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为了更好地解决视频的网络传输问题,特别是对各种不同带宽的传输通道的适应性,视频编码技术发展出了可扩展编码,特别是精细粒度可扩展编码。但是,针对不同的视频应用需求和网络传输通道条件,如何合理利用精细粒度可扩展编码的特性,真正提高视频传输的质量,仍然是一个值得研究的问题。
本文分析了当前精细粒度可扩展编码FGS视频传输质量保障技术的研究现状,针对限定带宽丢包信道下的抗丢包传输技术、质量均衡技术和自拥塞控制技术,着重开展了以下三方面的研究工作:
首先,本文研究了FGS视频的抗丢包传输技术。利用FEC冗余纠错机制对MPEG-4 FGS视频数据传输进行错误保护已有不少研究,但冗余数据基本都采用了占用额外传输带宽的方法。在总传输带宽限定的条件下,冗余编码占用的带宽就会挤占视频数据本身的带宽从而引入视频编码质量的受损。如何使编码损伤和传输损伤达到最佳分配,同时利用FGS编码的特性在不同的增强层之间进行非均等的FEC冗余数据分配,从而使最终的视频失真最小化是带宽限定的丢包信道上视频传输的关键问题。本文通过对FEC编码在丢包信道下的纠错性能分析,结合从待传输视频FGS增强层提取的率失真特性的数值模型,设计了寻优算法来获得最佳的不均等FEC冗余分配策略,提高了视频传输的总体质量。
其次,本文研究了FGS视频传输的质量均衡技术。在提高视频传输总体质量或者说平均质量的基础上,降低视频帧间的质量波动也是改善用户体验的一个重要因素。已有的FGS视频质量均衡传输技术的研究或者未考虑丢包信道的环境,或者在无线噪声信道上直接采用在传输包内引入部分冗余数据进行保护的方法。本文以RTP传输数据包为基本单位封装数据或冗余信息,在限定带宽的丢包信道上,建立了MPEG-4 FGS视频质量均衡传输的码率分配框架,建立起FEC分配策略和最终视频平均失真以及视频失真波动之间的数学模型,并设计了寻优算法同时在平均视频质量和平均视频帧间质量波动两个目标上都获得最优。
第三,本文研究了FGS视频在限定带宽的丢包信道上的自拥塞控制技术。精细粒度可扩展编码和其他当今主流视频编码方法类似,在不同的帧编码类型以及场景内容的变化都会导致视频流具有瞬时的流量突发特性。这种突发的速率波动不加处理很容易造成瓶颈链路上的路由器队列溢出。现有研究工作通过发送端根据时延约束主动地丢弃视频数据进行自拥塞控制,一些研究工作考虑了受限带宽信道可能的丢包但未针对FGS编码进行特别分析,从而直接丢弃了部分视频帧,另一些研究工作针对了FGS编码视频展开但未考虑可能的丢包环境。本文利用FGS增强层的精细可扩展特性,在发送端有选择地传输部分增强层数据来平滑发送速率,并通过分析瓶颈链路传输延迟和视频传输失真之间的定量关系来确定每帧包含增强层数据量和发送时刻的发送策略。该方法能够有效的平滑发送速率,在给定的传输延迟约束下,能够在接收端获得更好的视频质量,同时保持瓶颈链路路由器的缓存维持在稳定状态。
最后,在计算机仿真实验证实了上述研究工作的有效性的基础上,本文进一步以代表性的物理网络环境对本文的研究成果进行了综合的实验测试,验证了本文方法的有效性和实用性。