JP5428702B2 - ストリーム通信システム、サーバ装置及びクライアント装置 - Google Patents

ストリーム通信システム、サーバ装置及びクライアント装置 Download PDF

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Description

本発明は、ストリーム通信システム、サーバ装置及びクライアント装置に関し、特に、映像ストリームを配信するシステムにおいてネットワーク帯域変動及びクライアント装置の処理負荷の変動に適切に対応する技術に関する。
ネットワークを介してサーバ装置とクライアント装置が映像ストリーム通信を行うサーバ・クライアント・システムにおいては、近時、益々「リアルタイム性」が求められる傾向にある。例えば、サーバ装置で動作するオペレーション・システムのグラフィカル・ユーザ・インターフェースを、映像ストリーム通信によってクライアント装置へ送信し、クライアント装置が備える表示装置で表示するようなサーバ・クライアント・システムを考えた場合、映像の遅延が生じることは問題であり、高度なリアルタイム性が必要である。
本発明に関連する技術が記載されている文献としては、特許文献1がある。特許文献1には、映像配信サーバから映像データの配信を受ける携帯端末が、端末のCPU負荷とネットワーク帯域の状態を検出し、サーバへ送信し、サーバ側でこれらに基づいて必要なときには、映像配信方式をストリーミング方式からダウンロード方式に切り替えることが記載されている。しかしながら、この関連技術における映像配信サーバは、配信する映像データをダウンロード方式にも対応しうるように、蓄積(バッファリング)しておく必要がある。そのため、この関連技術では、上述したリアルタイム性の要求に応えられない。
特開2009−152952号公報
上述の高度なリアルタイム性を実現するには、理想的なネットワーク環境やクライアント装置の十分な性能が期待される。しかしながら、これを実現するために専用のネットワークや専用のハードウェアを用いると、システム設計の自由度が制限される。サーバ装置とクライアント装置を接続するネットワークは、種々のネットワークが考えられ、インターネットや無線LANのようなベストエフォート型のネットワークも含まれる。また、クライアント装置も、汎用性やコストの観点から、汎用のパーソナルコンピュータを使用することが考えられる。
ベストエフォート型のネットワークにおいては、利用可能なネットワーク帯域の変動が生じるため、ネットワーク帯域が狭くなってしまうような場合には映像ストリームのビットレートに対して十分な帯域が確保できず、クライアント装置が再生する映像にカクツキが発生することがある。ネットワーク帯域変動の要因としては、他の通信による帯域圧迫や、(無線LANの場合は、)電波状態など物理条件の影響などがある。
このような問題に対しては、一般的に、ネットワーク帯域の変動を吸収するためにストリームデータをバッファリングする手法が用いられる。しかしながら、上述の高度なリアルタイム性が要求されている場合はこの手法を用いることができない。バッファリングすることは映像を遅延させることと同義であるからである。
クライアント装置に汎用のパーソナルコンピュータを用いることについても、上述の高度なリアルタイム性を実現するにあたっては、映像の遅延に繋がる課題が存在する。汎用のパーソナルコンピュータは、システム利用者が各自の好みや必要に応じて、多様な環境を構築することが普通である。したがって、専用のハードウェアを用いる場合と比べて、突発的なハードウェアリソースの不足が発生して映像に遅延が生じる可能性が比較的高い。
例えば、汎用のパーソナルコンピュータにコンピュータウィルス対策ソフトがインストールされており、映像ストリームの再生表示中にバックグラウンドでウィルス検索処理が始められたような場合、ウィルス対策ソフトがCPUリソースを使用してしまい、映像ストリームの受信アプリケーションが十分なCPUリソースを利用することができず、カクツキが発生するという不具合が起こりうる。
