Distortion-Based片级优先级的实时视频QoS-Enabled无线网络

文摘

本文提出了一种基于优先级方案的分析影响客观视频质量下降时个人片从编码的视频流。证明给高优先级分类包访问无线媒体偏好导致相当大的质量获得(在测试3 dB)在没有优先级应用的情况。该方案为IEEE 802.11 e服务质量(QoS)使无线局域网。虽然更复杂的优先级系统是可行的,提出的方案制定的移动互动或用户对视频服务,只是主要的或基本的配置文件中实现h .编解码器。

1。介绍

最近出现了两种形式的视频有移动设备。首先,HTTP自适应流媒体(1),采用可靠的TCP传输,没有需要保护的视频通道错误但受到延误。这些障碍主要来自重复传输的TCP强加每当数据包丢失。此外,延迟可能发生由于基于服务的本质。因此,虽然适合某些形式的单向商业流,HTTP自适应流媒体不适合互动视频会议等服务。它也不适合移动用户间流,因为需要创建多个副本相同的视频在不同的决议和建立一个复杂的管理结构,允许客户访问一个适当的流。因此,第二个原生的形式流是必要的延迟或storage-intolerant视频流,这种形式的流,是本文的主题。在这种形式的流2),视频从服务器推出不需要反馈通道,使持续的客户端请求。实时传输协议(RTP)和潜在的互联网协议(IP) /用户数据报协议(UDP)的网络路由和传输更新客户端解码器同步信息。如果多路mpeg - 2传输流(TS)的数据包在每个RTP数据包,然后音频可以陪视频在一个数据包流。自适应比特率调整(通过可伸缩编码或转码)可以发生,根据性能指标由实时传输控制协议(服务器)包,和pseudo-VCR功能,如果需要,可以通过实时流协议(RTSP)。

当移动视频流在本地模式下与IP / UDP / RTP分组,有必要避免周期性增加延迟由于低效率intracoded I-pictures [3]的每一组照片(共和党)。本地流的优点之一,是一个IPPP…图片结构可以采用无线网络。这意味着只有一个我想象的开始流,紧随其后的是一个连续的预测编码P-pictures。相比之下,每个视频块(即HTTP流媒体自适应。,a GoP) must have a point of random access at the start of each chunk [1),例如,一个我想象。然而,使用一个连续的序列主要intercoded P-pictures运行时空传播的风险在包丢失的错误。来抵消这个问题,一个h / AVC编解码器允许包含intracoded宏模块(MBs) P-slices编造一个压缩的视频帧。编码器可以放置这些MBs自然,如果,例如,从一个闭塞的地区不存在合适的预测参考。然而,他们也可以强行插入作为一种非周期的intrarefresh。注意,非周期的intrarefresh仍然允许随机访问发生(如果需要的话),在部分进一步讨论2。有各种形式的非周期的intrarefresh包括:随机放置intracoded MBs到给定的数字在每个图片(4];作为一个不断发展的孤立区域(5];行intracoded MBs,周期序列位置的图片(6]。哪一个选择的问题是一个有趣的辩论,但作为循环的插入intracoded线的确是导致一个完整的刷新尽管破损的数据(6),本文假设使用这种简单的实现机制。

循环intracoded线的引入导致了不平等的误差敏感性个体内片的视频图片,由于额外的intracoded MBs。利用这一点,个人slice-bearing数据包在每个视频帧可以删除和对客观视频质量的影响(PSNR)的整个框架来衡量。数据包导致视频质量最高的处罚(下降时)可以被给予最高优先级,而引入的处罚给出最低的优先级。在这项工作中,我们把这个建议优先级计划服务质量(QoS)启用无线局域网交付。具体来说,我们采用IEEE 802.11 e [7),QoS修正案,增加了四个队列优先级水平标准IEEE 802.11 (WiFi)的访问网络。相比我们的初步工作8),该方案不需要任何修改标准h /先进的视频编码(AVC)切片。相反,该方案可以应用于任何preencoded视频流提供有合理片每帧的数量。喜欢的工作8),本文的计划还包括一个视频帧延迟、数据包的视频帧进行分析应该执行失真分析可用。应该提到,最初的原始视频不需要这种分析,作为解码帧没有滴PSNR值的计算结果可以作为一个参考。作者其他作品的探索替代方式优先级数据的循环intracoded行或检查循环intracoded线的影响。在[9),帧分割成三个不平等的地区,提出了一种方案,确保地区的地区适当分配给片。然后在[10),区域被允许环绕一帧的边界,区域大小可能是平衡的。后一种方案被发现比简单的几何。最后,在[11相比),结果表明,采用定期与intracoded intrafresh I-frame,插入循环intracoded线尤其有利于减少活跃的视频序列。然而,在(工作11优先级的问题)没有贡献。事实上,其他两个方案(9,10不同于目前的提议因为优先级片是由循环intracoded线的位置在每个视频帧而不是通过变形分析。

