無線局域網(wǎng)視頻流傳輸中的圖像質(zhì)量性能仿真研究

謝 佳,徐山峰,王兆偉,史 偉,石 偉

(1.中國電子科學研究院,北京 100041；2.航海儀器研究所,天津 300131)

工程與應用

無線局域網(wǎng)視頻流傳輸中的圖像質(zhì)量性能仿真研究

謝 佳1,徐山峰1,王兆偉1,史 偉1,石 偉2

(1.中國電子科學研究院,北京 100041；2.航海儀器研究所,天津 300131)

為了評估無線局域網(wǎng)中視頻圖像的傳輸效果,在NS2平臺上仿真了基于Evalvid機制的視頻流在無線局域網(wǎng)環(huán)境下的傳輸過程,總結(jié)歸納了視頻流在無線局域網(wǎng)傳輸過程中的仿真方法,得到了視頻圖像傳輸?shù)钠骄鵓SNR值和平均SSIM值,分析了視頻編碼參數(shù)和網(wǎng)絡參數(shù)對視頻圖像質(zhì)量的影響。通過對比原始視頻圖像和重建視頻圖像,證明了該方法可以有效評估無線局域網(wǎng)環(huán)境下視頻圖像的傳輸質(zhì)量。

Evalvid,GOP,壓縮量化參數(shù),服務質(zhì)量,多媒體

0 引 言

無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN），因其具有較好的靈活性和移動性、安裝便捷、網(wǎng)絡規(guī)劃簡單、故障定位清晰等優(yōu)點，應用日益廣泛。隨著無線局域網(wǎng)的發(fā)展，多媒體數(shù)據(jù)流在無線局域網(wǎng)中的應用越來越多。研究怎樣在無線局域網(wǎng)條件下，實時、高質(zhì)量地傳輸音、視頻數(shù)據(jù)，非常具有現(xiàn)實意義。

由于無線局域網(wǎng)帶寬所限，必須對視頻流進行編碼壓縮處理再進行無線傳輸。研究采用Evalvid框架對視頻流進行編碼壓縮和解碼處理，該框架不僅可以對視頻流的質(zhì)量進行系統(tǒng)的評估，而且工具組是開源的[1]，便于在網(wǎng)絡仿真工具中集成。

在網(wǎng)絡上傳輸?shù)囊曨l主要受以下幾個因素影響：GOP、壓縮量化參數(shù)、封包長度和封包錯誤率。

Evalvid機制并不能在NS2平臺上進行仿真?？轮竞嗟热嗽O計了Evalvid在NS2下的集成接口[2-4]，整合了Evalvid和NS2，為科研人員在NS2平臺下結(jié)合Evalvid進行仿真提供了軟件平臺[5-6]。

研究在NS2-Evalvid基礎上，分析了GOP、壓縮量化參數(shù)、封包長度和封包錯誤率對圖像質(zhì)量的影響，通過網(wǎng)絡仿真的方式實現(xiàn)了基于這4個因素對無線局域網(wǎng)傳輸圖像質(zhì)量性能進行分析，為研究怎樣在惡劣網(wǎng)絡環(huán)境下盡可能提高圖像質(zhì)量提供一定的依據(jù)。

1 相關(guān)概念

1.1 Evalvid

視頻流本質(zhì)上是由一幀一幀的圖像組成的，對視頻流的編碼壓縮實際上是對各幀圖像的編碼壓縮，因此以下把對視頻的操作統(tǒng)稱為對圖像的操作。

圖1 Evalvid結(jié)構(gòu)圖

Evalvid機制的組件包括：Source（Video Raw Data，圖像原始數(shù)據(jù)）、Video Encoder和Video Decoder、VS（Video Sender）、ET（Evaluate Trace）、FV（Fix Video，圖像修補程序）、PSNR（SSIM）和MOS。其中PSNR（SSIM）和MOS是圖像質(zhì)量評價的主要指標。