これらの課題に対して、従来では、ユーザが配信される映像のビットレートやフレームレートの調整を行うことでネットワーク負荷ないしCPU負荷を下げることで対処がなされてきた。しかしながら、この方法はユーザにとって煩雑である。また、ネットワーク負荷やCPU負荷が突発的なものであって、十分なリソースが利用できる状態になったとしても、ユーザがそのことを認識することは難しく、低いビットレート、フレームレートのまま利用することになるという不便さをユーザに強いるものである。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、ネットワークを介してサーバ装置とクライアント装置が映像ストリーム通信を行うサーバ・クライアント・システムにおいて、ネットワーク帯域の変動とクライアント装置のストリーム処理能力の変動に適切に対応することが可能なストリーム通信システム、サーバ装置及びクライアント装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、第1の態様として、映像データをサーバ装置でエンコードし、クライアント装置にストリーム送信し、クライアント装置でデコードするストリーム通信システムであって、前記サーバ装置は、映像データを所定のパラメータに基づいてエンコードするエンコード手段と、エンコードした映像データを前記クライアント装置にストリーム送信するストリーム送信手段と、を備え、前記クライアント装置は、送信されたストリームを受信し、1フレームのストリームの受信にかかった時間である受信時間を測定するストリーム受信手段と、受信したストリームをデコードし、1フレームのストリームのデコードにかかった時間であるデコード時間を測定するデコード手段と、前記パラメータと前記受信時間と前記デコード時間に基づいて、調整されたパラメータを算出するパラメータ調整手段と、を備え、前記サーバ装置の前記エンコード手段は、映像データを、前記所定のパラメータに代えて前記調整されたパラメータに基づいてエンコードすることを特徴とする、ストリーム通信システムを提供するものである。
また、上記目的を達成するために、本発明は、第2の態様として、映像データをエンコードし、クライアント装置に送信するサーバ装置であって、前記クライアント装置から、ストリームの受信にかかった時間とデコードにかかった時間とに基づいて決定された、映像データをエンコードする際に用いるビットレートとフレームレートを受信し、前記ビットレートとフレームレートに基づいて映像データをエンコードすることを特徴とする、サーバ装置を提供するものである。
また、上記目的を達成するために、本発明は、第3の態様として、エンコードされた映像データのストリームを受信し、デコードするクライアント装置であって、ストリームの受信にかかった時間と、ストリームのデコードにかかった時間に基づいて、映像データをエンコードする際に用いるビットレートとフレームレートを決定し、決定した前記ビットレートとフレームレートを、映像データを送信するサーバ装置に送信することを特徴とする、クライアント装置を提供するものである。
本発明によれば、ネットワークを介してサーバ装置とクライアント装置が映像ストリーム通信を行うサーバ・クライアント・システムにおいて、ネットワーク帯域の変動とクライアント装置のストリーム処理能力の変動に適切に対応することが可能なストリーム通信システム、サーバ装置及びクライアント装置を提供することが可能となる。
本発明を実施するための形態の全体構成を示すブロック図である。 図1のパラメータ調整部205が行うパラメータ調整処理の手順を示すフローチャートである。 本実施形態のパラメータ調整処理に用いる処理時間の統計値を説明するための概念図である。 本実施形態のパラメータ調整処理におけるビットレートの算出方法を説明するための概念図である。 本実施形態のパラメータ調整処理におけるフレームレートの変更をするか否かの判断基準を説明するための概念図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態は、ネットワークを介してサーバ装置とクライアント装置が接続し、サーバ装置が出力する映像ストリームをクライアント装置が受信するサーバ・クライアント・システム(以下、「映像ストリーム通信システム」という)に、本発明を適用した実施形態である。
図1に、本実施形態の全体構成を示す。図示のように、本実施形態に係る映像ストリーム通信システムは、サーバ装置100とクライアント装置200がネットワーク300を介して接続している。サーバ装置100は、動画像入力部101と、動画像エンコード部102と、ストリーム送信部103と、サーバ制御通信部104とを備える構成である。クライアント装置200は、動画像再生部201と、動画像デコード部202と、ストリーム受信部203と、クライアント制御通信部204と、パラメータ調整部205と、画質設定記憶部206とを備える構成である。