本文的其余部分组织如下。部分2本文认为环境实验。部分3我们的优先级计划的细节。然后评估方案4,其中包含泛型和网络特殊的结果。最后,部分5让一些结束语。

2。上下文

本节解释下这个工作,因为它解释了形式的intracoded intrarefresh是可能的,为什么一个受欢迎的特性或h / AVC的工具,灵活宏模块顺序(FMO) [3)没有与优先级结合使用。此外,它回顾研究如何优化视频数据,当优先级类映射到一个无线局域网QoS结构。

移动应用程序的处理能力有限,限制带宽,漏报bi-predictively编码B和周期性I-pictures是有利的。由于突发错误的风险在无线渠道移动接收机进入深消失,有可能失去很多我描绘的数据包。这可以使无用的共和党的其余部分,由于预测编码,所有后续图片在共和党采用我描绘的预测编码参考锚。节中说1,仍然可以提供随机访问的视频被称为渐进解码(或解码器)刷新(东德)[5),而不需要周期性I-pictures。因此,优先视频数据包根据图片类型(我、B或P)不方便移动应用程序。目前优先级方案基于三个数据分区可用h / AVC [12在实践中也不方便。数据分区只能在h / AVC扩展配置文件而倾向于依靠移动设备硬件编解码器的实现基线资料。事实上,数据分区还没有实现在许多软件编解码器的实现如QT,尼禄,随机和铅,等等。

虽然被迫随机插入intracoded MBs在视频流是可能的(4),这样的安排并不允许民主,因为它不占一个序列内运动的方向。然而,应该注意到,在13]MBs在随机插入的重复问题是避免和MBs intracoded选择根据他们是否可能错误隐藏。在东德,在丢包的存在,逐渐流重置到一个干净的状态,未来的预测成为可能。然而,迫使intrarefresh MB线可以允许东德。如果有N行每幅那最坏的民主应该发生在2N−1照片[6]。周期性intracoded照片做允许更灵活的随机存取,可以用来支持pseudo-VCR功能。然而,对于无线通常观看短片录像机功能不是至上的查看器。此外,端到端分组延迟也减少了intrarefresh MBs的分散插入,由于周期性intracoded帧数据包在传输缓冲区的涌入,导致等待时间增加。都是一样的,但值得注意的是,I-pictures或民主允许观众参与现场流点除了广播开始时,很可能发生在一个视频会议。额外I-pictures也可以使用(如果现场检测到位)复位后流改变环境。

我们利用畸变分析片水平。(也有可能14在MB级别)进行变形分析。然而,分析个体MB水平显著增加计算复杂度带来所需的视频内容分析。此外,方法利用“显式”FMO也增加了比特率和interpacket程度依赖由于需要包含额外的包与更新的MB每幅地图。在[等自适应方案15依靠来自接收者的反馈。一旦译码器检测到一个错误,它通知编码器,传送intracoded MBs停止任何错误传播。然而,这个过程不适合对话视频可视电话或移动电话会议等服务。事实上,尽管一个有趣的情况下发展的孤立地区作为一种民主共和国是由(5),形成的不规则区域的性质,所有预测引用内部意味着必须使用显式的FMO。

因为循环intracoded行MBs的位置很容易预测从一个画面,它不需要一个MB地图的开销。因此,本文的工作不使用FMO显式模式。事实上,正如前面所说,它不使用FMO和,因此,避免了开销FMO [16]。这也方便,许多内容创作工具如QuickTime Pro不允许使用FMO和h / AVC基线和主要配置文件不支持FMO的约束。