PSNR（Peak to Signal Noise Ratio，峰值信噪比）：PSNR是最普遍和使用最為廣泛的一種圖像客觀評價指標。計算公式是通過比較原始圖像S和目的圖像D的亮度部分Y。PSNR越大表示目的圖像與原始圖像差距越小，圖像質(zhì)量越好[7]。對于第n幀圖像，大小為Ncal×Nrow的數(shù)字化圖像Ys（n，i，j）和參考圖像YD（n，i，j），其PSNR計算公式如下[8]：

式（1）中，Vpeak=2k-1，k是對于亮度部分用幾個位來表示一個像素的值。

SSIM（structural similarity index measurement，結(jié)構(gòu)相似度）是一種衡量兩幅圖像相似度的指標，其值越大越好，最大為1，SSIM從亮度、對比度和結(jié)構(gòu)3個方面對圖像間的相似度進行綜合評價：

亮度比較公式如下[9]：

式（2）中，uX和uY表示X和Y圖像的均值，C1=（K1L）2，對比度比較公式如下[9]：

式（3）中，σX和σY表示X和Y圖像的方差，C2=（K2L）2，結(jié)構(gòu)比較公式如下[9]：

式（4）中，σXY表示X和Y圖像的協(xié)方差，C3=C2/2，X和Y圖像的結(jié)構(gòu)相似度表示為[9]：

式（2）～（5）中，C1、C2、C3為防止分母趨于0的常數(shù)，一般取經(jīng)驗值K1=0.01、K2=0.03、L= 255，L即圖像的灰度最大值。

PSNR是基于對應像素點間的誤差，即基于誤差敏感的客觀圖像質(zhì)量評價，而SSIM更多的考慮人眼的主觀感受。因此，研究基于PSNR和SSIM這2個指標對圖像質(zhì)量進行聯(lián)合評價。

MOS（Mean Opinion Score，平均主觀評分程序）：平均主觀評分是一種評價數(shù)字圖像質(zhì)量的主觀指針，范圍從1（最差）到5（最好）：

表1 MOS與PSNR的對應關(guān)系

1.2 GOP

目前的視頻編碼技術(shù)通常采用階層式的編碼（Hierarchy Coding）方式。以MPEG為例，被編碼的視頻串流會被分類成3種不同的圖像，即I-frame（Intra-coded frame）、P-frame（Predictive-coded frame）和B-frame（Bi-directionally Predictive-coded frame）。I-frame是由它自己本身圖像的數(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及自身的圖像數(shù)據(jù)去做編碼，B-frame是參考先前及后來的I-frame或P-frame及自身圖像的數(shù)據(jù)去做編碼[8]。

在一個GOP的I-frame里，如果所有屬于這個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，當所有屬于這個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，稱此P-frame是可解碼的。GOP中的B-frame在所有屬于這個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，稱此B-frame是可解碼的。

1.3 壓縮量化參數(shù)

量化（Quantization）是一種有損視頻壓縮技術(shù)，經(jīng)過量化后的數(shù)據(jù)再將其還原時，與原始數(shù)據(jù)會有一定差異，壓縮量化參數(shù)越大，壓縮程度越高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越小，視頻解碼失真度也越高。人眼通常對高空間頻率的信號不敏感，因此可以采用較大的壓縮量化標準，提高壓縮程度。對于低空間頻率的信號，則采用較小的壓縮量化標準。而每個frame的編碼數(shù)據(jù)量越大，分割的封包數(shù)也越多。在網(wǎng)絡中有丟包的情況下，每個frame分割的封包數(shù)越多，隸屬于此frame的封包丟失的情況越多，導致此frame不可解碼的概率越大，此時，應當采用較大的壓縮量化參數(shù)，優(yōu)先保證此frame可解碼。

