基于MPEG標(biāo)準(zhǔn)的多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸效果分析與仿真

謝 佳，徐山峰，周 翔，劉志鵬，2

（1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

基于MPEG標(biāo)準(zhǔn)的多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸效果分析與仿真

謝 佳1，徐山峰1，周 翔1，劉志鵬1，2

（1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

使用myEvalvid-NT仿真軟件，選取封包延遲、畫面延遲、封包抖動(dòng)率和畫面抖動(dòng)率4個(gè)指標(biāo)對多媒體網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸效果進(jìn)行仿真。經(jīng)過仿真計(jì)算后得到的可解畫面比例與理論值非常接近。

多媒體網(wǎng)絡(luò)，傳輸效果，myEvalvid-NT，可解畫面比例

0 引言

流媒體是多媒體的一種，它指的是采用流式傳輸?shù)姆绞皆贗nternet播放的媒體格式，如何通過可量化的手段對多媒體網(wǎng)絡(luò)的傳輸效果進(jìn)行評估已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。封包長度和封包錯(cuò)誤率是網(wǎng)絡(luò)上傳輸流媒體時(shí)的兩項(xiàng)重要因素［1］。在網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻流時(shí)，封包錯(cuò)誤率會(huì)嚴(yán)重影響到傳輸圖像的質(zhì)量，因?yàn)榧偈咕W(wǎng)絡(luò)上的封包錯(cuò)誤率太大，封包遺失的概率變大，此時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)今的圖像編碼技術(shù)大部分采用階層式的編碼方式，前面遺失的封包將可能導(dǎo)致后來的畫面無法譯碼，造成圖像串流質(zhì)量變差。網(wǎng)絡(luò)上傳輸圖像時(shí)，封包長度將會(huì)影響每個(gè)frame分割出來的封包數(shù)，此外，封包長度的大小本身也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)上的封包錯(cuò)誤率的大小。因此，本文的重點(diǎn)將利用封包長度和封包錯(cuò)誤率這兩個(gè)參數(shù)對流媒體通信性能進(jìn)行仿真。

1 可解畫面比例的分析模型

可解畫面比例的分析模型主要是研究網(wǎng)絡(luò)上的封包錯(cuò)誤率對所傳送視頻質(zhì)量的影響［2］。

在MPEG編碼中，被編碼的視頻串流會(huì)被分類成3種不同的畫面，即I-frame（Intra-coded frame）、P-frame（Predictive-coded frame）和B-frame（Bi-directionally Predictive-coded frame）。I-frame是由它自己本身畫面的數(shù)據(jù)內(nèi)容作為編碼，P-frame是參考先前被編碼的I-frame或P-frame及自身的畫面數(shù)據(jù)去做編碼，B-frame是參考先前及后來的I-frame或P-frame及自身畫面的數(shù)據(jù)去做編碼［1］。MPEG的圖像可以分解為以GOP（Group of Picture）為單位去編碼。一個(gè)GOP的樣式用兩個(gè)參數(shù)表示，即G（N，M），其中N表示在一個(gè)GOP中，每多少個(gè)frame里出現(xiàn)一個(gè)I-frame；M表示在一個(gè)GOP中，從第1個(gè)P-frame開始，每多少個(gè)frame里出現(xiàn)一個(gè)P-frame。例如在圖1所示中，G（12，3）表示在一個(gè)GOP中會(huì)有1個(gè)I-frame、3個(gè)P-frame和8個(gè)B-frame。第2個(gè)I-frame標(biāo)志著下一個(gè)GOP的開始，箭頭指示著P-frame和B-frame是根據(jù)之前或之后的I-frame或P-frame來做編解碼操作［1］。

圖1 一個(gè)MPEG GOP的例子（N=12，M=3）

可解畫面比例是一個(gè)在應(yīng)用層上用來評估圖像質(zhì)量的測量參數(shù)，在一個(gè)GOP的I-frame里，如果所有屬于這個(gè)I-frame的封包都能正確地被接收到，稱此I-frame是可解碼的。而在GOP中的P-frame里，當(dāng)所有屬于這個(gè)P-frame的封包都正確地被接收到，且此 P-frame所參考的先前的 I-frame或P-frame可以正確地被解碼時(shí)，稱此P-frame是可解碼的。在 GOP中的 B-frame在所有屬于這個(gè)B-frame的封包都正確地被接收到，且此B-frame所參考的先前及之后的I-frame或P-frame可以正確地被解碼時(shí)，稱此B-frame是可譯碼的。因此，當(dāng)某個(gè)畫面的所有封包和這個(gè)畫面所參考到的那些畫面的所有封包都可以正確地被接收時(shí)，稱此畫面是可解碼的［1］。為了更方便闡述本文提出的方法，在表1中列出了接下來公式中所用到的符號及其含義。

