CN101366213A - 用于可缩放编码中的抖动缓冲器降低的系统和方法 - Google Patents

用于可缩放编码中的抖动缓冲器降低的系统和方法 Download PDF

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Abstract

用于视频和音频通信网络的抖动缓冲器阵包括各自被指定为缓冲一特定层的经可缩放编码的数据流的多个抖动缓冲器，以及被耦合用以逐层地解码接收到的经可缩放编码的数据流的解码器。

Description

用于可缩放编码中的抖动缓冲器降低的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2005年7月20日的美国临时专利申请S/N.60/701,110号的优先权。此外，该申请与共同提交的美国专利申请S/N[SVC系统]、[SVC]、和[基信息干道(base trunk)]相关。所有上述优先权和相关申请都通过全体引用包括于此。
技术领域
本发明涉及多媒体和电信技术。具体地，本发明涉及音频和视频数据通信系统，并且尤其涉及视频编码/解码系统中抖动缓冲器的使用。
背景技术
在常规电子通信网络(例如，网际协议(“IP”)网络)上传输的数据包/信号(例如，音频和视频信号)易受到不希望的事件的影响，这使得信号完整性和质量退化。不希望的事件包括例如，可变延迟(即，每个数据包可遭受不同的延迟，也被称为“抖动(jitter)”)、顺序包的失序(out-of-order)接收、和包丢失。
在常规流送视频系统中，网络设备通常接收来自网络的多媒体或视频包并将这些包存储在缓冲器中。缓冲器允许足够时间留待失序或延迟的包到达。然后缓冲器可以均匀速率释放或馈送多媒体/视频数据以进行回放。如果一特定数据帧被承载于一个以上的包中，则缓冲器必须分配足够时间以留待一特定帧的所有部分都到达。抖动缓冲器长度/延时可占到IP通信系统的总体端到端延迟的主要部分。
常规地，抖动缓冲器的长度(即，延迟)被调节成使得帧的几乎所有片断在下一帧必须被解码以进行显示之前有足够的时间到达。
可缩放编码技术允许以多层格式将数据信号(例如，音频和/或视频数据信号)编码和压缩以进行传输。主题数据信号的信息内容被分布在所有经编码的多个层当中。这多个层中的每一个或数个层的组合可以各自的位流来发送。通过设计，“基层”位流可承载在解码原始音频和/或视频信号时足够用于所期望的最小或基本质量水平重建的信息。其它“增强层”位流可承载附加信息，它们可被用来对原始音频和/或视频信号的基本水平质量重建作出改善。
可缩放音频编码(SAC)和可缩放视频编码(SVC)可被用于在电子通信网络上实现的音频和/或视频会议系统中。共同提交的美国专利申请S/N[SVC系统]和[SVC]描述了用于示例性音频和/视频会议应用的可缩放音频和视频编码的系统和方法。所引用的专利描述了特定的IP多点控制单元(MCU)、被设计成用于协调会议端点之间SAC和SVC层位流的传输的可缩放音频会议服务器(SACS)以及可缩放视频会议服务器(SVCS)。
应该注意，用于创建增强层的其它方法还包括：a)在不参考基层信息的情况下对高质量信号的完整表示，一种也被称为“联播”的方法；或者b)对同一信号的质量相近似但相关性最小的两个或多个表示，其中这些表示中一独立的子集将被考虑为“基层”而其余表示将被考虑为增强。后一方法也被称为“多描述编码”。为了简明起见，所有这些方法在此都被称为基层和增强层编码。
现在对改进视频通信系统中所用的抖动缓冲器的设计作出考虑。特别地，针对设计在发送经可缩放编码的视频流的通信系统中的高效抖动缓冲器。
发明内容
提供了用于降低发送经可缩放编码的视频流的视频通信系统中抖动缓冲器长度或延迟的方法。
本发明的系统和方法一般涉及在接收机/端点处采用多个抖动缓冲器以分开地对接收到的SVC流的两层或多层进行缓冲。此外，这多个抖动缓冲器可配置有不同的延迟设置以适应例如各个层的流的不同丢失率。