1.4 封包長度

封包長度影響每個frame分割出來的封包數(shù)，同時也會影響網(wǎng)絡上的封包錯誤率的大小。

1.5 封包錯誤率

目前的視頻編碼技術(shù)通常采用階層式的編碼（Hierarchy Coding）方式，如圖2所示。故前面遺失掉的封包可能導致后來的圖像無法解碼，導致視頻質(zhì)量急劇下降。因此，封包錯誤率將直接影響視頻的質(zhì)量。

圖2 一個MPEG GOP的例子（此GOP長度是12）

2 仿真方法

本文基于NS2-Evalvid模型，通過相關(guān)圖像編碼壓縮程序處理視頻流媒體文件，再通過tcl腳本模擬視頻流在無線局域網(wǎng)中的傳輸過程，然后對比解碼生成的圖像和原始圖像，得出平均PSNR值和平均SSIM值進行研究。

具體實驗步驟如下[8]：

①本實驗采用的原始視頻YUV文件下載自http：//trace.eas.asu.edu/yuv/coastguard/coastguard_ qcif.7z。

以上就是本文修改壓縮量化參數(shù)、GOP長度、封包錯誤率和封包長度對無線局域網(wǎng)圖像傳輸?shù)姆抡婧头治龇椒?，該方法可以作為仿真無線網(wǎng)絡下圖像傳輸?shù)耐ㄓ梅椒ā?/p>

3 性能分析

3.1 實驗拓撲

仿真采用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，視頻服務器通過Internet和無線網(wǎng)絡傳送視頻到視頻接收客戶端，介于視頻服務器和無線接入點的連接為有線連接，假設在有線連接上不會發(fā)生封包遺失。介于Internet和視頻接收客戶端的連接為無線連接，在此無線連接上會發(fā)生封包遺失的情況，會導致圖像質(zhì)量變差。

圖3 仿真拓撲

本仿真采用表驅(qū)動路由協(xié)議DSDV，每個網(wǎng)絡節(jié)點都維護一張包含所有可達節(jié)點的路由表，必須不斷預先計算路由，周期性地發(fā)送路由更新包來維護整個網(wǎng)絡的路由表[10]。本仿真采用802.11作為信道接入?yún)f(xié)議，802.11協(xié)議族采用多重存取/碰撞避免（CSMA/CA）來降低無線信號之間碰撞的概率。

3.2 仿真配置參數(shù)

視頻編碼參數(shù)和無線局域網(wǎng)仿真參數(shù)如下。

表2 視頻編碼參數(shù)

表3 無線局域網(wǎng)仿真參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 PSNR和SSIM

根據(jù)仿真得到的PSNR值和SSIM值可以評價圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，PSNR越大，SSIM越接近1，圖像質(zhì)量越高。

在壓縮量化參數(shù)和MTU一定的條件下，設置不同丟包率和GOP得到的平均PSNR和平均SSIM如表4所示。

表4 不同GOP下的平均PSNR/平均SSIM

由表4可以看出，在壓縮量化參數(shù)和MTU一定的條件下，設置GOP長度越小的視頻，質(zhì)量越高，并且隨著封包錯誤率的增大，這種效果越來越明顯。這是因為如果丟掉的是屬于I-frame的封包，會導致在階層編碼中同一個GOP里的各幀圖像全都無法解碼。而GOP長度越小，其等待下一個I-frame到達的時間越短，圖像恢復的時間相應的也越短。

在封包錯誤率、MTU和GOP一定的條件下，設置不同壓縮量化參數(shù)得到的平均PSNR和平均SSIM如表5所示。

表5 不同壓縮量化參數(shù)下的平均PSNR/平均SSIM

由表5可以看出，在封包錯誤率、MTU和GOP一定的條件下，視頻壓縮采用的量化參數(shù)越小，視頻質(zhì)量越高。

在封包錯誤率、壓縮量化參數(shù)和GOP一定的條件下，設置不同MTU得到的平均PSNR和平均SSIM如表6所示。

由表6可以看出，在封包錯誤率、壓縮量化參數(shù)和GOP一定的條件下，數(shù)據(jù)封包長度越長，視頻質(zhì)量越高。這是因為在同一幀圖像中，采用的數(shù)據(jù)封包長度越長，分割生成的數(shù)據(jù)包數(shù)量越少，在相同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包丟包率條件下，與采用封包長度較短的情況相比，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量更少，形成的可解碼圖像更多，視頻質(zhì)量相應的也就更高。

