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基于IP网络视频质量自适应控制的研究

作　者: 赵敏
导　师: 何华灿
学　校: 西北工业大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 精细分层编码率失真模型打包视频缓冲区拥塞控制服务质量重发/重收差错控制
分类号: TN919.8
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 307次
引　用: 2次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-12
主要缩写表  12-14
第一章绪论  14-23
  1.1 研究背景和课题意义  14-15
  1.2 国内外研究的现状  15-19
    1.2.1 视频编码  15-17
    1.2.2 视频传输  17-19
    1.2.3 视频差错控制  19
  1.3 论文研究的主要内容及组织结构  19-21
  1.4 本文的主要创新工作  21-22
  1.5 本章小结  22-23
第二章视频传输原理及压缩算法  23-42
  2.1 引言  23
  2.2 Internet框架及协议  23-30
    2.2.1 网际层协议(IP)  24-25
    2.2.2 传输层协议(TCP)  25-28
    2.2.3 应用层协议(RTP/RTCP)  28-30
  2.3 数字视频编码技术  30-41
    2.3.1 MPEG视频编码基本概念  30-35
    2.3.2 面向对象视频MPEG-4编码技术  35-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章视频质量自适应控制系统  42-54
  3.1 系统框架组成  42-43
  3.2 视频编码层-CODECL  43-46
    3.2.1 相似拉普拉斯变换SL(Similar-Laplacian)率失真RD模型  44-45
    3.2.2 FGS码流和编解码器  45-46
  3.3 网络接口层-NIL  46-50
    3.3.1 包化封装器PU(Packetization Unit)  46-47
    3.3.2 品质反馈单元QFU(Quality Feedback Unit)  47-48
    3.3.3 接收端视频缓冲区RVB(R-Video Buffer)  48-49
    3.3.4 QoS参数调整单元QPAU(QoS Parameter Adjustment Unit)  49-50
    3.3.5 MPEG-4解码器  50
  3.4 对象编码控制错误蔓延机制  50-53
    3.4.1 空间和时间域的错误蔓延原因  51-52
    3.4.2 本文采用的控制错误蔓延的机制  52-53
  3.5 本章小结  53-54
第四章 VQACS系统编码层CODECL流控制研究  54-76
  4.1 可调编码速率的编码算法  54-68
    4.1.1 编码速率控制的必要性  54
    4.1.2 失真模型(Distortion Model)  54-57
    4.1.3 相似拉普拉斯SL(Similar Laplacian)率失真模型  57-68
  4.2 FGS增强层的码率控制算法  68-69
  4.3 仿真实验数据及分析  69-75
    4.3.1 相似拉普拉斯率失真模型-SL准确性:  69-70
    4.3.2 模拟带宽固定为384kbps  70-71
    4.3.3 测试画面的PSNR比较  71-72
    4.3.4 测试序列的发送缓冲区比较  72-73
    4.3.5 FGS增强层码率截取控制算法  73-74
    4.3.6 总体性能比较  74-75
  4.4 本章小结  75-76
第五章 VQACS系统网络接口层NIL关键技术研究  76-103
  5.1 包化封装器PU(Packetization Unit)  76-81
    5.1.1 DMIF系统框架  76-78
    5.1.2 针对MPEG—4的容错包化封装机制  78-80
    5.1.3 仿真实验及分析  80-81
  5.2 品质反馈单元QFU(Quality Feedback Unit)  81-85
    5.2.1 RTCP报文  82-83
    5.2.2 网络参数计算方法  83
    5.2.3 利用APP报文建立反馈机制  83-84
    5.2.4 QFU的RTCP反馈时间间隔计算  84-85
  5.3 接收端视频缓冲区RVB(R-Video Buffer)  85-89
    5.3.1 接收端动态缓冲区设计  85-87
    5.3.2 仿真实验及分析  87-89
  5.4 QoS参数调整单元QPAU(QoS Parameter Adjustment Unit)  89-102
    5.4.1 QoS概念  89-90
    5.4.2 逐次趋稳的网络带宽迭代算法  90-94
    5.4.3 端到端拥塞控制机制  94-98
    5.4.4 仿真实验及分析  98-102
  5.5 本章小结  102-103
第六章压缩视频通讯中的错误控制  103-121
  6.1 视频差错控制研究的必要性和当前的现状  103-108
    6.1.1 信道错误控制  103-105
    6.1.2 信源错误控制  105-106
    6.1.3 信源/信道联合编码  106-107
    6.1.4 错误掩盖-Error concealment  107-108
  6.2 VQACS系统中采用的差错控制算法  108-116
    6.2.1 针对空域可扩展性分层编码错误恢复手段  108-109
    6.2.2 针对FGS的重发/重收机制  109-116
  6.3 仿真实验数据及分析  116-119
    6.3.1 针对空域可扩展性分层编码的错误控制  116-118
    6.3.2 FGS重发/重传机制试验结果  118-119
  6.4 本章小结  119-121
第七章总结与展望  121-124
  7.1 总结  121-122
  7.2 进一步的研究方向  122-123
  7.3 结束语  123-124
参考文献  124-133
作者在学期间发表的论文及研究成果  133-135
致谢  135-136

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