IJDMB 国际期刊的数字多媒体广播 1687 - 7586 1687 - 7578 Hindawi出版公司 801641年 10.1155 / 2012/801641 801641年 研究文章 视频分类和自适应回城IPTV上/ QoS控制多分辨率视频应用程序 Shyh-Fang 黄 1 何 宾汉 1 部门的信息沟通,明道大学,52345年彰化 台湾 mdu.edu.tw 2012年 30. 5 2012年 2012年 01 02 2012年 22 03 2012年 05年 04 2012年 2012年 版权©2012黄Shyh-Fang。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

随着异构网络的发展和视频编码标准,在网络成为重要的多分辨率的视频应用程序。它是至关重要的,以确保网络的服务质量对时间敏感的视频服务。微波存取全球互操作性(WIMAX)是一个很好的候选人提供视频信号,因为通过WIMAX交付质量基于服务质量(QoS)设置可以保证。选择合适的QoS参数,然而,并不是微不足道的服务用户。相反,一个视频服务的用户真正关注的是演讲的视频质量(回城)包括视频分辨率,富达,帧速率。在本文中,我们提出一个在多分辨率视频编码结构质量控制机制还WIMAX网络和调查回城和QoS在端到端连接之间的关系。因此,视频演示质量可以简单地映射到网络需求映射表,然后端到端QoS。我们用多分辨率MPEG编码在WIMAX网络进行实验。除了回城参数、视频特征,如活动照片和视频流动性,也影响显著的QoS。

 1。介绍

随着异构网络的发展、多分辨率视频编码成为理想的各种应用程序。重要的是提供一个灵活的可扩展框架多分辨率视频服务,视频分辨率,质量和网络服务质量(QoS)参数是决定根据用户设备和网络资源的需求( 1- - - - - - 4]。的微波存取全球互操作性(WIMAX)沟通适用于支持视频交付,因为它保证了服务质量。网络中的网络控制储备足够的资源来支持视频交付基于QoS参数,一般来说,包括峰值速度、平均速度、平均破裂长度、延迟、抖动、细胞损失率,等等 5- - - - - - 7]。谈判进程可能参与QoS参数确定为有效的网络资源利用率。只要应用程序请求的视频一套合适的QoS参数,网络应该能够实现视频信号质量保证( 8]。

用户可以指定一组QoS参数满足视频质量的要求在执行应用程序。选择合适的QoS参数,然而,并不是花絮视频服务用户。基于特定的QoS必须设置应用程序编程接口(API)和传输机制由供应商提供。在这样一个普通用户可能没有知识网络的细节。相反,一个用户可能只关注图片的大小,也就是说,该决议,视频质量,也就是说,PSNR,帧率,定义为quality-of-presentation(回城)[ 9]。需要有一种机制,盾牌视频应用QoS管理和控制的复杂性。也更容易定义回城参数比QoS参数因为回城直接定义了用户界面质量的观众。在多分辨率视频服务,这种方法变得越来越重要,因为不同的QoS需求的存在( 10, 11]。

 2。多分辨率视频系统架构

1993年,国际标准组织(ISO)发达mpeg - 2,一个可伸缩编码方法对移动的图片。mpeg - 2测试模型5 (TM-5)研究过程中用于比较的目的( 1]。mpeg - 2可伸缩性方法包括信噪比可伸缩性、空间可伸缩性和时间可伸缩性。此外,基本可伸缩性也支持混合的组合可伸缩性。在mpeg - 2的基本可伸缩性TM-5,两层视频,称为层和加强层越低,是允许的,而在混合三层支持可伸缩性。然而,由于巨大的视频服务质量的变化与不同的网络带宽和终端设备,两个或三个层方案仍不足够。更灵活的多分辨率可伸缩视频编码结构可能需要。