サーバ装置100を構成する各部は、汎用のコンピュータと、当該コンピュータを利用して所定の情報処理を行うソフトウェアプログラムとの協働によって実現する。クライアント装置200を構成する各部についても同様である。
動画像入力部101は、本実施形態に係る映像ストリーム通信システムに、ストリーム通信する動画像を入力する機能を備える。入力する動画像としては種々のものが考えられ、例えば、サーバ装置100上ないし他のコンピュータ上で動作するオペレーティングシステムのグラフィカル・ユーザ・インターフェース(デスクトップ画面)や、インターネット上の配信サーバ(不図示)からサーバ装置100に配信された動画像でもよい。動画像入力部101により入力された動画像は、まず、動画像エンコード部102に入力される。
動画像エンコード部102は、入力された動画像を、伝送路に適した形式に変換する(エンコードする)機能を備える。エンコードの際、動画像エンコード部102は、所定のパラメータを用いる。パラメータとしては、ネットワーク帯域の変動とクライアント装置のストリーム処理能力の変動に対応するという課題をより適切に解決するものという観点から、フレームレートとビットレートが適している。以下の説明では、特に断りのない限りパラメータとしてフレームレートとビットレートを用いる。
ストリーム送信部103は、動画像エンコード部102によりエンコードされた動画像データをクライアント装置200へストリーム通信により送信する機能を備える。サーバ制御通信部104は、クライアント装置200から送信されてきた本映像ストリーム通信システムの制御通信を受信して、当該制御通信に基づき動画像エンコード部102のパラメータを変更する機能を備える。
ネットワーク300は、種々の態様のネットワークが利用でき、無線LANやインターネットなどベストエフォート型のネットワークが含まれる。
クライアント装置200のストリーム受信部203は、サーバ装置100から送信されてきたストリーム通信を受信する機能を備える。また、ストリーム受信部203は、受信したストリーム通信に含まれる動画像データを動画像デコード部202に送る。また、ストリーム受信部203は、1フレーム分のストリームデータの受信にかかった時間を測定する。1フレーム分のストリームデータの受信にかかった時間を、以下、「受信時間」という。ストリーム受信部203は、フレーム毎に受信時間を算出し、パラメータ調整部205に送る。
動画像デコード部202は、ストリーム受信部203から送られてきた動画像データをデコードする機能を備える。デコードして得られた動画像は動画像再生部201に入力され、再生される。また、動画像デコード部202は、1フレーム分のストリームデータのデコードにかかった時間を測定する。1フレーム分のストリームデータのデコードにかかった時間を、以下、「デコード時間」という。動画像デコード部202は、フレームごとにデコード時間を算出し、パラメータ調整部205に送る。
画質設定記憶部206は、クライアント装置200のユーザが視聴する動画の画質についての設定(プリファレンス)を記憶する機能を備える。画質の設定は、ユーザの利用シーンに応じて設定でき、本実施形態では、フレームレートを高くすることを優先する「動き優先」設定と、1フレームあたりのデータ量を多くすることを優先する「画質優先」設定を含む。画質設定記憶部206が記憶する画質の設定は、パラメータ調整部205が必要に応じて参照する。
パラメータ調整部205は、ストリーム受信部203が測定した受信時間と、動画像デコード部202が測定したデコード時間に基づいて、パラメータの調整を行う機能を備える。調整後のパラメータは、クライアント制御通信部204に送られ、クライアント制御通信部204が本映像ストリーム通信システムの制御通信によりサーバ装置100に送信する。以下、パラメータ調整部205の行うパラメータ調整処理について説明する。
図2にパラメータ調整処理の手順を示す。パラメータ調整処理が開始されるタイミングは、例えば、定期的に数秒おきに行うものとしてもよく、また、ストリーム受信部203及び動画像デコード部202により所定のフレーム数分だけ受信時間とデコード時間が測定されたタイミングとしてもよい。
図2において、パラメータ調整部205は、測定された受信時間とデコード時間から、ストリームの受信時間、デコード時間の統計値を計算する(ステップS101)。次に、統計値より調整使用する受信時間、デコード時間の代表値を決定する(ステップS102)。次に、代表値に基づき、パラメータの調整が必要か否かを判断する(ステップS103)。ステップS103の判断は、例えば、ステップS102で得られた代表値が所定の値以上に変動した場合にパラメータ調整が必要と判断するものである。
