P2P網(wǎng)絡(luò)立體電視網(wǎng)絡(luò)傳輸及播放優(yōu)化

金志剛，趙西滿，何 超，周 圓

P2P網(wǎng)絡(luò)立體電視網(wǎng)絡(luò)傳輸及播放優(yōu)化

金志剛，趙西滿，何 超，周 圓

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

為提供穩(wěn)定高效的網(wǎng)絡(luò)多視點(diǎn)立體電視服務(wù)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)立體電視中P2P對等體的測量機(jī)制和調(diào)度機(jī)制．P2P對等體測量機(jī)制基于多視點(diǎn)視頻的傳輸失真模型對對等體的失真率進(jìn)行計算評估，應(yīng)用VoDCrawler軟件對P2P網(wǎng)絡(luò)中影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Φ润w關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測量，從而將失真率低和數(shù)據(jù)傳輸效果好的對等體提供給用戶連接，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)對等體的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康模畬?shí)時分配數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的調(diào)度機(jī)制根據(jù)對等體列表中每個對等體的測量結(jié)果，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)分配進(jìn)行優(yōu)化，保證了多視點(diǎn)立體視頻的視點(diǎn)完整性以及保證QoS的視頻播放服務(wù)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)立體電視用戶在獲取服務(wù)時的服務(wù)質(zhì)量可滿足需求，視頻播放的幀速率高且穩(wěn)定．

IPTV；多視點(diǎn)立體視頻；傳輸失真模型；P2P；網(wǎng)絡(luò)調(diào)度；VoDCrawler軟件

立體視頻使得觀看者可以獲取立體視頻信息，更接近人類在自然界觀看物體的方式．其中發(fā)展迅速的是多視點(diǎn)立體技術(shù)，可以直接用裸眼觀看立體圖像與視頻[1-2]．多視點(diǎn)立體技術(shù)將1幀的多個不同視角的圖像拼接合成，合成后的圖像在特制的多視點(diǎn)立體顯示終端設(shè)備上呈現(xiàn)出立體效果[3]．隨著近年來寬帶技術(shù)的發(fā)展，高速高帶寬的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)步入了千家萬戶，高速視頻業(yè)務(wù)成為主流業(yè)務(wù)，越來越多的用戶希望體驗(yàn)更高質(zhì)量的立體視頻服務(wù)．另外，由于多視點(diǎn)立體視頻的每一幀圖像都由多個視點(diǎn)的圖像合成，多視點(diǎn)立體業(yè)務(wù)有很高的數(shù)據(jù)率，同時多視點(diǎn)立體視頻對于數(shù)據(jù)丟失非常敏感，較高的數(shù)據(jù)丟失將會引起視頻立體感丟失甚至無法成像的后果[4]．因此，多視點(diǎn)立體視頻業(yè)務(wù)需要QoS(quality of service)保證．

由于網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時性高以及QoS需求的特性，C/S架構(gòu)無法很好地滿足其需求，P2P(peer to peer)結(jié)構(gòu)更適合多視點(diǎn)立體電視的網(wǎng)絡(luò)傳輸[5-6]．首先，在P2P模式下，用戶的數(shù)據(jù)不再單純地依賴于服務(wù)器，同時也可以從系統(tǒng)中的其他用戶處獲取數(shù)據(jù)，這樣不僅大大減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，同時用戶可以并行從多個數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，相同時間內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)更多，可以解決多視點(diǎn)立體電視數(shù)據(jù)率高的難題．另外，P2P模式可以減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，相同環(huán)境下比C/S模式承載更多的業(yè)務(wù)和用戶．因而采用P2P結(jié)構(gòu)的立體視頻傳輸方案得到了廣泛關(guān)注.文獻(xiàn)[7-8]均提出在現(xiàn)在及今后的大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)電視業(yè)務(wù)中，P2P的架構(gòu)將是該項(xiàng)業(yè)務(wù)最基本和最重要的基礎(chǔ)部分，這一部分的設(shè)計以及實(shí)現(xiàn)的效果將直接決定用戶數(shù)量以及服務(wù)質(zhì)量的水平[9-10].