在本发明的一示例性实施例中，一种用于接收SVC数据的系统(例如，接收终端或端点)包括各自被指定对接收到的SVC数据流的各层中的相应一个进行缓冲的多个抖动缓冲器。这些抖动缓冲器被以降低整个系统的延迟的方式配置有不同的长度/延迟。该接收终端/端点还包括按层来解码被缓冲的视频数据流层的解码器。该解码器被配置成以对所显示的视频质量影响最小但改善了系统延迟性能的方式选择性地丢弃增强层信息。
附图说明
图1A和1B是示出了包括根据本发明的原理设计的抖动缓冲器阵的示例性经可缩放编码的视频数据接收机的框图。
图2和3是示出了本发明的抖动缓冲器阵的优点的差错率曲线图。
通篇附图中，除非另有陈述，否则相同附图标记和字符被用于标示所示实施例的相似特征、要素、组件或部分。此外，虽然将参照附图来具体描述本发明，但这是与所示实施例相关联地来实现的。
具体实施例
提供了被设计成用以降低视频通信系统中的延迟的抖动缓冲器阵。抖动缓冲器阵可以在接收以诸如具有基层和增强层的可缩放编码等多层格式编码的视频数据流的视频接收终端或通信系统端点上实现。应该注意，创建增强层的其它方法还包括联播和多描述编码等，并且为了简明起见，我们在此将这些方法都称为基层和增强层编码。
抖动缓冲器阵包括多个单个的抖动缓冲器，其中每一个被指定缓冲传入视频数据流的一特定层(或层的特定组合)的数据包。该抖动缓冲器阵还包括解码器或与该解码器相关联，该解码器被设计成按单个抖动缓冲器逐个地解码所缓冲的数据包。
图1A和1B示出了可被结合在接收终端或端点(例如，分别为端点110和120)中的示例性抖动缓冲器/解码器阵100A和100B。阵100A和100B两者被设计成接收、解码和显示以多层格式(例如，如基层150A和增强层150B-D)可缩放编码的视频数据流150。两种阵都包括用于逐层地缓冲传入视频数据流150中的视频包的多个抖动缓冲器130。所示的抖动缓冲器130A和130B例如包括对应于视频流基层150A的基抖动缓冲器，以及分别对应于视频流增强层150B-150D的抖动缓冲器1、2和3。阵100A和100B两者包括解码器140。在阵100A中，解码器140位于抖动缓冲器130A之前以使得传入视频流层150A-D在进行缓冲之前被解码。相反，在阵100B中，解码器140位于抖动缓冲器130B之后以使得视频流层150A-D被缓冲并在随后被解码。阵100A和100B的输出可由多路复用器(例如，MUX 150)复用以产生用于显示的经重建的视频流160。
此外，端点110/120可包括允许相应缓冲器中的基层和增强层视频流包有不同的缓冲或等待时间的合适的抖动缓冲器管理算法。不同层的等待时间(即，抖动缓冲器长度/延迟)的指派可被选择成使该系统中的总体延迟最小化。例如，抖动缓冲器/解码器阵100A和100B可被配置成允许增强层可容许的差错率(即，晚到的包被抖动缓冲器放弃或考虑丢弃的比率)高于基层所被允许的差错率。该方案认识到实际上基层包往往比增强层包小从而首先不容易受到抖动影响，以及基层包在大多数情况下是在不易出现包丢失和抖动的较佳质量的链路或信道上发送的。
抖动缓冲器长度/延迟的值及其它们的分布可响应于网络状况(例如，丢失率或话务负荷)或任意其它因素来动态地调整。
本发明的抖动缓冲器阵可显著降低包含在接收到的帧中的数据可被显示或回放之前的总体通信系统延迟。这种降低的延迟在所有音频和视频通信系统、尤其在诸如视频会议或音频通信应用等实时工作的系统中是受欢迎的质量特征。
本发明的抖动缓冲器阵还有利地允许分开地解码被分开缓冲的基层和增强层。接收端点110/120可开始解码基层和增强层中的任意一个而无需等待其它层到达。该特征可降低或最小化解码CPU或DSP(例如，解码器140)的空闲时间量，由此增大总体利用率。该特征还便于使用多CPU或CPU核。
根据本发明的一个示例性实施例，不同的抖动缓冲器可与视频流中不同质量层中的每一个相关联。可响应于网络状况向不同的抖动缓冲器延迟或长度指派不同的值，以使得即使在允许或容许相关增强层包的偶然性丢失时，及时接收与视频帧相关的基层包的可能性也非常高。
再次参照图1A和1B，阵100A包括并行地将传入视频流层150A-150B解码的解码器140和用于缓冲相应的经解码的层流的多个抖动缓冲器130A。在阵100B中，解码器140执行对各层的解码，该过程是彼此相依存的(即，一层被要求解码另一层)。在任一阵中，与视频数据的一特定层相关联的抖动缓冲器的工作参数可以与用于与视频数据的其它层相关联的抖动缓冲器的工作参数不同。可响应于网络状况或为了解决特定实现的其它考虑而合适地选择或调节抖动缓冲器的工作参数(例如，延迟或长度设置)。