ここで、統計値とは、受信時間とデコード時間が測定されたフレームの内、例えば直近10〜100フレームの受信時間、デコード時間(以下の説明では受信時間とデコード時間を区別せずに「処理時間」ということがある。)の統計値をいうこととする。具体的には、直近フレームの平均値、直近フレームの標準偏差(図3(a)参照)、直近フレームを処理時間の長さごとに並べた場合の上位数%の位置に位置するフレームの処理時間の値(図3(b)参照)、等を用いることができる。これらの統計値の中でも特に、処理時間の長さごとに並べた場合の上位数%の位置に位置するフレームの処理時間の値を代表値とすることが最も好ましい。図3を参照して説明する。
図3は、本実施形態のパラメータ調整処理に用いる処理時間の統計値を説明するための概念図である。図3(a)は、直近フレームの平均値と標準偏差を統計値として代表値を算出する場合を示し、この場合の代表値は例えば平均値μと標準偏差σの和μ+σとすることができる。処理時間が正規分布する場合に有効である。図3(b)は、直近フレームを処理時間の長さごとに並べた場合の上位数%の位置に位置するフレームの処理時間の値を代表値とする場合を示す。図中矢印で示したフレームが、処理時間の長いフレームから順に並べ、上位数%の位置に位置するフレームである。ここで上位何%であるかは任意に定めることができる。
比較例として、直近10〜100フレーム中の処理時間の最大値を代表値とすることを考えると、この比較例は、処理能力に対して、(後段のパラメータ調整処理の結果得られる)ビットレートが低くなりすぎるおそれがあるという問題点がある。また、別の比較例として、直近フレームの平均値を統計値とすることを考えると、この比較例も、約半分の時間でカクツキが発生するおそれがあり、比較的有効ではない。ベストエフォート型のネットワークや汎用のコンピュータを利用する環境においては、急激に負荷が高まることが頻繁におきるため、図3(b)に示したような統計値の決定方法が最も好ましい。
再び図2を参照して、パラメータ調整部205は、パラメータ処理を実行する場合、ステップS102で計算した受信時間の代表値と、デコード時間の代表値とを比較して、より大きい方を調整で用いる値(Tr)とする(ステップS104)。大きい方を調整で用いる意義は、処理時間の大きい方が、より処理能力の低下が見られる方なので、調整後のパラメータをより処理能力の低下が見られる方に合わせるということにある。
次に、パラメータ調整部205は、Trを用いて下記の数式から調整後のビットレート(Br)を決定する(ステップS105)。
Br = TsBs/Tr
ただし、Ts:ストリームのフレームレートの逆数
Bs:ストリームのビットレート
上記数式の意味について図4を参照して説明する。図4は、本実施形態のパラメータ調整処理におけるビットレートの算出方法を説明するための概念図である。上記数式と図4中におけるTsは、パラメータ調整処理が実行された時点において設定されているストリームのフレームレートの逆数である。つまり、Tsは、1フレームあたりの処理に割り当て可能な時間の長さを意味する。また、Bsは、同じくパラメータ調整処理が実行された時点において設定されているストリームのビットレートである。そうすると、TsBs(図4中、TsとBsの2つの値で囲まれた四角形の面積)は、1フレームあたりのデータ量に相当する。なお、TsとBsは、ストリーム受信部203より設定値を受け取る。
ここで、図2のステップS104までに決定されたTrの値が、図4中のTr1(Ts<Tr1)であった場合、上記数式によって得られるビットレートは、図4中のBr1となる。すなわち、ストリームのビットレートBsより低い値に下がる。一方、Trの値が、図4中のTr2(Ts>Tr2)であった場合、ストリームのビットレートBsより高い値のBr2に上がる。図4において、Tr1とBr1の2つの値で囲まれた四角形の面積(データ量)とTr2とBr2の2つの値で囲まれた四角形の面積(データ量)は、TsとBsの2つの値で囲まれた四角形の面積(データ量)は等しい。これは、同じデータ量を処理するのにビットレートが変化すると処理時間が変化することを意味し、逆に処理時間とデータ量からビットレートを推定できることを示している。