但是，多視點(diǎn)立體視頻相比傳統(tǒng)的IPTV具有更高的數(shù)據(jù)量和QoS要求．基于P2P結(jié)構(gòu)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多視點(diǎn)立體電視系統(tǒng)需要滿足兩個明顯矛盾的需求：一方面，需要P2P系統(tǒng)中連接到的對等體以高效率的方式發(fā)送數(shù)據(jù)以滿足網(wǎng)絡(luò)多視點(diǎn)立體電視視頻的大數(shù)據(jù)量的需求；另外一方面，還需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時盡可能少的出現(xiàn)丟包、數(shù)據(jù)包重發(fā)等錯誤，以滿足視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行合成時要求的低錯誤率．因此，僅采用P2P架構(gòu)還是無法滿足網(wǎng)絡(luò)多視點(diǎn)立體視頻的需求，需要在P2P架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化．

目前，針對網(wǎng)絡(luò)多視點(diǎn)立體電視系統(tǒng)的傳輸已經(jīng)有了不少成果，研究主要集中在提高多視點(diǎn)立體視頻的數(shù)據(jù)壓縮率、減小傳輸中的誤碼率以及在接收端的視頻數(shù)據(jù)恢復(fù)．文獻(xiàn)[11]提出了NUEPMuT協(xié)議優(yōu)化P2P網(wǎng)絡(luò)中多視點(diǎn)立體視頻的傳輸方案，但是該方案僅提出了理論上的可行性以及軟件上的仿真．文獻(xiàn)[12]提出了一種網(wǎng)絡(luò)多視點(diǎn)立體電視的數(shù)據(jù)包的錯誤隱藏機(jī)制，以保證接收端在丟包的情況下依然可以進(jìn)行錯誤恢復(fù)的同時保持視點(diǎn)間的數(shù)據(jù)相關(guān)性，但是該方案對于多視點(diǎn)立體視頻的傳輸速度沒有提高，無法從根本上解決數(shù)據(jù)量大的問題．另外，數(shù)據(jù)量大也是制約網(wǎng)絡(luò)多視點(diǎn)立體電視大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營的瓶頸，微軟亞洲研究院致力于提供一種實(shí)時、互動且可靠的多視點(diǎn)立體視頻服務(wù)，三菱電氣研究實(shí)驗(yàn)室也提出了一種多視點(diǎn)立體視頻模型，但是這些都由于多視點(diǎn)立體視頻數(shù)據(jù)量過大而無法進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用.

在不改變系統(tǒng)物理環(huán)境下使得用戶獲取最大限度的數(shù)據(jù)傳輸和QoS保證是本文工作的研究重點(diǎn)．在前期的研究中，本課題組提出了一種P2P系統(tǒng)中的主動測量方法[13-14]，該方法深入研究了大規(guī)模P2P IPTV點(diǎn)播覆蓋網(wǎng)絡(luò)，從多個不同角度分析大規(guī)模P2P IPTV網(wǎng)絡(luò)的特性，都有助于用戶對系統(tǒng)中其他對等體數(shù)據(jù)傳輸“質(zhì)量”進(jìn)行評測．此外，文獻(xiàn)[15]提出了遞歸式的多視點(diǎn)視頻傳輸失真模型，該模型針對全網(wǎng)絡(luò)立體電視根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行失真率的計算，由于多視點(diǎn)立體視頻具有很高的數(shù)據(jù)丟失敏感性，因此可以首先進(jìn)行兩對等體之間的失真率的計算，從根本上將那些無法滿足要求的對等體剔除，間接地保證了用戶的QoS．