表1 相關(guān)符號及其含義

在一個(gè)GOP中，當(dāng)屬于這個(gè)I-frame的所有CI個(gè)封包都被正確接收時(shí)，此I-frame是可解的。所以在一個(gè)GOP中I-frame是可解的概率是：

因此，在此圖像（含有NGOP個(gè)GOP）中，可解的I-frame數(shù)的數(shù)學(xué)期望值為：

假設(shè)在一個(gè)GOP中有NP個(gè)P-frame，當(dāng)屬于這個(gè)P-frame的所有CP個(gè)封包都被正確接收到，且此P-frame所參考的先前的I-frame或P-frame均是可解的時(shí)，此P-frame是可解的。所以在一個(gè)GOP中P-frame是可解的概率是：

因此，在此圖像（含有NGOP個(gè)GOP）中，可解的P-frame的數(shù)學(xué)期望值為：

如圖1所示，在圖像的一個(gè)GOP中，連續(xù)的B-frame所參考的先前及之后的I-frame或P-frame一致（即相鄰的B-frame的可解概率相同），所以在此把2個(gè)相鄰的B-frame當(dāng)做一個(gè)B-group，分析每個(gè)B-group的可解概率。因?yàn)楫?dāng)屬于一個(gè)B-frame的所有CB個(gè)封包都被正確地接收到，且此B-frame所參考的先前及之后的I-frame或P-frame是可解的時(shí)，此B-frame是可解的，對應(yīng)B-group也是可解的。每個(gè)B-group的可解概率就是該B-group所包含的任意一個(gè)B-frame的可解概率。

在一個(gè)GOP中每個(gè)B-group（1個(gè)B-group包含對應(yīng)圖1中2個(gè)相鄰的B-frame）是可解的概率是：

可解畫面比例的意義是所有可以譯碼的畫面數(shù)除以一個(gè)圖像的所有畫面數(shù)：

綜上，基于MPEG標(biāo)準(zhǔn)，在丟包率一定的情況下，傳輸相同內(nèi)容的圖像，一個(gè)GOP中I-frame、P-frame和B-frame的組合方式將直接影響可解畫面比例的大小。可解畫面比例的值越大，代表圖像質(zhì)量越好。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

圖2 仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

仿真采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，視頻服務(wù)器通過Internet和無線網(wǎng)絡(luò)傳送圖像到視頻接收客戶端，介于視頻服務(wù)器和無線接入點(diǎn)的連接為有線連接，假設(shè)在有線連接上不會(huì)發(fā)生封包遺失。介于Internet和視頻接收客戶端的連接為無線802.11連接，在此無線連接上會(huì)發(fā)生封包遺失的情況，會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差。

本文采用myEvalvid對多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸效果進(jìn)行仿真，myEvalvid是整合了Evalvid和NS-2（Network Simulator Version 2）這兩個(gè)工具所產(chǎn)生的一組新的工具組［3］。

無線網(wǎng)絡(luò)丟包率設(shè)置為0.02，視頻傳輸封包長度設(shè)置為1 024 Bytes，無線路由協(xié)議采用DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector），無線信道接入?yún)f(xié)議采用802.11，接口隊(duì)列長度設(shè)置為2 000 Bytes，圖像幀率設(shè)置為25 frames/sec，編碼標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為MPEG，傳輸協(xié)議采用UDP，拓?fù)浞秶O(shè)置為100 m×100 m。

