CN101056403A - 可伸缩视频编码的p2p网络传输体系结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可伸缩视频编码的P2P网络传输体系结构设计方法，采用可伸缩半集中式P2P架构实现可伸缩视频码流的网络用户Peer信息管理、认证、Peer Buffer信息以及分布式传输等操作；通过可伸缩Peer聚类方法实现播放同一可伸缩视频节目源的用户管理和共享；通过可伸缩Peer分级方法满足网络异构性，带宽波动性及用户终端多样性；通过可伸缩码流分块和可伸缩码流分级，实现异构视频传输网络视频内容的空域(spatial)、时域分辨率和质量的可伸缩性，并同时对可伸缩视频码流纠错。通过可伸缩视频SuperNode提供可伸缩视频节目源。以可伸缩视频Buffer缓存实现用户Peer间之间的下载和上传服务。该方法能满足流媒体网络传输服务和用户Peer的实时需求。

Description

可伸缩视频编码的P2P网络传输体系结构设计方法

                       技术领域

本发明属于视频编码及网络传输领域。具体涉及到空域、时域以及质量可伸缩的视频编码在异构IP网络传输的P2P(Peer-to-Peer)体系结构设计方法。

                       背景技术

传统的流媒体传输播放方式是基于Client/Server集中式网络模式，面临网络带宽受限的问题，表现在媒体服务器负担过重，支持客户数目有限，节目播放效果较差。在信源编码方面，随着应用和研究的不断深入，基于传统分块DCT技术以及运动补偿DPCM闭环架构的数字视频编解码体系(H.26x和MPEG系列)，因不具有自适应的空域、时域以及质量可伸缩性，而不能满足视频传输网络的异构性(Heterogeneous)，网络带宽的波动性以及用户视频接收终端的多样性，从而不能充分满足数字媒体时代异构网络下的不同带宽和终端用户的需求，也越来越不适应现代信息社会的发展和用户的需求。

                       发明内容

根据上述背景技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种可伸缩视频编码的P2P(Peer-to-Peer)网络传输体系结构设计方法，该方法面向可伸缩编码，能自适应视频传输网络的异构性、网络带宽的波动性以及用户视频接收终端多样性的高度可伸缩(Scalability)视频码流在异构IP网络实时传输。

为了实现上述任务，本发明采用的技术解决方案是：

一种可伸缩视频编码的P2P网络传输体系结构设计方法，其特征在于，

具体包括下列步骤：

采用分布式中心服务器作为Peer用户首次登陆视频传输网络的服务器实现用户的管理和认证；得到授权和认证的用户之间可以同时作为服务器和客户端彼此服务；中心服务器同时存储Peer端的信息包括Buffer的内容信息，每个新加入的Peer都会周期性的获得相关节目信息和Peer的buffer信息；

把得到授权和认证的用户进行聚类，使得播放同一视频节目源的用户成为一类，以使得属于一类的用户之间实现最大的共享服务；

把得到授权和认证的用户进行分级，从得到最基本的码流手持式设备用户到全高清码流的终端用户分别定义级别，分布式中心服务器进行记录和管理，同时Peer获得网络唯一含有级别ID表示；

将经过可伸缩视频编码的视频节目源进行分级，从基本层码流到全高清码流分别定义级别。可伸缩码流分级和Peer用户分级相关；

将属于同一可伸缩层的码流先分成Part，并进而经二叉树分成block块，把属于同一层的block与可伸缩层的级数相关联，并对块进行HASH，以便网络传输、查询和纠错；下载完的相应层的Part首先验证Part的Hash值，如果一旦有错误信息，再进一步根据二叉树结构进行查找所缺少或有错误的Block块；

采用分布式的结点服务模式，提供给用户Peer端观看的可伸缩视频节目源，只提供上传服务，不需要下载服务；

将下载的同一可伸缩层的码流按Part-Block模式组织，存放在buffer中，只有在buffer中的Part完整时才可以提供上传服务，以实现用户Peer之间下载和共享服务，即Peer既可以作为客户端享有下载服务，也可以作为服务器提供上传服务；分级的Peer下载与其相应级别的可伸缩码流层的Block，即基层用户只能下载基层码流的block，增强层用户既可以下载基层的Block，又可以下载相应的增强层的Block，Peer Buffer中的信息及时与分布式中心服务器更新，以便其它Peer获得。