筆者以上述多視點(diǎn)視頻的傳輸失真模型和VoDCrawler軟件為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于P2P網(wǎng)絡(luò)中的對等體選擇系統(tǒng)和多視點(diǎn)立體電視視頻播放調(diào)度服務(wù)系統(tǒng)．前者是根據(jù)多視點(diǎn)視頻的傳輸失真模型以及VoDCrawler，在用戶進(jìn)行系統(tǒng)后接受服務(wù)開始，為用戶在大量的對等體中進(jìn)行高質(zhì)量對等體的篩選工作，從而在連接一定數(shù)量的對等體情況下，確保這些對等體能提供最高質(zhì)量視頻數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)．后者是在多視點(diǎn)立體視頻播放過程中，根據(jù)連接的對等體質(zhì)量為其分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)．這樣的設(shè)計可以確保從數(shù)據(jù)源頭的對等體以及分配對等體相應(yīng)的工作兩個方面進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化．

1 多視點(diǎn)視頻在P2P網(wǎng)絡(luò)中的傳輸失真率評估

本文基于多視點(diǎn)視頻的傳輸失真模型和實(shí)時的P2P網(wǎng)絡(luò)對等體測量，對立體視頻失真率以及對等體質(zhì)量進(jìn)行評估，在評估的基礎(chǔ)上提出對等體選擇策略和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸及調(diào)度機(jī)制．

1.1 多視點(diǎn)視頻的傳輸預(yù)測模型

多視點(diǎn)視頻的傳輸失真模型將當(dāng)前幀(,)M s t與同一GGoP中的幀聯(lián)系起來，幀級傳輸失真預(yù)測模型的表達(dá)式為

式中：cD為由于信道引起的失真的預(yù)測值；s為視點(diǎn)序列號；t為時間；Q為采用幀內(nèi)編碼糾錯的編碼方式的數(shù)據(jù)包的百分比；V為采用視點(diǎn)內(nèi)編碼糾錯方式的數(shù)據(jù)包的百分比；aλ、bλ、TECD和VECD為根據(jù)視頻的內(nèi)容和編碼方式確定的常量；U為采用視點(diǎn)內(nèi)錯誤隱藏機(jī)制的數(shù)據(jù)包的百分比；aμ和bμ為與錯誤隱藏方式相關(guān)的常量．

顯然式(1)是一個遞歸表達(dá)式，(,)M s t幀的平均傳輸失真c(,)D s t可以通過迭代計算c(,1)

以P代表平均丟包率，則網(wǎng)絡(luò)中的包或者以比率P丟失，或者以1-P的比率正確接收．因此，平均傳輸失真Dc( s, t)還可以表示為

其中

式中α和β為誤差傳播系數(shù)，表示在相鄰幀中由信道引起的失真的相關(guān)性．一般來說，01α＜＜，01β＜＜．對于給定的視頻編碼器、錯誤掩蓋算法和視頻內(nèi)容，誤差傳播系數(shù)α和β都是常數(shù)．

1.2 P2P網(wǎng)絡(luò)測量軟件VoDCrawler

VoDCrawler的整體運(yùn)行過程分為2個階段：被動監(jiān)測階段和主動探測階段，如圖1所示.

圖1 VoDCrawler工作流程Fig.1 Workflow of VoDCrawler

在被動監(jiān)測階段的流量分析中，抽取出跟蹤服務(wù)器標(biāo)識，并識別出發(fā)送給跟蹤服務(wù)器的對等體列表請求QT和發(fā)送給已知對等體的對等體列表請求QP．抽取出的跟蹤服務(wù)器標(biāo)識組成了集合ST．主動探測階段中，QT被以順序循環(huán)的方式發(fā)送給ST中所標(biāo)識的跟蹤服務(wù)器．相應(yīng)地包含對等體列表的應(yīng)答數(shù)據(jù)包被分析，找出網(wǎng)絡(luò)中目前存在的對等體，將它們的標(biāo)識添加到集合SP．當(dāng)SP不再為空時，以順序循環(huán)的方式向SP中的已知對等體發(fā)送QP．通過對應(yīng)答的分析，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中新的對等體和對等體之間的合作關(guān)系，將其分別添加到集合SP和SR中．當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前時刻的絕大多數(shù)對等體和對等體合作關(guān)系都已經(jīng)被探測到時，主動探測階段結(jié)束．

