基于IP网络视频质量自适应控制的研究

论文摘要

利用现有网络条件，提供良好的视频质量，是面向通信传输的视频系统需要长期面对的问题。本文研究的重点是在IP网络环境变化的情况下，实时有效地控制视频质量，保证给终端用户提供良好的视频服务。取得的研究成果和创新如下：1．提出了一个IP网络视频质量自适应控制的机制提出了一套对IP网络流量、拥塞等变化环境自适应调整的视频质量控制机制，由编码端和解码端的网络监控单元形成反馈系统。解码端检测网络参数，藉以调节接收端视频缓冲区，改善回放视频质量；编码端得到网络反馈参数后，自适应的控制画面和宏块层的目标码率和量化参数，进行精细分配和控制，从而减少了网络拥塞，改善了系统QoS。2．提出了相似拉普拉斯率失真模型—SL视频压缩的速率控制，就是预估一组量化参数，使得在压缩速率的限制下，达到失真最小的结果。本文由DCT量化后系数的分布概率，结合拉普拉斯概率密度函数，推导出拉普拉斯率失真控制模型。利用此模型，设计实现了发送端画面和宏快层的速率控制函数：发送端缓冲区的上、下溢出界限公式；FGS增强层码率比例截取算法等。实验结果表明，使用SL模型在编码稳定性和视频质量变化上总体提高了32.96％。3．提出了计算网络带宽逐次趋稳和加权可调拥塞算法传统的AIMD算法采用的是加增倍减的方法来探测网络拥塞，带来的视频质量波动较大。本文提出逐次趋稳算法，在端到端之间定期发送测试包，根据丢包率，使用迭代方法，计算网络流量变化，平稳快速地使目标速率在最大可用带宽附近变化，减少了视频质量波动。试验数据表明，该算法具有较好的收敛性和平滑性。根据逐次趋稳算法得到的目标码率，本文使用比例因子加权调整发送速率，最终发送的视频速率符合网络带宽的要求。实验表明，该拥塞算法与AIMD相比，具有较快的反应能力和良好的TCP友好性。4．提出一种FGS重发／重收和空域的错误控制机制及鲁棒打包方案设计了FGS的基本层和增强层重发／重收策略，并且把增强层利用位平面编码分解为多个数据包。重新设计了新的UDP数据包包头，便于高效、鲁棒传输视频数据；对于空域分层编码，提出了区别于ARQ的I画面错误恢复手段，同时采用后向错误定位方法来恢复P画面，实验表明，与计算宏块中所有象素值的方法相比，恢复P画面的计算量仅为21.8％。利用RTP包和编码宏块尺寸的比较关系，提出了一种鲁棒的编码端数据打包机制—1 FlexMux，降低分组之间的相关性，提高了I画面的鲁棒性。当网络出现严重拥塞时(平均丢包率为15％～20％)，使用相同的视频测试集，采用本文的视频质量自适应控制机制，综合各个分部件测试单元的结果，和没有采用此机制的系统相比，视频平均峰值信噪比PSNR提升了1.22dB～2.31dB，为终端用户提供了较好的视频质量。本文是阶段性研究成果，仍有许多问题需要进一步研究，如编解码器优化、新的错误控制算法、在实际应用中的各种问题等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要缩写表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和课题意义
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.2.1 视频编码
• 1.2.2 视频传输
• 1.2.3 视频差错控制
• 1.3 论文研究的主要内容及组织结构
• 1.4 本文的主要创新工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 视频传输原理及压缩算法
• 2.1 引言
• 2.2 Internet框架及协议
• 2.2.1 网际层协议（IP）
• 2.2.2 传输层协议（TCP）
• 2.2.3 应用层协议（RTP/RTCP）
• 2.3 数字视频编码技术
• 2.3.1 MPEG视频编码基本概念
• 2.3.2 面向对象视频MPEG-4编码技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 视频质量自适应控制系统
• 3.1 系统框架组成
• 3.2 视频编码层-CODECL
• 3.2.1 相似拉普拉斯变换SL（Similar-Laplacian）率失真RD模型
• 3.2.2 FGS码流和编解码器
• 3.3 网络接口层-NIL
• 3.3.1 包化封装器PU（Packetization Unit）
• 3.3.2 品质反馈单元QFU（Quality Feedback Unit）
• 3.3.3 接收端视频缓冲区RVB（R-Video Buffer）
• 3.3.4 QoS参数调整单元QPAU（QoS Parameter Adjustment Unit）
• 3.3.5 MPEG-4解码器
• 3.4 对象编码控制错误蔓延机制
• 3.4.1 空间和时间域的错误蔓延原因
• 3.4.2 本文采用的控制错误蔓延的机制
• 3.5 本章小结
• 第四章 VQACS系统编码层CODECL流控制研究
• 4.1 可调编码速率的编码算法
• 4.1.1 编码速率控制的必要性
• 4.1.2 失真模型（Distortion Model）
• 4.1.3 相似拉普拉斯SL（Similar Laplacian）率失真模型
• 4.2 FGS增强层的码率控制算法
• 4.3 仿真实验数据及分析
• 4.3.1 相似拉普拉斯率失真模型-SL准确性:
• 4.3.2 模拟带宽固定为384kbps
• 4.3.3 测试画面的PSNR比较
• 4.3.4 测试序列的发送缓冲区比较
• 4.3.5 FGS增强层码率截取控制算法
• 4.3.6 总体性能比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 VQACS系统网络接口层NIL关键技术研究
• 5.1 包化封装器PU（Packetization Unit）
• 5.1.1 DMIF系统框架
• 5.1.2 针对MPEG—4的容错包化封装机制
• 5.1.3 仿真实验及分析
• 5.2 品质反馈单元QFU（Quality Feedback Unit）
• 5.2.1 RTCP报文
• 5.2.2 网络参数计算方法
• 5.2.3 利用APP报文建立反馈机制
• 5.2.4 QFU的RTCP反馈时间间隔计算
• 5.3 接收端视频缓冲区RVB（R-Video Buffer）
• 5.3.1 接收端动态缓冲区设计
• 5.3.2 仿真实验及分析
• 5.4 QoS参数调整单元QPAU（QoS Parameter Adjustment Unit）
• 5.4.1 QoS概念
• 5.4.2 逐次趋稳的网络带宽迭代算法
• 5.4.3 端到端拥塞控制机制
• 5.4.4 仿真实验及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 压缩视频通讯中的错误控制
• 6.1 视频差错控制研究的必要性和当前的现状
• 6.1.1 信道错误控制
• 6.1.2 信源错误控制
• 6.1.3 信源/信道联合编码
• 6.1.4 错误掩盖-Error concealment
• 6.2 VQACS系统中采用的差错控制算法
• 6.2.1 针对空域可扩展性分层编码错误恢复手段
• 6.2.2 针对FGS的重发/重收机制
• 6.3 仿真实验数据及分析
• 6.3.1 针对空域可扩展性分层编码的错误控制
• 6.3.2 FGS重发/重传机制试验结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 进一步的研究方向
• 7.3 结束语
• 参考文献
• 作者在学期间发表的论文及研究成果
• 致谢