先前的实验,作者的17包括优先级通过分层编码的可伸缩视频编码(SVC) h的延伸。又在实践中,这个计划目前遇到一个实现问题,显然是硬件实现的h / SVC并不存在,限制了可以使用的移动设备的类型。然而,跨层信号可在h / SVC网络抽象层单元(——)头6-bit优先id字段。其他人也尝试了SVC层映射到IEEE 802.11 e优先类。例如,作者的18)提出一个数据包显著性水平算法把包放在一个适当的优先级队列。作者表明,他们的算法比静态分配的基本层和增强层优先级队列。

优先级类映射到的可能性的无线QoS结构IEEE 802.11 e [7)已经被很多研究论文探索了多年以来IEEE 802.11 e的发展从2005年底。IEEE 802.11 e本身是进一步考虑部分3所示。2。在[19),优先级是托管在一个框架层面,而不是子帧方案。优先级是动态的,它既取决于框架式(I - B -,或P-frame)和正常视频队列的队列占领。这种方法的问题是,B-frames基线配置文件不存在的h / AVC,旨在限制能源消耗在移动设备上。事实上,intracoded线技术还可以免除第一I-frame。框架式和IEEE 802.11 e之间的跨层信号优先队列是通过这类型的服务IP报头(TOS)字段(现在取代6-bit差异化服务代码点(DSCP)字段)。随着视频队列满员,随机早期检测(RED)算法分配数据包替代优先队列根据帧类型优先级。然而,如果采用报头压缩然后可能不是排队与检测数据包的IP报头完好无损,阻碍无线网络跨层信号。它还必须指出IP头不可以在应用程序层,而编解码器生成的头文件中描述的部分3所示。2都可以访问。

在[20.),执行报文分类的子帧或限制电平。然而,作者采用相同的方法的优先级(12),是通过数据分区的视频编码。一个实际问题的方法是,数据分区只是出现在h / AVC的扩展配置文件。“丛发性”频道的Gilbert-Elliott模型是用来管理动态分配数据包队列。然而,目前尚不清楚如何统计信道模型可以预测实际信道条件在任何一个时间点,虽然清楚地模拟将确认的结果。作者对跨层信号使用类似的方法来描述的一个摘要,通过h / AVC生成的头。相比之下,由数据包优先级的期限是一个有趣的想法21),这显然已经没有了之前在这个上下文。数据包调度程序试图确保每个数据包传输之前显示期限到期。一个扩展将传输数据包解码期限到期之前,因为这可能是一个更长的期限。如何跨层信号将用于确定最后期限可能不是指定但实时传输协议(RTP)头可以检查。

3所示。提出了方案

本节概述了优先级方案本身;一个示例应用程序,无线QoS(可能使用热点或在一个家庭网络);一些视频配置问题。

3.1。优先级计划

使用水平(或垂直)滑动intrarefresh线,图1,减少时空包丢失而引起的误差传播。然而,引入一个intracoded MB线在一个暂时的预测图代表一个重大比例的部分致力于压缩整个画面。然而,包包含数据从一个intra-code MB线代表图像的一小部分地区。因此,只有一个小的潜在质量处罚来自包包含intracoded MBs的损失由于小图像面积的影响。因此,这些包包含部分或全部数据来自intracoded MB线比其他低优先级数据包,至于对解码器的重建视频质量的影响。

在优先级分配算法,压缩数据分成固定大小的片。一片(18)是一个独立的解码单元包含再同步信息的标题。在测试实现,选择MBs片形成的光栅扫描顺序,如图1。算法1描述了使用的算法。(算法,注释有关NRI跨层信号解释的部分3所示。2)。在一个实现中,最大份额大小可以固定,发生在我们的评估(指节3所示。3)。片都是在最大可能除了最后一个。然而,治疗MBs切片的任务是实现依赖。对于每个slice-bearing包,影响重建PSNR测试通过删除数据包的数据帧压缩比特流,然后发现PSNR值相对于解码帧(参考部分1)。这个过程重复帧中的每个部分。所得的psnr值然后分为等级次序,优先级分类可以形成类。在测试实现,只有三个优先级类匹配合适的类在IEEE 802.11 e。因此,一旦片在排序前三名的片被分配到最高优先级,中间第三中间优先级,最低的第三优先级最低。如果切片的数量不是一个确切的倍数三然后额外片依次分配给低优先级。例如,如果有两个额外的片就可以单独分配给两个低优先级类。其他的可能性存在,但这些都不是关键的评估方案。优先级映射IEEE 802.11 e类描述。