2 基于失真模型和VoDCrawler的對等體選擇策略

利用多視點(diǎn)視頻的傳輸失真預(yù)測模型來估計在包交換網(wǎng)絡(luò)中采用H.264/MVC編碼后的視頻的失真率，并應(yīng)用P2P網(wǎng)絡(luò)測量軟件VoDCrawler主動地測量客戶端所形成的P2P 多視點(diǎn)立體電視點(diǎn)播覆蓋網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提出了對等體的選擇策略．

2.1 基于失真模型的對等體選擇

客戶進(jìn)入了系統(tǒng)之后，將消耗一定的時間和帶寬對可連接的對等體進(jìn)行一系列的測量和篩選工作，這種測量和篩選工作主要包括兩個方面：首先，客戶在進(jìn)入系統(tǒng)之后必然要與媒體服務(wù)器和其他的對等體進(jìn)行連接，對等體的連接存在了選擇性，利用多視點(diǎn)視頻的傳輸失真模型將進(jìn)行一個用戶與對等體之間的傳輸視頻數(shù)據(jù)時的失真率的評估與計算；其次，在用戶所處的P2P模型中，根據(jù)VoDCrawler對對等體連接列表中其他對等體參數(shù)的測量結(jié)果進(jìn)行對等體“質(zhì)量”評估，進(jìn)行對等體的篩選，選擇高“質(zhì)量”對等體進(jìn)行連接．

采用預(yù)先設(shè)定閾值的方法進(jìn)行篩選，這是由于若失真率高于閾值，客戶端收到的視頻無法呈現(xiàn)立體效果．在預(yù)先確定了編碼方式之后，客戶隨機(jī)與對等體進(jìn)行連接，并根據(jù)失真模型進(jìn)行測量，對于返回的失真率進(jìn)行判斷，如果失真率大于等于閾值則將該對等體丟棄掉，如果小于閾值，則將該對等體存入候選對等體列表中，作為用戶進(jìn)行第2輪連接選擇的備選對等體．對等體候選連接列表的大小設(shè)置為32，此數(shù)值是經(jīng)過大量的測量后得到的一個較為理想的數(shù)值，過小會使得候選對等體樣本過小，優(yōu)質(zhì)的對等體數(shù)量過少，無法達(dá)到優(yōu)化的目的，如果過大一方面會浪費(fèi)用戶帶寬在大量的對等體的失真率測量上，另一方面會給用戶第2次的篩選工作造成過重的負(fù)擔(dān)，同樣會浪費(fèi)帶寬．

2.2 基于VoDCrawler的對等體“質(zhì)量”評測

為了可以主動地測量客戶端所形成的P2P 多視點(diǎn)立體電視點(diǎn)播覆蓋網(wǎng)絡(luò)，使用VoDCrawler對以下參數(shù)進(jìn)行測量.

(1) 帶寬．帶寬是對等體所擁有的網(wǎng)絡(luò)帶寬，是最直觀體現(xiàn)對等體為客戶提供服務(wù)質(zhì)量的參數(shù)．

(2) 網(wǎng)絡(luò)延遲．網(wǎng)絡(luò)延遲在這里指的是本系統(tǒng)中一個對等體傳輸數(shù)據(jù)從開始到目的對等體經(jīng)歷的時間間隔．這是考量數(shù)據(jù)傳輸速度的一個重要參數(shù)，小的網(wǎng)絡(luò)延遲表明用戶可以迅速收到自己需要的數(shù)據(jù)．

(3) 節(jié)點(diǎn)度．節(jié)點(diǎn)度指對等體節(jié)點(diǎn)的合作者的數(shù)量，也就是在網(wǎng)絡(luò)快照圖中與節(jié)點(diǎn)相連的邊的數(shù)量．本文認(rèn)為對等體的節(jié)點(diǎn)度是評價該對等體的服務(wù)穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，這是因?yàn)椋菏紫龋脩魩捲礁邉t用戶可以承受的節(jié)點(diǎn)度越高；其次，當(dāng)對等體節(jié)點(diǎn)度高時，用戶向其請求數(shù)據(jù)時該對等體可以以更高的速度和準(zhǔn)確率來響應(yīng)該請求．