将在此参照采用了可缩放视频编码的示例性视频系统B以及相对照的未采用可缩放视频编码的视频系统A来描述用于选择和指派抖动缓冲器长度/延迟的示例性过程。在系统A或B中的任一系统中，多个发送的数据包(例如，3个包)可包括与给定视频帧相关的所有信息。在系统A中，需要所有发送的包来显示该帧。假定与该帧相关的包具有相等但不相关的到达概率，则在接收机处获得正确显示的概率P可由下式给出
P＝(1-p)n
其中p是与该帧相关的单个包将在一特定抖动缓冲器延迟d——超过该延迟的任何晚到的包被假定为丢失——之后到达的概率，以及n是重建该帧所需的包的数目。在系统A中，数目n是与该帧相关的所发送的包的总数。相反，在系统B中，数目n为1(即，基层)。相应地，在系统B中正确显示该帧的概率P为分数(1-p)，这大于在系统A中将正确显示该帧的概率(1-p)n。
在为采用可缩放视频编码的系统B选择合适的抖动缓冲器长度/延迟的设计过程中，概率p可在假定抖动统计为高斯的情况下使用为抖动缓冲器延迟d的函数的差错函数来计算。
图2示出了1个到3个包视频帧的差错率或帧丢弃率(frame drop rate)(1-P)，它是经一合适的抖动度量归一化的抖动缓冲器长度/延迟d的函数。该合适的抖动度量被定义为该网络中包到达延迟的一个标准偏差。如图2所示，对于系统A和B通过在以上所定义的系统A的抖动缓冲器延迟被设为约1个标准偏差时将系统B的抖动缓冲器延迟d设为1/3的标准偏差来得到相类似的帧丢弃率。由于系统A必须等待接收到所有3个包以进行正确的帧重建和显示，而容许增强包丢失的系统B仅需要等待接收基层，所以在这两个系统中获得了类似的帧丢弃率。因此，如果系统A显示30ms的抖动，在系统B中移除了该延迟当中的近10ms。
系统B中在不接收增强层的情况下对视频帧的重建和显示是与“分离丢弃率(resolution drop rate)”(即，当基层包按时到达时，但增强包晚到达)相关联的。参照图2，假定可接受的基层丢弃率被设为1％，则分离丢放率至多也在几个百分点。
在本发明的另一实施例中，响应于网络状况，可向与基层和增强层相关联的不同抖动缓冲器指派不同的长度/延迟。这里在描述中为了简单起见，例如，将基层假定为包括在一个包中，并假定所有的增强层帧作为一帧被包括在第二包中，从而使得仅有一个相应的基层抖动缓冲器和一个相应的增强层缓冲器。在该示例中，基层抖动缓冲器长度可被配置成不丢弃来自基层的数据或至多丢弃可忽略的数据量(即，实现接近0的帧丢弃率)，这实现了分离丢弃率上的可接受的系统性能。增强层抖动缓冲器的长度/延迟可被设为基层抖动缓冲器的两倍。
此外在该示例中，帧丢弃率和包丢弃率是一样的，因为基层或增强层的一帧被包括在一个包中。图3是示出了针对不同的基层和增强层组合情形计算出的作为d(被归一化至基抖动)的函数的帧丢弃率的曲线图。
如图3所示，约2.7的经归一化的抖动缓冲器长度/延迟率对应于1x10-4的基层丢弃率(例如，在1-3包帧配置中每300秒丢弃1帧)。为了在未分层系统或其中基层和增强层两者的抖动缓冲器长度相同的系统中获得同样低的差错率，总抖动缓冲器长度/延迟将必须被设为至少两倍以适应在该示例中为基层抖动的两倍的增强层抖动。本发明的该示例性实现避免了在视频显示时引入这种附加的双倍延迟。
虽然已描述了被认为是本发明的优选实施例的实施例，但本领域的技术人员将认识到可对其作出其它和进一步的改变和变形而不会背离本发明的精神实质，并且其旨在要求落在本发明的真实范围内的所有变化和变形。例如，本发明的抖动缓冲器阵在这里是参照以多层格式编码的视频数据流来描述的。然而，容易理解本发明抖动缓冲器阵还可实现用于以多层格式编码的音频数据流。
还将理解的是，根据本发明，可使用合适的硬件和软件的组合来实现该抖动缓冲器和解码器。用于实现和操作上述抖动缓冲器和解码器阵的软件(即，指令)可被设于计算机可读介质上，这些介质可包括但并不限于：固件、微控制器、微处理器、集成电路、ASIC、在线可下载的介质、以及其它可用介质。