分层视频编码器的结构如图 1。输入信号压缩成一个离散层的数量,安排在一个层次结构,提供跨多个网络连接不同的交付质量。在每个输入格式,信噪比可伸缩性提供了两种优质服务:基本服务(低质量)和提高质量服务质量(高质量)。输入视频压缩产生的一组不同的决议从HDTV QCIF和不同的输出率,例如,L1B L1E。基本层的编码程序相同的nonscalable视频编码。输入比特流的编码器增强层,然而,残余信号的量化误差基本层。译码器模块,DB和德,能够解码基本层和增强层的长字符串,分别。如果只收到基础层,解码器DB生产基地质量视频信号。如果解码器接收到两层,它结合了两层的解码信号产生质量提高。一般来说,每个额外的增强层产生额外提高重建质量。

分层的编码器。

通过结合这多分辨率分层视频编码与回城,/ QoS-controlled WiMAX传输系统,我们可以很容易地支持多播在异构网络。多分辨率视频系统,我们专注于信噪比可伸缩的方案与各种视频格式,如高清电视,601年ITU-R CIF, QCIF。输入视频信号压缩成一个数量的离散层是有层次性的,提供跨多个网络连接不同的交付质量。在这个回城/ QoS控制机制、多播源产生的视频流,每个层次的传播与一组不同的不同的网络连接回城的需求,如图 2。例如,用户“A”,配有多媒体工作站终端和QoS连接,接收两个基地(L1B)和增强(L1E)层的最高分辨率,而电脑用户提供ISDN连接只能接受最低分辨率的基础层流(L3B)。使用这种机制,用户能够接收网络可以提供最好质量的信号。

可伸缩的多分辨率与多层传输视频服务。

 3所示。回城/ QoS控制方案

我们将讨论回城/ QoS控制方案和视频于服务器-客户机的谈判进程模型。mulitresolution视频服务器由一个可伸缩的编码器和一个回城/ QoS映射表。客户端包含一个可伸缩的MPEG视频解码器,回城再生器和呼叫控制单元。视频用户指定一组回城参数满足要求基于终端能力和网络连接能力。回城是发送到服务器,并转换为一组QoS参数由回城/ QoS映射表。QoS发送回客户端。呼叫控制在客户端执行调度性测试,以检查是否沿着server-network-client路径的资源能够支持的任务。如果调度性测试通过,连接是理所当然。否则,连接被拒绝,然后回城再生器产生一套退化回城。前者谈判过程应该是重复的。

3.1。回城的谈判

如果原始回城/ QoS对不是负担得起的,一个新的回城生成质量较低。回城再生过程如图 3。一套新的回城应该降低要求。然而,它预计不会有大量退化在一个变化。回城的降解是在视频质量的顺序(PSNR)、帧率和分辨率。原因是,我们想要一个小的变化QoS初当原始回城不能满意。分辨率参数最影响QoS因为在每一步降解它降低了1/4的图像大小和变化速率大约1/4的原创率。另一方面,PSNR值可以改变在更细的粒度和对主观图像质量的影响也最小。因此,我们下调回城的信噪比可伸缩性、时间可伸缩性和空间可伸缩性。即,如果可以将图像质量退化,我们减少信噪比要求,因为轻微的退化的质量可以被大多数客户接受,最小的QoS退化,这让网络。否则,我们降低帧率。 It can be archived by dropping some of the frames, such as skipping B 帧。下降一些帧只引起轻微的退化查看质量,使少在网络QoS的修改,而不是降低空间分辨率。如果可以减少帧速率,我们下调。否则,我们降低空间分辨率。如果所有回城参数已经设置为最低水平仍不能满足需求,服务被拒绝。值得注意的是QoS参数可能会恢复到更高层次的谈判过程。例如,当空间分辨率降低到一个较低的水平,信噪比要求恢复的最高水平,以避免大比特率的变化。