本发明是一种将具有多种可伸缩性的视频编码在异构IP网络下Peer-to-Peer传输体系结构的设计方案。通过可伸缩视频编码分块和分级，在分布式服务器上进行授权、认证、聚类，可以实现P2P的异构网络视频传输，满足网络异构性，带宽波动及终端用户多样性的需求。

                       附图说明

图1是本发明的第一个实施例：高可伸缩视频编解码体系结构框图。

图2是本发明的第二个实施例：可伸缩视频码流示意图。

图3-1，3-2是本发明第三实施例：半集中式可伸缩视频P2P传输网络体系结构示意图。

图4是本发明第四实施例：Peer节点的服务控制模型示意图。

图5是本发明第五实施例：可伸缩视频码流文件划分结构示意图。

图6是本发明第六实施例：Buffer管理示意图。

下面结合附图和发明人给出的实施例对本发明进一步详细说明。

                       具体实施方式

本发明的可伸缩视频编码的P2P网络传输体系结构设计方法，该方法通过可伸缩视频编码分块和分级，在分布式服务器上进行授权、认证、聚类，以实现P2P的异构网络视频传输，满足网络异构性，带宽波动及终端用户多样性的需求，包括：

1)通过“可伸缩半集中式P2P架构”技术实现可伸缩视频码流的网络用户Peer信息管理、认证、Peer Buffer信息以及分布式传输等操作；

2)通过“可伸缩Peer聚类”技术，实现播放同一可伸缩视频节目源的用户管理和共享；

3)通过“可伸缩Peer分级”技术，满足网络异构性，带宽波动性及用户终端多样性；

4)通过“可伸缩码流分块”技术和“可伸缩码流分级”技术，实现异构视频传输网络视频内容的空域(spatial)、时域分辨率和质量的可伸缩性，并同时对可伸缩视频码流纠错。

5)通过“可伸缩视频SuperNode”技术，提供可伸缩视频节目源。

6)通过“可伸缩视频Buffer缓存”技术，实现用户Peer间之间的下载和上传服务。

所述“可伸缩半集中式P2P架构”技术是，采用分布式中心服务器作为Peer用户首次登陆视频传输网络的服务器，来实现用户的管理和认证。得到授权和认证的用户之间可以同时作为服务器和客户端彼此服务。中心服务器同时存储Peer端的信息包括Buffer的内容信息。每个新加入的Peer都会周期性的获得相关节目信息和Peer的buffer信息。

所述“可伸缩Peer聚类”技术是，把得到授权和认证的用户进行聚类，使得播放同一视频节目源的用户成为一类，以使得属于一类的用户之间实现最大的共享服务。

所述“可伸缩Peer分级”技术是，把得到授权和认证的用户进行分级，从得到最基本的码流手持式设备用户到全高清码流的终端用户分别定义级别，分布式中心服务器进行记录和管理，同时Peer获得网络唯一含有级别ID表示。

所述“可伸缩码流分级”技术是，将经过可伸缩视频编码的视频节目源进行分级，从基本层码流到全高清码流分别定义级别。可伸缩码流分级和Peer用户分级相关联。

所述“可伸缩码流分块”技术是，将属于同一可伸缩层的码流先分成Part，并进而经二叉树分成块(block)，把属于同一层的block与可伸缩层的级数相关联，并对块进行HASH，以便网络传输、查询和纠错。下载完的相应层的Part首先验证Part的Hash值，如果一旦有错误信息，再进一步根据二叉树结构进行查找所缺少或有错误的Block块。

所述“可伸缩视频SuperNode”技术是，采用分布式的结点服务模式，提供给用户Peer端观看的可伸缩视频节目源，只提供上传服务，不需要下载服务。

所述“可伸缩视频Buffer缓存”技术是，将下载的同一可伸缩层的码流按Part-Block模式组织，存放在buffer中。只有在buffer中的Part完整时才可以提供上传服务，以实现用户Peer之间下载和共享服务，即Peer既可以作为客户端享有下载服务，也可以作为服务器提供上传服务。分级的Peer下载与其相应级别的可伸缩码流层的Block，即基层用户只能下载基层码流的block，增强层用户既可以下载基层的Block，又可以下载相应的增强层的Block。Peer Buffer中的信息及时与分布式中心服务器更新，以便其它Peer获得。

