面向网络的视频业务优化及QoS保证

摘要

随着计算技术、宽带设备及其网络技术的飞速发展，使得实时多媒体通信成为可能，尤其实时视频传输日益剧增，我们可以从以下二个方面来保证视频在网络上的可靠传输。 一方面从传输的角度，提供性能更好的视频传输技术。为此美国的Internet2研究计划中就成立了数字视频研究小组，对数字视频的网络传输进行专门研究。我国目前正在进行的“863”3TNet专项研究，也明确提出对高速网络中的流媒体相关技术进行研究，要求在宽带网络环境中能够实现数字高清晰度电视的传输。 另一方面必须针对网络传输的特点对视频进行压缩编码。追溯近五十年来数字视频图像编码研究技术的发展，从JPEG到JPEG2000，从MPEG-1到MPEG-4，从H.261到H.264，压缩编码技术在不断提高。近年来，我国科研人员也在编码领域不断努力，成立了“数字音视频编解码技术标准工作组”即AVS，紧跟国际编码前沿。 基于上述研究背景，本文就面向网络的视频业务优化及其QoS保证作了一些探索性的研究。首先，在对视频编码技术及其传输技术分析的基础上，着重对MPEG-4系统层中的解码器模型、对象描述框架、基本码流与缓冲管理、复用、DMIF传输接口以及MPEG-4码流的存储格式等问题进行了深入分析和研究，建立了完全基于MPEG-4系统层的实时视频通信系统和实验研究平台，并针对变化的网络环境，提出了一种改进的AIMD拥塞控制算法。 由于网络的异构性，在网络上传输具有一定QoS保证的视频业务，必须对视频业务的统计特征进行分析，并根据其特征建立合理的数学模型，为综合利用网络资源，提供有效的分析依据。通过研究，发现视频业务具有多重分形的特征，为此，本文提出了一种多重分形多小波模型，这种模型充分利用了多小波分析的优点，理论和实验结果都表明，其建模效果明显优于多重分形小波模型，能较好地反应视频业务的统计特征。 由于实时交互视频业务的日益增长，对视频业务进行在线建模和预测是必需的。为此，本文提出了一种支持可变比特率的视频业务预测模型，用Kalman预测的方法，对视频业务进行线性预测，而不需要更多的先验信息，进行动态带宽分配，提高带宽的利用率。为了适于场景切换的视频预测建模，本文提出了一种自适应的Kalman预测方法，这种方法能更好地预测视频的未来帧，并对显著的场景切换有很好的自适应性。在Kalman业务预测方法的基础上，进而讨论了带宽的动态分配及有关QoS的实现。MPEG-4的FGS是为了适于网络环境变化而提出的一种具有良好性能的可分级方法，为此，提出了一种适于FGS的动态带宽分配策略，根据视频编码和网络环境的特点，对带宽进行自适应调整，保证视频网络传输的QoS。 最后，本文对3G无线网络环境下的视频传输进行了研究。传统的纠错技术不能有效纠正衰落信道的比特错误，3GPP/3GPP2采纳Turbo信道编解码，提供较高的数据传输速率。但由于传统Turbo码只能对各部分码流信息进行同等差错保护，将导致系统开销较大、资源浪费。为此，本文充分考虑MP4码流(信源编码)及Turbo码(信道编码)的特性，根据MP4码流中信息比特重要性的不同，对其进行非同等差错保护，这样能够有效地保护MP4码流的重要信息，提高MP4码流在无线传输过程中的抗误码性能。 可以预见，随着网络技术及视频压缩编码技术的迅猛发展，实时视频通信将会成为网络通信中的主力军。人们对视频的需求将会越来越大，要求也会越来越高，同时又会进一步推动网络技术及压缩技术的发展，视频和图像编码也将从面向存储转为面向传输，宽带、无线、流媒体将是未来多媒体技术的发展方向之一。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩略语表

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第一章 绪论

第二章 MPEG-4系统层分析及其实现

第三章 视频业务的多重分形多小波模型

第四章 视频业务预测及带宽动态分配策略

第五章 无线宽带上的视频传输

总结与展望

致谢

作者在攻读博士学位期间发表和录用的论文及主要参与课题