再び図2を参照して、調整後のビットレートを決定後、パラメータ調整部205は、次に、フレームレートを変更するか否かを判断し、変更すると判断した場合は変更処理をする(ステップS106,S107)。フレームレートを変更するか否かの判断は、ネットワーク帯域又はストリーム処理能力の変動の態様に依存するが、画質を一定の水準に保つか否かというユーザの選好にも依存する。図5を参照して説明する。
図5は、本実施形態のパラメータ調整処理におけるフレームレートの変更をするか否かの判断基準を説明するための概念図である。図示のように、上述のTsがTrより大きい場合(Tr<Ts,図4中のTr2の場合)、パラメータ調整部205は、画質設定記憶部206に記憶されている画質の設定を参照して、「動き優先」設定である場合、フレームレートを変更する。変更後(調整後)のフレームレートは、Trの逆数である(図4の例ではTr2の逆数)。一方で、「画質優先」設定である場合、フレームレートを変更しない。
同様に、上述のTsがTrより小さい場合(Tr>Ts,図4中のTr1の場合)、パラメータ調整部205は、画質設定記憶部206に記憶されている画質の設定を参照して、「動き優先」である場合、フレームレートを変更しない。「画質優先」である場合、フレームレートを変更する。変更後(調整後)のフレームレートは、Trの逆数である(図4の例ではTr1の逆数)。
なお、フレームレートは極端に小さくなると動画像がコマ送り状態となってしまい動画像として機能しなくなる。また、動画像入力部101に入力される動画像のフレームレート以上の値を動画像エンコード部102に設定しても、エンコード後のストリームのフレームレートは動画像入力部101に入力される動画像のフレームレート以上にはならない。そのため、フレームレート変更の際、上限値と下限値をあらかじめ設定しておき、変更後のフレームレートを設定した範囲内に収まるように制御すると、より適切である(例えば、変更後のフレームレートが下限値を下回る場合は、下限値を変更後のフレームレートとする)。同様に、ビットレートについてもあるビットレート以上になると画質向上の効果が認識できなくなるため、上限値と下限値のビットレートを設定しておき、変更後のビットレートを設定した範囲内に収まるように制御すると、より適切である(例えば、変更後のビットレートが上限値を上回る場合は、上限値を変更後のビットレートとする)。
以上で、本実施形態のパラメータ調整処理の説明を終える。
上述のように調整されたパラメータは、クライアント制御通信部204がサーバ装置100に送信し、サーバ装置100ではこれを受け取ったあと、動画像エンコード部102が、調整されたパラメータによって入力される動画像のエンコードを実行する。
したがって、ネットワーク帯域の変動によりストリーム受信に遅延が生じている場合や、外部アプリケーションによる処理負荷の増大に伴いクライアント装置200のストリーム再生処理に遅延が生じている場合は、ビットレートを下げてエンコードしたストリームを通信することになるので、クライアント装置200のユーザが動画像再生部201で再生する動画像にカクツキ等の不具合を経験することが無くなる。
一方で、ネットワーク負荷や処理負荷が突発的なものであって、十分なリソースが利用できる状態になった場合は、自動的にビットレートを上げてエンコードしたストリームを通信することになるので、クライアント装置200のユーザにとって、煩雑でなく、また、不便さを感じさせることもなく、ユーザビリティが向上する。
すなわち、本実施形態によれば、ネットワーク帯域の変動とクライアント装置のストリーム処理能力の変動に適切に対応することができる。
100 サーバ装置
101 動画像入力部
102 動画像エンコード部
103 ストリーム送信部
104 サーバ制御通信部
200 クライアント装置
201 動画像再生部
202 動画像デコード部
203 ストリーム受信部
204 クライアント制御通信部
205 パラメータ調整部
206 画質設定記憶部

Claims (8)

  1. 映像データをサーバ装置でエンコードし、クライアント装置にストリーム送信し、クライアント装置でデコードするストリーム通信システムであって、
    前記サーバ装置は、
    映像データを所定のパラメータに基づいてエンコードするエンコード手段と、
    エンコードした映像データを前記クライアント装置にストリーム送信するストリーム送信手段と、を備え、
    前記クライアント装置は、
    送信されたストリームを受信し、1フレームのストリームの受信にかかった時間である受信時間を測定するストリーム受信手段と、