按照上述技术方案，发明人给出了以下实施例，需要说明的是，这些实施例为了更进一步理解本发明，但本发明不限于这些实施例。

在以下的实施例中的可伸缩视频编码采用以小波技术为核心，输入的视频序列先进行运动补偿时域小波分解(MCTF)，在空域上进行二维的离散小波变换，然后对得到的三维小波系数进行位平面编码和算术编码，并根据三维率失真优化算法，实现视频的可伸缩视频编码。本实施例也适用于采用MCTF和H.264结合来形成可伸缩视频编码实施例。

在图1中，给出了第一实施例的基于运动补偿的时域提升小波和空域提升小波的高可伸缩性视频编解码器结构。输入视频序列先经过预处理，分成以组为单位的视频Group，然后每一组视频帧先经过基于运动补偿的时域小波分解(MCTF)，把运动变化少的低频能量集中在低频帧，而把运动变换快的高频能量集中在高频帧。这些高低频帧每一帧输入二维离散小波变换，进行空域提升小波分解，对形成的三维小波系数进行编码压缩。根据使用的小波变换基，选取不同的量化方案和步长，以便使得三维小波系数能量更集中而便于压缩。经过量化的三维小波系数根据各自的最大位深度，进行位平面编码，形成上下文和二进制数据，这些数据输入到基于上下文自适应的算术编码器，编码成压缩码流，并且算出RD斜率。经过算术编码的压缩码流和RD斜率以及用户需求的目标码率输入到位率控制器，获得用户需求的视频码流并经打包成视频码流文件。解码时用户将得到的视频码流经过解包把视频码流输入三维熵解码(自适应算术解码和和上下文解码)，得到经过量化的三维小波系数，然后将经反量化的三维小波系数输入到二维离散小波解码器，得到高低频帧序列，这些高低频帧序列经过运动补偿的时域提升小波合成，得到重建的视频帧序列。

图2给出了第二实施例的可伸缩视频码流格式，分为一个基本层和3个增强层，并分为Level_0级(图中的基层，QCIF：7.5fps)，Level_1级(图中的增强层1，QCIF：15fps)，Level_2级(图中的增强层2，CIF：15fps)和Level_3级(图中的增强层3，CIF：30fps)。

图3-1和2给出了第三实施例的可伸缩视频编码的P2P传输网络的体系结构，由分布式可伸缩的中心服务器、分布式可伸缩的“SuperNode”和多个用户Peer组成。本发明并不规定数据实时传输数据协议，在本实施例中TCP用于Peer建立连接和传输数据，UPD协议只是用来加强Peer之间的信息和服务器的信息。

在本实施例中，用户Peer首先通过可伸缩视频P2P网络架构的中心服务器获得授权和认证，中心服务器并将Peer进行分等级，并根据Peer的需求进行“聚类”，将需要同一视频节目源的Peer分成一个Group。这样一个Group内的Peer之间下载的视频内容相互关联，可以形成更好的共享服务和分布式传输。中心服务器存储“SuperNode”上的可伸缩视频节目源，正在下载节目的Peer群、IP和端口，以及可伸缩Peer Buffer缓存信息和正在下载的文件Part等信息。存放在SuperNode上的可伸缩视频节目源根据视频码流的可伸缩性，通过“可伸缩码流分级”技术将基层和增强层分级，并记录。然后将基层分成Part，进一步根据二叉树算法分成块block，并把划分的码流等级同Part-Block相互关联。增强层也同样处理。这样处于基层等级的Peer只能下载基层数据Part和Block，处于更高等级的Peer既可以下载基层，也可以下载相应的增强层，从而能满足用户的多样性，网络异构性以及带宽波动性的需求。Peer之间是通过“Buffer缓存技术”进行共享和通信的，Buffer中的可伸缩视频的Part信息随时与服务器更新，同时Peer之间也相互搜索其Buffer中的Part信息，并根据一定调度算法，在一定的时间约束下，相互选择所需求part中的Block下载和上传速度最快的Peer下载和上传。在下载和共享服务中，基层Level_0码流Block具有最高优先级，随着码流Level级别增大，优先级随之降低。Buffer中的码流数据实时传输给可伸缩视频播放器，这样就完成可伸缩视频编码在异构IP网络下的P2P分布式传输，既能满足异构网络的需求，也能实现实时视频传输服务。