回城再生过程。

 4所示。回城和QoS的计算

在本节中,回城的定义和计算和QoS用于这项工作和描述。许多QoS参数通常讨论的技术文章,但不能简单地计算。这里的QoS参数被认为是现有WIMAX网络产品。基于WIMAX API,前公司定义的QoS参数用于我们的实验。还视频特征显著影响回城/ QoS映射进行了讨论。

4.1。回城的参数

回城参数代表的要求通过视频用户指定的视频质量。回城是依赖观众的主观评价,通常受到终端设备和网络容量的制约。我们选择三个参数代表回城:空间分辨率、时间帧速率,图像保真度。空间分辨率范围从高清电视,601年ITU-R QCIF CIF。颞帧速率范围从30日,15日到10帧/秒或更低。在我们的实验中,图像保真度,所代表的PSNR的重建视频,分为三个等级(高、中,低)与3 dB在每个相邻等级的区别。

 4.2。视频特征

回城的参数定义的目的是估计的QoS参数准确。除了回城参数定义,然而,每个视频序列中存在的视频特征显著影响QoS的设置。我们定义的空间活动和时间流动的两个重要的视频特征回城/ QoS映射。视频用户选择回城,而视频特征存在的视频序列。都被认为是QoS的计算。

4.2.1。准备空间活动(< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id =“平方米”> < mml: mrow > < mml: mi > < / mml: mi > < / mml: mrow > < / mml:数学> < / inline-formula >)

空间活动代表了图像像素值的变化程度。自去除冗余的时间域是不考虑的 我 frame编码,我们定义一个视频序列的空间活动测量的平均像素方差 我 frame。 一个 = 1 K ∑ 我 = 1 K ( 1 256年 ∑ j 256年 ( P 我 , j - - - - - - P ̅ 我 ) 2 ] P 我 , j : j th像素值 我 th MicroBlock (MB), P ̅ 我 = 1 256年 ∑ j = 1 256年 P j : 的 的意思是 的 像素 值 在 我 th MB , K :MBs的数量在一个框架。

 4.2.2。时间流动(< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M11公路" > < mml: mrow > < mml: mi > M < / mml: mi > < / mml: mrow > < / mml:数学> < / inline-formula >)

颞流动性反映出视频序列运动的程度。它更难执行精确的运动估计序列的时间流动性高。因此,时间流动的定义是intracoded MBs的百分比 P 帧序列 米 = 1 N P ∑ 我 = 1 N P 米 P ( 我 ) , 米 P ( 我 ) = K 一个 ( 我 ) K , 在哪里 米 P intra-MBs的百分比在吗 我 th P frame, K 一个 intra-MBs的数量, N P 的总数吗 P 帧序列。

 4.3。QoS参数

QoS参数,我们将讨论有关在WIMAX网络视频传输。一般来说,QoS参数包括范围广泛的措施,如带宽、峰值平均带宽,意味着破裂长度、端到端延迟和抖动,细胞损失率。三个参数,平均带宽,带宽、峰值和均值区间长度,计算。最小值和目标值为每个参数要求。选择最小值为所有测试视频序列的平均值,而目标价值选为所有测试视频序列的最大值。

4.3.1。意思是带宽(B)

这是平均带宽,预期在连接的生命周期和以千比特/秒。平均带宽 B k 的视频序列 k 是计算 B k = ∑ 我 = 1 n f k , 我 T k , 在哪里 n 序列帧的总数 k , f k , 我 的总数吗 我 th帧序列中 k , T k 总播放时间序列 k 。

总播放时间的序列 k 是计算 T k = ∑ 我 = 1 n t k , 我 , 在哪里 t k , 我 的播放时间 我 th帧序列中 k ,应该是等于1/29.97。平均带宽计算作为一个序列的比特总数除以总播放时间。最低平均带宽 B 最小值 所有测试序列的平均值, B 最小值 ⁡ = ∑ 我 = 1 r B 我 r , 在哪里 r 视频序列的总数。目标的意思是带宽的最大值 B 目标 = 马克斯 ⁡ 1 ≤ k ≤ r ( B k ) 在所有的测试序列。