(4) 在線時長．在線時長是用于衡量剩余運(yùn)行時間的重要指標(biāo)．當(dāng)對等體從合作者中選取合適的對等體下載視頻時，為了保證視頻源的穩(wěn)定性，應(yīng)該選取那些當(dāng)前運(yùn)行時間較長的對等體．一個對等體在線的時間越長則其已經(jīng)獲取的視頻的數(shù)據(jù)量越大，用戶對于該視頻的興趣度也就越高，那么該用戶的生命周期也就越長，這樣就可以保證用戶在請求某個視頻的分塊時命中的可能性越高．

將這些參數(shù)作為評估網(wǎng)絡(luò)對等體參數(shù)，將系統(tǒng)中對于用戶而言盡可能優(yōu)質(zhì)的對等體篩選出來，幫助客戶進(jìn)行有選擇的連接對等體，從而獲得盡可能優(yōu)質(zhì)的服務(wù)．

2.3 對等體的替換原則

每個對等體都有4項(xiàng)測量參數(shù)：帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、節(jié)點(diǎn)度、在線時長．對于每個參數(shù)，將按照以下算法進(jìn)行對等體“質(zhì)量”的判斷：用戶首先根據(jù)從服務(wù)器處獲取的對等體連接列表進(jìn)行連接，當(dāng)用戶本地的連接數(shù)用完之后，用戶將以已經(jīng)連接的對等體為樣本對上面4項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行取均值操作，如果對等體的某項(xiàng)參數(shù)的結(jié)果優(yōu)于均值，則將該對等體的該項(xiàng)參數(shù)位標(biāo)記為1，否則標(biāo)記為0，對等體參數(shù)為1的數(shù)量越多，則表明該對等體“質(zhì)量”越優(yōu)，并根據(jù)用戶1的數(shù)量進(jìn)行從高到低的排序．當(dāng)有新的對等體進(jìn)入連接列表后，將該對等體的參數(shù)值與均值比較，得到新對等體參數(shù)中1的數(shù)量，如果新對等體“質(zhì)量”優(yōu)于已經(jīng)連接的對等體，則進(jìn)行替換，并且重新進(jìn)行4項(xiàng)參數(shù)的均值計算，否則放棄新對等體．

服務(wù)效率需要通過VoDCrawler的測量結(jié)果進(jìn)行綜合分析，如果新加入的對等體的1的數(shù)量大于列表中已經(jīng)存在的對等體的1的數(shù)量，則將新加入的對等體加入到列表中．如果列表仍有空余位置，則所有的對等體均存在于列表中；如果列表已經(jīng)滿了，則將0的數(shù)量最多的對等體斷開連接；當(dāng)列表中全部由全1的對等體組成時，對等體列表將處于鎖死狀態(tài)，VoDCrawler軟件將不再進(jìn)行對等體的測量工作，直到某些對等體退出列表后，重新激活VoDCrawler的工作．VoDCrawler維護(hù)的對等體列表的表項(xiàng)為：IP地址、端口號、帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、節(jié)點(diǎn)度和在線時長．

3 優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸及調(diào)度機(jī)制

本文設(shè)計了P2P網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時分配數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的調(diào)度機(jī)制，根據(jù)對等體列表中每個對等體的測量結(jié)果，進(jìn)行優(yōu)化的任務(wù)分配，從而實(shí)現(xiàn)了保證QoS的視頻播放服務(wù)．P2P網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸系統(tǒng)如圖2所示，其中調(diào)度服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時分配數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的調(diào)度機(jī)制．

P2P網(wǎng)絡(luò)的視頻服務(wù)可以劃分為3個階段．第1個階段是服務(wù)開始階段：客戶正式進(jìn)入系統(tǒng)，與服務(wù)器以及其他對等體連接，并獲取服務(wù)．第2個階段是對等體更新階段：用戶的對等體連接列表填充滿了之后，用戶對對等體連接列表進(jìn)行更新．第3階段采用調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時分配．

圖2 P2P網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of P2P network multiview 3D video transmission system