表6 不同MTU下的平均PSNR/平均SSIM

3.3.2 重建圖像與原始圖像的比較

實驗過程中，修改壓縮量化參數(shù)、GOP長度、封包錯誤率和封包長度，均會得到不同的重建視頻圖像。為了可視化比較不同視頻編碼參數(shù)和網(wǎng)絡參數(shù)條件下重建視頻圖像與原始視頻圖像之間的差別，可以通過YUVviewerPlus軟件對比原始視頻圖像和不同壓縮量化參數(shù)、GOP長度、封包錯誤率和封包長度條件下生成的重建視頻圖像，如圖4所示。

由圖4可以看出，在壓縮量化參數(shù)、封包錯誤率、MTU一定的條件下，通過適當降低GOP可以獲得更高的圖像質(zhì)量；在GOP長度、封包錯誤率、MTU一定的條件下，通過適當降低壓縮量化參數(shù)可以獲得更高的圖像質(zhì)量；在GOP長度、壓縮量化參數(shù)、封包錯誤率一定的條件下，通過增大MTU可以獲得更高的圖像質(zhì)量。

4 結(jié) 語

研究在NS2-Evalvid基礎上，通過改變壓縮量化參數(shù)、GOP長度、封包錯誤率和封包長度，仿真得到了無線局域網(wǎng)環(huán)境下的圖像傳輸質(zhì)量性能指標，通過分析這些數(shù)據(jù)可得，適當調(diào)整壓縮量化參數(shù)、GOP長度和封包長度可以獲得更高的平均PSNR值和平均SSIM值。通過對比重建視頻圖像和原始視頻圖像可得，該方法可以有效評估無線局域網(wǎng)環(huán)境下視頻圖像的傳輸質(zhì)量。

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謝 佳(1982—),男,北京市人,工程師,碩士,主要研究方向為通信應用軟件總體設計；

E-mail：caeit_paper@sina.cn

徐山峰(1981—),男,北京市人,高工,碩士,主要研究方向為大型電子信息系統(tǒng)總體設計；

王兆偉(1982—),男,北京市人,工程師,博士,主要研究方向為計算機網(wǎng)絡架構(gòu)和路由協(xié)議；

史 偉(1981—),男,北京市人,高工,博士,主要研究方向為信息融合；

石 偉(1982—),男,天津市人,工程師,主要研究方向為慣性導航器件總體設計。

Study on the Simulation of Image Quality Performance in Transm ission of Video Stream s through W ireless Local Area Networks

XIE Jia1，XU Shan-feng1，WANG Zhao-wei1，SHIWei1，SHIWei2
（1.China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China；2.Research Institute of Navigation Instrument，Tianjin 300131，China）

For the purpose of estimating image transmission in WLAN，the successful transmission of video streams grounded on Evalvid mechanism is achieved by simulation with NS2.A summary of themethod to simulate the image transmission process of video streams in WLAN is also provided.The average data of PSNR and SSIM during the transmission of video streams is got.An analysis is conducted on the effect of video encoding parameters and network parameters upon the performance of image transmission. With the comparison of original video and decoded video，the conclusion is drawn that thismethod is available to estimate the performance of image transmission in WLAN.

Evalvid；GOP；quantization factors；quality of service；multimedia

TN925

A

1673-5692（2015）04-395-06

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.012

2015-04-30

2015-07-12

國家科技重大專項基金資助項目（2011ZX03002）