 4.3.2。峰值带宽(< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M39 " > < mml: mrow > < mml: mi > P < / mml: mi > < / mml: mrow > < / mml:数学> < / inline-formula >)

这是最大值或破裂速率发射机产生数据和测量在千比特/秒。在MPEG编码 我 通常帧率最高。因此,在序列峰值带宽 k 计算最大 我 frame率 P k = 马克斯 ⁡ 1 ≤ 我 ≤ n ( f k , 我 t k , 我 ) , 按顺序 k 。在所有测试视频序列,将平均最低峰值带宽 P 最小值 ⁡ = ∑ 我 = 1 r P 我 r , 和目标峰值带宽将是最大的 P 目标 = 马克斯 ⁡ 1 ≤ k ≤ r ( P k ) 。

4.4。回城和QoS参数之间的映射

回城参数直接指定视频的视频质量是友好的用户。每个回城组需要支持一个特定的网络QoS参数集。一般来说,更高的回城需要更高的QoS。我们首先确定通用视频服务的映射。对于一个给定的回城一套相应的QoS通过计算编码视频数据的统计。一般回城/ QoS映射表,由许多QoP-QoS对然后建立。

除了回城参数,许多视频特征,如活动和流动性,也会影响相应的QoS参数显著。为了更准确的映射,我们分类的视频来源基于活动和流动性。每个类的视频源,分类回城/ QoS然后由上述方法建立的映射表。视频特征pre-coding应用程序可以很容易地获得。对于实时视频应用程序,初始映射可以获得一般映射或实时分析基于前几个视频帧。

 5。仿真结果

我们选择的空间分辨率和图像质量回城的参数的设置。帧率是固定在模拟因为当前实验硬件无法支持全速率(30 fps)视频编码。视频序列包括“花园”、“乒乓球”,“足球”,“美孚”,“曲棍球,”“总线”和“麻省理工学院”ITU-R 601格式(704×480象素,4:2:0色度格式)。CIF和QCIF格式(352×240象素,和176×120象素)ITU-R 601格式的转换。画面质量是由两个相邻的PSNR 3 dB区别的水平。

5.1。视频特征的分析

有限数量的视频序列可用于实验,我们将视频序列划分为四个独特的类。

类1:低空间活动,low-temporal流动性:推销员,苏西,美国小姐,

二班:低空间活动,high-temporal流动性:足球,曲棍球,

3班:高空间活动,low-temporal流动性:麻省理工学院,美孚,网球,

第4类:高空间活动,high-temporal流动性:公交车,花园。

表 1视频序列的活动和流动性。因此,视频序列分为四类。分类后,一组映射关系视频演示质量(回城参数)和吞吐量/交通规范可以找到(QoS参数)。空间活动的分类阈值设置为120,和流动性的阈值是20%。这些值由实验获得。

活动和移动的视频序列。

类 视频源 空间活动 时间流动
1 推销员 92.4 2.9%
苏西 37.3 3.7%
美国小姐 14.8 0.1%
2 足球 74.8 51.5%
曲棍球 35.8 43.4%
3 美孚石油公司 689.3 2.8%
麻省理工学院 234.1 0.1%
网球 134.0 7.3%
4 花园 573.2 15.0%
公共汽车 509.2 30.9%

空间活动代表了像素的变化也反映了编码比特率。图 4(一)显示的活动 我 帧序列中的“足球”。由于视频序列的峰值速率主要是由 我 frame比特率,QoS的峰值带宽是高度相关的空间活动。

活动和移动的视频序列的“人流”。

的活动 我 帧

流动的 P 帧

图 4 (b)显示的流动 P 在“足球”框架。颞流动代表intracoded MBs的百分比 P 帧,它直接反映出的编码比特率 P 框架和 B 帧,因为两者都是motion-compensated编码。因为多数MPEG的帧 B ——或者 P 帧一般来说,时间流动是高度相关的平均带宽QoS。