3.1 服務(wù)開始階段

服務(wù)開始階段可以認(rèn)為是一個用戶近似盲目連接的階段，用戶僅僅按照從服務(wù)器獲取的對等體列表進(jìn)行順序連接，沒有對等體“質(zhì)量”的相關(guān)信息．在本階段，客戶端運(yùn)行基于VoDCrawler對對等體的參數(shù)進(jìn)行測量．

3.2 對等體更新階段

在測量結(jié)束之后，客戶端已經(jīng)獲得了一個用戶的分類列表．客戶端根據(jù)對等體“質(zhì)量”的好壞分配相應(yīng)的任務(wù)量，綜合性能較好的對等體分配更多的任務(wù)量．同時，VoDCrawler將繼續(xù)運(yùn)行，目的在于將離開系統(tǒng)和新進(jìn)入系統(tǒng)的對等體進(jìn)行更新，實(shí)時地將對等體連接列表中離開系統(tǒng)的對等體從列表中清除；另外將新進(jìn)入的對等體進(jìn)行相關(guān)測量，評估“質(zhì)量”．

用戶周期性地從服務(wù)器處獲取新的對等體連接列表，用戶從服務(wù)器處獲取了新的對等體列表之后進(jìn)行以下操作：比較可連接的對等體列表，如果對等體同時存在于服務(wù)器對等體列表和用戶本地對等體連接列表中，則該對等體將被保留；如果某對等體不存在于服務(wù)器對等體列表而存在于用戶本地對等體連接列表中，則表明該對等體已經(jīng)離開系統(tǒng)，用戶需要將該對等體從列表中清除；如果某對等體存在于服務(wù)器對等體列表而不存在于用戶本地對等體連接列表中，則用戶對該對等體實(shí)行第1階段中的測量步驟進(jìn)行測量工作，并將測量結(jié)果與本地列表中的對等體測量結(jié)果進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果決定是否對該新對等體予以保留．

3.3 多視點(diǎn)立體視頻播放調(diào)度機(jī)制

多視點(diǎn)立體視頻播放調(diào)度機(jī)制的目的在于解決兩方面的問題：保證視點(diǎn)數(shù)的完整以及根據(jù)對等體“質(zhì)量”分配任務(wù)量．

首先將不同視點(diǎn)的視頻進(jìn)行分塊操作，從而整個視頻數(shù)據(jù)可以形象地看作一個二維矩陣，每行對應(yīng)于一個視點(diǎn)，每列是該視點(diǎn)的視頻分塊，因此每個視頻數(shù)據(jù)塊就對應(yīng)一個唯一的二維矩陣編號．編號的編輯是在用戶進(jìn)入系統(tǒng)之后進(jìn)行，用戶確定播放某視頻后，服務(wù)器會將用戶所選擇的視頻的視點(diǎn)數(shù)、視頻數(shù)據(jù)大小等相關(guān)信息發(fā)送給用戶．系統(tǒng)中所有用戶及服務(wù)器均采用相同的分塊規(guī)則，這樣就使得只要獲取了視頻數(shù)據(jù)的大小以及視點(diǎn)數(shù)就可以獲取全局一致的分塊編號．

3.3.1 視點(diǎn)完整性保證機(jī)制

由于多視點(diǎn)立體視頻具有多個視點(diǎn)，因此系統(tǒng)必須時刻保證所有的視點(diǎn)均被傳輸，即保證視點(diǎn)數(shù)的完整性．但是，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)過篩選后的對等體有可能出現(xiàn)視點(diǎn)缺失的情況．為了避免這種情況的發(fā)生，選擇對等體必須考慮視點(diǎn)稀缺性，以保證用戶能夠收到全部視點(diǎn)．

為了實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)完整性保證機(jī)制，本文引入如下算法．

(1) 接入系統(tǒng)，請求立體視頻．

(2) 獲取視頻頭、視頻格式數(shù)據(jù)(包括視點(diǎn)信息和編碼信息、字節(jié)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的分布)．

(3) 統(tǒng)計并確定數(shù)據(jù)的重要程度，分為不可丟失的(丟失后必須重傳的)、允許丟失的(丟失后不必還原也不必恢復(fù)的)以及丟失后可以通過算法恢復(fù)的.