    受信したストリームをデコードし、1フレームのストリームのデコードにかかった時間であるデコード時間を測定するデコード手段と、
    前記パラメータと前記受信時間と前記デコード時間に基づいて、調整されたパラメータを算出するパラメータ調整手段と、を備え、
    前記サーバ装置の前記エンコード手段は、
    映像データを、前記所定のパラメータに代えて前記調整されたパラメータに基づいてエンコードし、
    前記パラメータは、映像データをエンコードする際に用いるビットレートとフレームレートを含み、
    前記パラメータ調整手段により算出される調整後のビットレートは、下記式によって算出されることを特徴とする、ストリーム通信システム。
    Br=TsBs/Tr
    ただし、Brは調整後のビットレート、Tsは調整前のフレームレートの逆数、Bsは調整前のビットレート、Trは前記受信時間及び前記デコード時間のうちいずれか大きい方とする。
  2. 前記サーバ装置の前記エンコード手段は、
    前記パラメータ調整手段により算出される調整後のパラメータがあらかじめ設定されたパラメータの上限値を超える値であった場合に、
    映像データを、前記所定のパラメータに代えて前記パラメータの上限値に基づいてエンコードすることを特徴とする、請求項記載のストリーム通信システム。
  3. 前記サーバ装置の前記エンコード手段は、
    前記パラメータ調整手段により算出される調整後のパラメータがあらかじめ設定されたパラメータの下限値を下回る値であった場合に、
    映像データを、前記所定のパラメータに代えて前記パラメータの下限値に基づいてエンコードすることを特徴とする、請求項又は記載のストリーム通信システム。
  4. 前記パラメータ調整手段により算出される調整後のフレームレートは、前記受信時間及び前記デコード時間のうちいずれか大きい方(Tr)の逆数とすることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項記載のストリーム通信システム。
  5. 前記パラメータ調整手段は、ユーザの画質についての選好に基づいて、フレームレートの調整を行うか否かを決定することを特徴とする、請求項記載のストリーム通信システム。
  6. 前記パラメータ調整手段は、前記ストリーム受信手段が測定した受信時間を複数用いた統計値より受信時間の代表値を決定し、前記デコード手段が測定したデコード時間を複数用いた統計値よりデコード時間の代表値を決定し、
    前記Trの受信時間は、前記受信時間の代表値を用い、
    前記Trのデコード時間は、前記デコード時間の代表値を用いることを特徴とする、請求項からのいずれか1項記載のストリーム通信システム。
  7. 映像データをエンコードし、クライアント装置に送信するサーバ装置であって、
    前記クライアント装置から、ストリームの受信にかかった受信時間とデコードにかかったデコード時間とに基づいて決定された、映像データをエンコードする際に用いる調整後のビットレートとフレームレートを含む調整後のパラメータを受信し、
    前記調整後のパラメータに基づいて映像データをエンコードし、
    前記受信した調整後のパラメータに含まれる調整後のビットレートは、下記式によって算出されることを特徴とする、サーバ装置。
    Br=TsBs/Tr
    ただし、Brは調整後のビットレート、Tsは調整前のフレームレートの逆数、Bsは調整前のビットレート、Trは前記受信時間及び前記デコード時間のうちいずれか大きい方とする。
  8. エンコードされた映像データのストリームを受信し、デコードするクライアント装置であって、
    ストリームの受信にかかった受信時間と、ストリームのデコードにかかったデコード時間に基づいて、映像データをエンコードする際に用いる調整後のビットレートとフレームレートを決定し、決定した調整後の前記ビットレートとフレームレートを含む調整後のパラメータを、映像データを送信するサーバ装置に送信し、
    前記調整後のパラメータに含まれる調整後のビットレートは、下記式によって算出されることを特徴とする、クライアント装置。
    Br=TsBs/Tr
    ただし、Brは調整後のビットレート、Tsは調整前のフレームレートの逆数、Bsは調整前のビットレート、Trは前記受信時間及び前記デコード時間のうちいずれか大きい方とする。
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