利要求42的多媒体流式传输客户机，其中带宽测量单元每当网络带宽改变时通过消息发送单元向服务器反馈网络带宽信息。
46.一种在通过网络连接的服务器和客户机之间执行的多媒体流式传输方法，所述方法包括：
(a)客户机向服务器发送服务请求消息和会话连接请求消息；
(b)向客户机发送对请求消息的服务确认消息和一对伪分组；
(c)响应于由服务器发送分组对，确定网络的初始带宽值并且向服务器发送所确定的初始带宽值；
(d)比较由客户机发送的初始带宽信息和作为语法分析元数据的结果获得的描述符信息，确定合适的QoS等级，按照与所述QoS等级对应的传输率而开始提供多媒体流式传输服务；
(e)响应于由服务器的流式传输服务发送的分组信息，定期测量网络带宽和向服务器发送所测量的带宽；
(f)按照由客户机发送的网络带宽值，提取预定的多媒体流，向客户机发送所提取的多媒体流。
47.按照权利要求46的多媒体流式传输方法，其中步骤(e)包括：
(e-1)将一个被累加的分组的大小值设置为0；
(e-2)开始从服务器接收分组；
(e-3)将当接收到第一个分组时的时间设置为T1；
(e-4)在输入第一分组之后直到输入最后一个分组，每当输入一个分组的时候，将所述分组的大小值累加到所述被累加的分组的大小上；
(e-5)如果输入了最后一个分组，则将当输入最后一个分组时的时间设置为T2：
(e-6)通过计算
Figure A0315561100092
来测量网络带宽；
(e-7)向服务器返回提供所测量的网络带宽信息。
48.按照权利要求46的多媒体流式传输方法，其中多媒体数据具有下列任何一种形式之一：音频数据、移动图象数据、静止图象数据、文本数据和图形数据。
49.按照权利要求46的多媒体流式传输方法，其中利用具有空间可扩缩功能、质量可扩缩功能、时间可扩缩功能和微粒可扩缩(FGS)功能中的任何一个的比特流来形成多媒体数据。
50.按照权利要求46的多媒体流式传输方法，其中根据扩展标记语言(XML)来定义元数据。
51.按照权利要求46的多媒体流式传输方法，其中元数据具有包括多媒体数据和流式传输相关的信息的树形式的分层结构。
52.按照权利要求46的多媒体流式传输方法，其中如果QoS等级的数量提高，则多媒体流式传输服务器的帧丢失率逐渐降低，并且平均比特率和平均峰值信号噪声比(PSNR)值逐渐提高。
53.一种通过网络连接到客户机的服务器的流式传输方法，所述方法包括：
(a)从客户机接收网络带宽；
(b)根据作为语法分析与所期望提供来用于服务的多媒体数据对应的元数据的结果获得的描述符，选择当前的时间段；
(c)比较在用于所选择的段的描述符中定义的目标比特率与网络带宽，选择可以获得来用于服务的QoS等级；
(d)提取与所选择的QoS等级对应的帧，并且在每个预定的时间间隔将这些帧发送到客户机。
54.按照权利要求53的流式传输方法，其中多媒体数据具有下列任何一种形式之一：音频数据、移动图象数据、静止图象数据、文本数据和图形数据。
55.按照权利要求54的流式传输方法，其中利用具有空间可扩缩功能、质量可扩缩功能、时间可扩缩功能和微粒可扩缩(FGS)功能中的任何一个的比特流来形成多媒体数据。
56.按照权利要求53的流式传输方法，其中根据扩展标记语言(XML)来定义元数据。
57.按照权利要求56的流式传输方法，其中元数据具有包括多媒体数据和流式传输相关的信息的树形式的分层结构。
58.按照权利要求53的流式传输方法，其中如果QoS等级的数量提高，则多媒体流式传输服务器的帧丢失率逐渐降低，并且平均比特率和平均峰值信号噪声比(PSNR)值逐渐提高。
59.一种客户机的网络带宽测量方法，所述客户机通过网络从服务器接收多媒体数据，所述方法包括：
(a)将一个被累加的分组的大小值设置为0；
(b)开始从服务器接收分组；
(c)将当接收到第一个分组时的时间设置为T1；
(d)在输入第一分组之后直到输入最后一个分组，每当输入一个分组的时候，将所述分组的大小值累加到所述被累加的分组的大小上；
(e)如果输入了最后一个分组，则将当输入最后一个分组时的时间设置为T2；
(f)通过计算
Figure A0315561100111
来测量网络带宽；
(g)向服务器返回提供所测量的网络带宽信息。
60.一种计算机可读介质，其中实现了一种用于执行权利要求46、53和59的方法中的任何一个的计算机程序。
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