(4) 對于接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行RS誤碼糾錯．

(5) 在收到10,000個數(shù)據(jù)包之后對數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計排序，根據(jù)數(shù)據(jù)包重要程度分級，對其中突發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳等不同操作，針對影響較大的Intra Frame，進(jìn)行幀間和視點(diǎn)間補(bǔ)償操作．否則，認(rèn)為可以丟棄．

(6) 對等體接受不同視點(diǎn)的數(shù)據(jù)設(shè)置8個指示位，如果可以接收到某視點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則該視點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)位為1；否則，該數(shù)據(jù)維持0．

(7) 在對等體列表中的所有對等體均列表完畢后，檢查8個指示位，如果全為1則繼續(xù)維持現(xiàn)狀；如果某位為0，則對等體連接視頻服務(wù)器，請求指示位為0的視點(diǎn)的數(shù)據(jù)．

(8) 播放立體視頻．

3.3.2 基于對等體“質(zhì)量”的負(fù)載分配機(jī)制

優(yōu)化后的調(diào)度方法在于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕?fù)載分配在視頻服務(wù)器和“質(zhì)量”好的對等體上，其他的對等體則分配相對較小的負(fù)載．負(fù)載的分配是基于以下原則：“質(zhì)量”好的對等體負(fù)責(zé)傳輸盡可能多的視點(diǎn)以及沒有播放過的視頻數(shù)據(jù)，其他的對等體負(fù)責(zé)傳輸少量的視點(diǎn)以及已經(jīng)播放過但是沒有正確傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)．具體的調(diào)度方法如下.

(1) 設(shè)置當(dāng)前正在播放的視頻幀序號為0，后面依次設(shè)置7個數(shù)據(jù)位分別代表即將播放的視頻幀，如果該數(shù)據(jù)位為1，則代表該幀的8個視點(diǎn)已經(jīng)全部下載完畢，該幀可以正常播放．

(2) 將序號為1～7的幀數(shù)據(jù)包分配給失真率數(shù)據(jù)位為1的對等體，這是由于這些對等體相對傳輸穩(wěn)定可靠，傳輸速度快．

(3) 序號1～7之外的數(shù)據(jù)包讓對等體自由下載．對于節(jié)點(diǎn)度為1和對等體在線時長位為1的對等體，認(rèn)為它們本身已經(jīng)或者可以下載到較大的視頻數(shù)據(jù)量，因此為其分配不太緊急但是數(shù)據(jù)量巨大的視頻數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)．

(4) 每播放完1幀，則后面的數(shù)據(jù)包自動向前補(bǔ)齊．

采用這樣的調(diào)度方法的好處在于能夠有效將篩選優(yōu)化后的資源進(jìn)行合理調(diào)度與整合，根據(jù)不同對等體自身的特點(diǎn)為其分配能夠最大發(fā)揮其資源特性的任務(wù)，從而最終達(dá)到了整體系統(tǒng)優(yōu)化的目的．

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)前文所述算法，使用8視點(diǎn)視頻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對普通的中心式P2P模式和本文提出的P2P傳輸調(diào)度方法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)帶寬為1,000,Mb/s；視頻長度為4′25′，8視點(diǎn)視頻大小均為46,MB，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備清單Tab.2 List of experiment device

實(shí)驗(yàn)過程分為2部分：首先采用普通中心式的P2P進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄一個新加入的用戶從進(jìn)入系統(tǒng)開始到視頻傳輸完成的平均傳輸時間；然后采用優(yōu)化后的P2P進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄同樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比．P2P模式與C/S模式相比，解決了視頻服務(wù)器的硬件和網(wǎng)絡(luò)瓶頸，使服務(wù)器用戶下載速度有較大提高．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示．與普通的中心式P2P模式相比，增加了調(diào)度算法的方法，提高了對等體的下載速度，并且明顯降低了單個視點(diǎn)下載速度的方差.