图4给出了第四实施例的Peer节点控制模型。

图中Scalable_Peer_Management负责与中心服务器通信，下载与其相关的Peer群，并更新Peer buffer的信息，包括已下载，正在下载的Data Part信息等；Scalable_Data_Part_Schelduler负责控制和选择所要下载的part中的Block，即根据时间和带宽约束，求得传输当前所需Block速度最快的Peer，并与其建立连接实现下载和上传。一定级别的Peer所需的Block是与可伸缩视频码流数据的分级一致的；Peer_Buffer_Management负责管理Buffer，包括送数据给视频播放器Scalable_Video_Player，删除Buffer中数据和填充Buffer等操作。

在图5中给出了第五实施例的可伸缩视频码流的分Part和Block的过程。

本实施例先将可伸缩视频码流的基层定义为Level_0级码流，依次增加，增强层3定义为Level_3级码流。把Level_0基层分成6MByte大小Part，然后对Part进行二叉树分解，最小Block大小128KByte，并对Part和Block进行Hash，以便下载、共享和纠错。在分割Part和Block时，利用“可伸缩码率分级”技术和“可伸缩码流分块”技术，把码流级别和Part及Block级别相关联，以区别各个Level级别上的Part和Block块。

在图6中，给出了第六实施例Buffer管理，Buffer存放一定数目的一定Level级别的Part，并且只有当完整的Part下载完后才可以共享，记录已下载和已播放的Part及其Block，并计算所需要下载的Part及其Block。这里Part和Peer都有同样的Level等级，即基层Peer Level_0用户只可以下载和共享基层Level_0码流，增强层Level_x(x＞0)用户可以下载基层Level_0和相应的增强层Level_x码流。

Claims (1)

1.一种可伸缩视频编码的P2P网络传输体系结构设计方法，其特征在于，具体包括下列步骤：

采用分布式中心服务器作为Peer用户首次登陆视频传输网络的服务器实现用户的管理和认证；得到授权和认证的用户之间可以同时作为服务器和客户端彼此服务；中心服务器同时存储Peer端的信息包括Buffer的内容信息，每个新加入的Peer都会周期性的获得相关节目信息和Peer的buffer信息；

把得到授权和认证的用户进行聚类，使得播放同一视频节目源的用户成为一类，以使得属于一类的用户之间实现最大的共享服务；

把得到授权和认证的用户进行分级，从得到最基本的码流手持式设备用户到全高清码流的终端用户分别定义级别，分布式中心服务器进行记录和管理，同时Peer获得网络唯一含有级别ID表示；

将经过可伸缩视频编码的视频节目源进行分级，从基本层码流到全高清码流分别定义级别。可伸缩码流分级和Peer用户分级相关；

将属于同一可伸缩层的码流先分成Part，并进而经二叉树分成block块，把属于同一层的block与可伸缩层的级数相关联，并对块进行HASH，以便网络传输、查询和纠错；下载完的相应层的Part首先验证Part的Hash值，如果一旦有错误信息，再进一步根据二叉树结构进行查找所缺少或有错误的Block块；

采用分布式的结点服务模式，提供给用户Peer端观看的可伸缩视频节目源，只提供上传服务，不需要下载服务；

将下载的同一可伸缩层的码流按Part-Block模式组织，存放在buffer中，只有在buffer中的Part完整时才可以提供上传服务，以实现用户Peer之间下载和共享服务，即Peer既可以作为客户端享有下载服务，也可以作为服务器提供上传服务；分级的Peer下载与其相应级别的可伸缩码流层的Block，即基层用户只能下载基层码流的block，增强层用户既可以下载基层的Block，又可以下载相应的增强层的Block，Peer Buffer中的信息及时与分布式中心服务器更新，以便其它Peer获得。

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