 5.2。回城/ QoS映射

我们建立的回城/ QoS映射两种情况。一个是一般情况下的视频特征是未知的。另一种是视频特征的分类情况和QoS设置可以更精确。表 2显示了一般回城/ QoS映射。低帧质量,由PSNR值,设置为30 dB, 30 dB和QCIF 24分贝,CIF,分别和ITU-R 601格式。更高的帧质量要求为每个级别3 dB更多。小尺寸的图片给出更高的PSNR值,因为接收器通常upsamples信号变大尺寸图片。接收者可以调整他们最好的权衡之间的大的图片大小和马赛克的图片。框架决议影响QoS需求是最重要的因素。在同一帧质量水平,ITU-R 601可能需要比QCIF 20倍的带宽。帧的质量也会影响显著的QoS要求。3 dB提高PSNR可能增加50%的带宽要求。目标值明显大于最小值因为大变化的视频序列特征。 Thus, before the video characteristics are acquired, the QoS setting for guaranteed service quality may be wasteful in many cases.

一般回城/ QoS映射表。

回城的参数 QoS参数
帧Resolu。 质量 百万桶(Kbps) 三甲(Kbps) 产甲烷(Kbps) “(Kbps) MMBL(来) TMBL(来)
QCIF 低 230年 278年 250年 298年 15 18
QCIF 正常的 294年 348年 281年 339年 19 22
QCIF 高 373年 434年 319年 350年 23 27
CIF 低 461年 863年 987年 1598年 43 87年
CIF 正常的 1267年 1824年 1702年 2554年 116年 186年
CIF 高 3786年 4983年 5021年 6385年 351年 413年
ITU-R 601 低 5132年 7013年 7552年 8977年 493年 613年
ITU-R 601 正常的 7961年 9592年 10384年 12096年 740年 836年
ITU-R 601 高 11324年 13866年 14231年 15731年 986年 1137年

百万桶:最低的意思是带宽。三甲:目标是指带宽。产:最小峰值带宽。“:目标峰值带宽。MMBL:最小均破裂长度。TMBL:目标意味着突发长度。

基于不同的视频课程,然后回城/ QoS映射。表 3显示了CIF格式的映射。高活动导致峰值带宽需求。高活动和高流动性导致高带宽需求。值得注意的是目标价值和最小值之间的差异要小得多比没有分类。因此,视频分类给出了更精确的QoS设置比没有分类。

分类回城/ CIF QoS映射表。

类 回城的参数 QoS参数
活动 流动性 画面质量 百万桶(Kbps) 三甲(Kbps) 产甲烷(Kbps) “(Kbps) MMBL(来) TMBL(来)
1 低 低 低 488年 587年 869年 921年 53 61年
低 低 正常的 547年 632年 985年 1142年 58 69年
低 低 高 625年 829年 1145年 1378年 65年 78年
2 低 高 低 734年 902年 1302年 1639年 72年 83年
低 高 正常的 862年 1125年 1834年 2421年 87年 103年
低 高 高 1104年 1230年 2268年 2700年 109年 123年
3 高 低 低 1207年 1430年 2588年 2958年 126年 139年
高 低 正常的 1230年 1536年 3205年 3589年 135年 158年
高 低 高 1540年 1798年 3786年 4023年 158年 172年
4 高 高 低 2198年 2388年 3906年 4366年 162年 182年
高 高 正常的 3528年 3816年 5616年 6240年 234年 260年
高 高 高 4503年 4792年 6901年 7658年 287年 319年
6。结论

我们已经提出了一个回城/ QoS控制机制在多分辨率MPEG可伸缩编码结构。用户指定回城的视频质量由一组参数。系统将回城设置映射到网络需求所代表的QoS参数通过基于视频数据的映射表。视频源的分类提高了回城的准确性显著/ QoS映射。

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