在多媒體網(wǎng)絡(luò)的仿真分析上，如果要測試所提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對多媒體數(shù)據(jù)（如圖像串流）的效果影響，必須使用影片去做測試。為了避免影片使用上的版權(quán)問題，互聯(lián)網(wǎng)上有許多被分享的video traffic trace文件［4］，這些trace文件是根據(jù)真實(shí)的影片對每個(gè)畫面做一些信息的提?。ㄈ绠嬅骖愋?、畫面大小、播放的時(shí)間順序等），并將這些提取的信息存在一個(gè)文件里，讓多媒體網(wǎng)絡(luò)的研究者可以使用這些trace文件去做評估分析［5-6］。

圖3 仿真結(jié)果圖

仿真結(jié)果圖如圖3所示，從圖3（a）和圖3（b）可知，視頻傳輸過程中封包的延遲趨勢和畫面的延遲趨勢基本吻合。圖3（c）和圖3（d）直觀反映了視頻傳輸過程中封包抖動(dòng)率和畫面抖動(dòng)率的變化情況。根據(jù)仿真中采用的視頻trace文件計(jì)算得到的仿真參數(shù)取值如表2所示。

表2 仿真參數(shù)取值

根據(jù)上面的仿真參數(shù)，按照式（1）～式（5）進(jìn)行 理論計(jì)算：

因?yàn)橐粋€(gè)B-group有2個(gè)B-frame，所以按照式（6），在一個(gè)GOP中，B-frame被解出來的期望值為：

整部影片一共有7 500個(gè)GOP，被解出來的frame數(shù)為：

按照式（7），可解畫面比例的理論計(jì)算值為：

在myEvalvid-NT中進(jìn)行視頻傳輸仿真，仿真結(jié)果如下：總共傳輸89 998個(gè)畫面，其中包含7 500個(gè)I-frame，22 500個(gè)P-frame和59 998個(gè)B-frame；遺失畫面3 182個(gè)，其中包含555個(gè)I-frame，853個(gè)P-frame，1 774個(gè)B-frame；可解畫面比例為0.832 3，與理論計(jì)算結(jié)果0.827 2非常接近。

3 結(jié)束語

通過仿真工具，對多媒體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和仿真，可以對多媒體網(wǎng)絡(luò)的傳輸效果進(jìn)行評估，從而降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。本文對多媒體網(wǎng)絡(luò)的傳輸效果進(jìn)行仿真，并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，得到的仿真結(jié)果與理論計(jì)算值非常接近，說明了該仿真方法的有效性。

［1］柯志亨，程榮祥，鄧德雋，等.NS2仿真實(shí)驗(yàn)-多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［2］Ziviani A，Wolfinger B E.Joint Adoption of QoS Schemes for MPEG Streams［J］.Multimedia Tools and Applications，2005，26（1）：59-80.

［3］Klaue J，Rathke B，Wolisz A.EvalVid-A Framework for Video Transmission and Quality Evaluation［C］//Proc.of the 13th International Conference on Modelline Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation.USA：Illinois，2003.

［4］Fitzek F H P，Reisslein M.MPEG4 and H.263 Video Traces for Network Performance Evaluation［J］.IEEE Network，2001，15（6）：40-54.

［5］Ziviani A，Rezende J F，Duarte O C M B，et al.Improvine the Delivery Quality of MPEG Video Streams by Using Differentiated Services［C］//2nd European Conference on Universal Multiservice Networks.France：Colmar，2002.

［6］Magalhaes J M H，Guardieriro P R.A New QoS Mapping for Streamed MPEG Video over a DiffServ Domain［C］//IEEE 2002 International Conference on Communications，Circuits and Systems and West Sino Expositions.Brazil：de Uberlandia.2002.

Analysis and Simulation of Transmission Effect in MPEG Multi-media Network

XIE Jia1，XU Shan-feng1，ZHOU Xiang1，LIU Zhi-peng1，2
（1.China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China；
2.Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

With the help of the simulation tool myEvalvid-NT，the performance of video transmission in multi-media network is evaluated by four indicators including packet delay，frame delay，packet jitter and frame jitter.The simulated result of decodable frame rate is very close to the theoretical value of decodable frame rate.

multi-media network，transmission effect，myEvalvid-NT，decodable frame rate

TN919

A

1002-0640（2015）03-0112-04

2014-01-29

2014-03-26

謝 佳（1982- ），男，北京人，工程師，碩士。研究方向：通信應(yīng)用軟件總體設(shè)計(jì)。