表3 增加調(diào)度算法前后數(shù)據(jù)傳輸速度對比Tab.3 Speeds comparison between tranditional P2P and P2P with scheduling algorithm

由表3可知，單個視點(diǎn)的平均傳輸速度提高0.07,MB/s，從而8個視點(diǎn)視頻的數(shù)據(jù)傳輸速度可提高0.56,MB/s．這表明對等體優(yōu)化的確可以將“質(zhì)量”更優(yōu)的對等體篩選出供用戶連接，從而在數(shù)據(jù)傳輸速度上有較大提高，單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的角度滿足了多視點(diǎn)立體視頻的高數(shù)據(jù)率的需求．采用本文提出的調(diào)度算法后，各個視點(diǎn)下載速度的方差遠(yuǎn)小于采用普通P2P模式下載時各個視點(diǎn)下載速度的方差，單個視點(diǎn)下載速度方差從0.29下降到0.07．這表明增加調(diào)度算法后，各視點(diǎn)的下載速度更加均勻，有利于多視點(diǎn)視頻的同步播放．

各個視點(diǎn)的平均下載速度如圖3所示．使用傳輸調(diào)度的下載方式，各個視點(diǎn)下載速度方差較小，減少了視點(diǎn)間的同步等待時間，對多視點(diǎn)立體視頻的播放質(zhì)量有較大提高．從圖3也可以看出采用了調(diào)度優(yōu)化機(jī)制的用戶獲取數(shù)據(jù)明顯比普通P2P平穩(wěn)，所以用戶的每個視點(diǎn)均可以獲得穩(wěn)定的傳輸，從而在保證視點(diǎn)完整性的同時，也消除了因傳輸速度不穩(wěn)引起的短時間立體效果消失以及無法成像的隱患．

圖3 增加調(diào)度算法前后的傳輸平穩(wěn)度對比Fig.3 Stability comparison between trandinational P2P and P2P with scheduling algorithm

5 結(jié) 論

(1) 本文主要對網(wǎng)絡(luò)立體電視系統(tǒng)中的服務(wù)優(yōu)化進(jìn)行了2方面的深入研究：首先依據(jù)多視點(diǎn)視頻的傳輸失真模型和VoDCrawler軟件，提出了P2P對等體的測量機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的對等體選擇策略；另一方面，根據(jù)對等體選擇策略，優(yōu)化了對等體的網(wǎng)絡(luò)連接和傳輸，設(shè)計了實(shí)時分配數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的調(diào)度機(jī)制．通過這兩方面的研究，提高了P2P網(wǎng)絡(luò)中用戶間數(shù)據(jù)的傳輸速度，實(shí)現(xiàn)了QoS保證的立體視頻播放服務(wù)．

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的對等體網(wǎng)絡(luò)連接與傳輸機(jī)制，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性，,滿足多視點(diǎn)立體視頻的高數(shù)據(jù)率和多視點(diǎn)同步的需求．

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Improvement of Transmission and Video Play of P2P Network Multiview 3D Television

JIN Zhi-gang，ZHAO Xi-man，HE Chao，ZHOU Yuan
(School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to provide stable and efficient multiview 3D video service, the P2P connection filtration mechanism and the transmission scheduling mechanism of network multiview 3D video system were proposed. P2P connection filtration mechanism evaluated the loss rate of other peers based on the channel distortion model for multiview video transmission, and VodCrawler was used to measure the key metrics which would affect P2P transmission. According to the results of the P2P connection filtration mechanism, the system provided the clients with peers that had low loss rate and better network data transmission to improve the data transmission between clients. The transmission scheduling mechanism implemented improved task allocation based on the measurement of peers to guarantee the completeness of the views and video play with QoS. Experiment results demonstrate that network multiview 3D video clients have better service quality and the video frame per second (FPS) is higher and more stable in the proposed network multiview 3D video system.

IPTV；multiview 3D video；channel distortion model；P2P；network scheduling；VoDCrawler

TN919.85

A

0493-2137(2012)07-0622-07

2011-06-30；

2011-12-30.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項(xiàng)目(2009AA01A336).

金志剛（1972— ），男，教授，zgjin @tju.edu.cn.

趙西滿，simon@tju.edu.cn.