3.2。IEEE 802.11 e EDCA和跨层信号

我们采用IEEE 802.11 e [7利用提出的优化方案。IEEE 802.11 e增强分布式信道访问(EDCA)增加了QoS支持遗留IEEE 802.11无线网络通过引入四个访问类别(ACs): AC0, AC1, AC2,和AC3背景(BK)的最优(是)、视频(Vi)和声音(Vo),分别以提高优先级。每个交流都有其相关的队列在测试)(设置为40大小可变的数据包进入队列定义的映射函数。应该从队列然后几包出现同时争用解决由虚拟碰撞处理程序传输之前尝试。

更好地交付priority-classified数据包和利用不平等的误差灵敏度,提出了映射不同优先级数据包在IEEE 802.11 e EDCA ACs的有效替代AC2分配完整的流。优先级2数据包映射到AC2,默认的访问类视频。最不重要的优先级0数据包映射到数据包映射到AC1 AC0而优先1。每个交流有不同的分布式协调功能(DCF)参数的载波监听多路访问/冲突避免(CSMA / CA)退下的机制。在测试(部分4),默认的IEEE 802.11 e介质访问控制(MAC)的参数值对IEEE 802.11 b无线了但一个扩展是调整这些参数,设置所需的质量/延迟权衡。

图2本文展示了跨层信号架构采用信号的优先级MAC层。短暂,h / AVC网络抽象层(NAL)单位(虚拟包输出由h / AVC编码器)包含优先信息的两个Nal_Ref_Idc新名词比特在NAL单元标题。在应用程序层(特别是NAL子层),温州市的新名词位改变根据每个温州市的重要性取决于变形分析。在MAC层,数据包进行分类和映射到IEEE 802.11 e ACs基于新名词在温州市头位。

3.3。视频配置

h / AVC主要配置文件编码不同的共同中间格式(CIF)帧(352×288像素/帧)测试序列在30 fps 4: 2: 0浓度二次抽样。注意到主配置文件不包括FMO,这就排除了个人MBs形式的选择优先级类(参考部分2)。这同样适用于受限的基线资料,适用于视频会议应用程序。基线资料包括FMO,适用于移动流媒体应用,虽然没有强大的概要文件和目标应用程序之间存在的关系(19]。然而,概要文件不支持更复杂的形式的编码数据分区等,正如前面提到的,否则可能会被用于数据包优先级的目的。

的使用IPPP…编码结构在这项研究中降低了译码复杂度在移动设备上,会发生bipredictive B-frames被包括。回想一下,介绍了MBs的循环intra-code行来减轻跨连续P-pictures时空误差传播的风险。上下文自适应可变长编码(CAVLC)熵编码(CAVLC应用于量子化的变换系数,而普遍的VLC (UVLC)应用于其他语法元素。选择,上下文自适应二进制自适应编码(CABAC)结果在编码效率10 - 15%的涨幅,但不能实现为CAVLC可以通过look-up-tables切换。因此,CABAC省略从基线资料由于其复杂性)22)和单帧参考采用,与设置选择减少计算在移动设备上。Motion-copy错误隐藏(23)被设置在译码器的有效手段隐蔽,除了与快速运动序列。流与1 Mbps的CBR目标编码。数据包大小的有效载荷,因此,片大小限制在最多500 B从长数据包减少错误的风险和网络分段。

运动估计的搜索范围还将八减少计算。这个设置会影响潜在的污染已经从洁净区洁净区域的图像序列。注意,h / AVC约束Intraprediction (CIP)国旗也设置,另有参考intercoded MBs是可能的,否定的能力插入循环MB行逮捕时空传播的错误。一些编码效率损失源自CIP但这是不可避免的,作为某种形式的intrarefresh不可避免。然而,如果随机放置迫使intracoded MBs发生CIP的需求会导致更大的视频质量恶化。这是因为intracoded MB的MBs线相邻,因此彼此相关。然而,随机放置MBs可能相距甚远,因此,不相关的。结果是,空间引用不会被预测的一种有效形式,即使搜索范围可能远远不够。