Claims (19)

1.一种用于电子通信网络中的接收端点的抖动缓冲器阵，所述阵包括：
多个抖动缓冲器，其中每个抖动缓冲器被指定缓冲接收到的经可缩放编码的数据流的特定层，以及
耦合至所述多个抖动缓冲器的解码器，其中所述解码器被配置成逐层地解码所接收到的经可缩放编码的数据流。
2.如权利要求1所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，所述经可缩放编码的数据流包括视频数据流、音频数据流或其组合中的至少一个。
3.如权利要求1所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，所述多个抖动缓冲器在所述解码器之前。
4.如权利要求1所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，所述多个抖动缓冲器在所述解码器之后并逐层地缓冲所述解码器输出。
5.如权利要求1所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，所述多个抖动缓冲器各自具有一设计长度，并且其中至少两个抖动缓冲器具有不同的设计长度。
6.如权利要求1所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，所述多个抖动缓冲器各自具有响应于网络状况而动态调节的长度。
7.如权利要求1所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，第一和第二抖动缓冲器被指定分别缓冲基层和增强层。
8.如权利要求7所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，所述第一和第二抖动缓冲器的所述设计长度是基于对在所述网络上接收到的视频流中的抖动的统计估计。
9.如权利要求7所述的抖动缓冲器阵，其特征在于，所述第一缓冲器的所述设计长度是所述第二抖动缓冲器的所述设计长度的分数。
10.一种用于管理电子通信网络中接收端点处的抖动缓冲器延迟的方法，所述方法包括：
设置多个抖动缓冲器，其中每个抖动缓冲器被指定缓冲接收到的经可缩放编码的数据流的特定层，以及
将解码器耦合至所述多个抖动缓冲器，其中所述解码器被配置成逐层地解码所接收到的经可缩放编码的数据流。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述经可缩放编码的数据流包括视频数据流、音频数据流及其组合中的至少一个。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多个抖动缓冲器在所耦合的解码器之前。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多个抖动缓冲器在所耦合的解码器之后，所述方法还包括逐层地缓冲所述解码器输出。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述设置多个抖动缓冲器包括设置各自具有一设计长度的多个抖动缓冲器，并且其中至少两个抖动缓冲器具有不同的设计长度。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述设置多个抖动缓冲器包括设置各自具有一设计长度的多个抖动缓冲器，并且还包括响应于网络状况动态地调节所述设计长度。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述设置多个抖动缓冲器包括设置被指定分别缓冲基层和增强层的第一和第二抖动缓冲器。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括基于对在所述网络上传送的视频流中的抖动的统计估计来指派所述抖动缓冲器的所述设计长度。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括向所述第一缓冲器指派为指派给所述第二抖动缓冲器的所述设计长度的分数的设计长度。
19.包括用以执行在权利要求10-18的至少一项中所述的步骤的指令集的计算机可读介质。
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