4所示。评价

在本节中,我们测试的通用行为方案在考虑一个例子IEEE 802.11无线局域网仿真。

4.1。统一的跌落试验

测试序列巴黎和Stefan被雇佣。前者是典型的电视演播室剪辑,可以欣赏在移动设备上(24音频和视频),后者具有较高的时间编码的复杂性。在数据3和4,放弃优先包比较随机的影响下降。(误差线代表一个标准差的情节。)

很明显,有一个相当大的收益只有放弃这些包分为低优先级(Drop-pri-0)给定的百分比在横轴上。丢包的仅仅从优先级类(Drop-pri-1)比随机滴要更好一些,但如果只有高优先级的数据包被丢弃(Drop-pri-2)有一个视频质量的严重恶化。增加了编码复杂度的影响Stefan,图4,是减少意味着给定bit-budget视频质量水平而不影响整体的模式。表1证实了这种行为为各种不同的视频内容类型。最大增益似乎在高丢包率相对静态序列。

4.2。网络模拟

结果证明了该方案的优点,应用场景图5模拟与知名ns-2网络模拟器。图表中的每一个情节是大约1000运行的结果进行统计分析后发现平均值和标准偏差在给定的损失率百分比。平板电脑接收视频的场景由流从流媒体服务器内部的无线路由器。还有一个智能手机发送语音ip (VOIP)交通网络和一台笔记本电脑争夺带宽,同时执行网页浏览。在情况如图5IEEE 802.11 e开发提供优先访问对延迟敏感应用程序通过优先级流量较高优先级队列,以减少丢包情况通过缓冲区溢出。表2详细介绍了流量来源喂进家里的路由器的输出缓冲区。

在数据6和7,拥挤的交通的影响(连同self-congestion视频流)与映射的影响整个视频流的IEEE 802.11 e指定的AC2。最糟糕的是,丢包率为10%,有3 dB拟议中的映射为流巴黎工作室的场景。的影响有点减少,更加活跃Stefan序列,但仍值得应用。表3介绍了PSNR获得当使用该映射方案在分配视频流的数据包AC2为一系列的测试序列。

4.3。讨论

其他人也提出了绩效评估,强调了使用优先级映射的优点。工作(25)是一种比较映射方案IEEE 802.11 e。研究[25)采用标准清晰度电视帧,而不是CIF帧受雇于其他研究更关心共同的移动设备的屏幕分辨率。标准映射AC2区分我——相比,P -, B-frames分组的,另一个我——P-frames到相同的优先级类别。在部分已经说过2,这种类型的框架水准仪片分类缺乏灵活性的子帧或片分类。然而,如果不使用移动设备,保留传统切片结构可能需要播放视频兼容性原因。事实上,如果要删除B-frames可用然后作者发现质量骤降后包可以避免损失。不是这种情况下默认视频映射。作者还观察到,少活动序列遭受损伤后包滴。一个相关的观察是由本文的作者在11),如前所说,表明,一定程度的时间活动如非零运动向量的个数,可以指导是否定期I-frames被。

工作(26)模拟的性能优先级分类基于h .数据分区的一个场景,在该场景中,ip话音和数据流量也在场。20节点生成的交通在IEEE 802.11网络。这项工作,这是当代报告(12),证实了利用这种类型的映射。的作者(27)也使用优先级分类基于数据分区,但测试结果在室内无线试验台和三个笔记本电脑接收器。最优TCP流量也在场。再次,研究证实映射的访问类的优点但是这次与实际访问争用情况。

5。结论

本文的主要目的是演示一个简单的过程视频数据包的优先级,可以在实现h .概要文件不需要灵活宏模块排序。Slice-based失真分析减少了实现开销相比个人MB-based优化。本文展示了巨大的进步,视频质量的优先级分类模型在一个家庭网络。因为延迟敏感的应用程序是有针对性的,该计划允许单个视频帧延迟,在此期间限制电平失真进行分析。还可以扩展计划片失真分析跨多个帧但这显然会增加延迟的影响。新兴的高效视频编码(HEVC)标准考虑提高实施效率的方法,特别是对于高清晰度(HD)视频。虽然测试效率提出了我们的研究结果为CIF视频,研究结果可以应用于高清视频比其他高数据速率IEEE 802.11的家人,例如IEEE 802.11 ac。然而,在这种情况下更大的块大小应该选中。

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