CN102843573A - 利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法。本方法是利用延时、抖动和丢包率等服务质量(Quality of Service，QoS)参数与接收端降质视频视觉质量的线性回归模型以实现视频传输质量评估。其实际应用前景广阔，运营商可以根据此评估结果及时调节编码器或者信道的参数，从而保证用户良好的用户服务质量。

Description

利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法

技术领域

本发明涉及一种利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法，即利用延时、抖动和丢包率等服务质量(Quality of Service, QoS)参数和线性回归模型预测无线局域网视频传输质量的方法，属于客观的无参考视频质量评估。其实际应用前景广阔，运营商可以根据此评估结果及时调节编码器或者信道的参数，从而保证用户良好的服务质量。

背景技术

当今世界无疑是一个信息化的通信时代，数字信息渗透到全球的每一个角落，不断改变人类的生活和工作方式。多媒体技术日益普及的高速信息网可实现全球信息资源共享，被应用于教育、军事、金融和医疗等诸多行业。多媒体包含文本、语音、图像和视频等，信息量大，内容丰富，表达力强。另一方面，无线通信已经进入一个新的发展阶段，无线通信网逐渐成为承载多媒体业务的重要载体。由IEEE提出的无线局域网(WLAN, Wireless Local Area Network)以及ITU-T提出的第三代(3G)移动通信系统UMTS/IMT-2000均有效地提高了无线通信的质量和带宽，实现了提升多媒体业务服务质量的目标。无线局域网可以弥补3G网络数据传输速率受限的不足，并与3G网络的覆盖相融合，进一步扩大运营商的业务量。

随着无线局域网带宽的增加，以及视频编码技术的发展，使得无线局域网为视频通信提供了更广阔的发展空间。但是目前，无线视频的应用依然面临许多挑战和瓶颈，如动态变化的网络结构、较高的信道差错概率、稀缺的无线资源、带宽、功率等，以及时变的传输环境。同时，无线局域网的受众手持不同设备，造成不同用户对视频质量有不同的要求。上述诸多因素给运营商提出了新的挑战，需要对用户的实际业务质量进行实时观察评估、实时改进，进一步改善视频传输质量。一个有效可行的解决方案是：根据传输质量的自动预测，及时调节编码器或者信道的参数，从而保证良好的服务质量。视频传输质量评估不仅有利于对编码器进行性能评估和优化，也有助于设计和优化符合人类视觉特性的视频显示系统，并且对运营商和设备开发商的进一步构建视频传输系统有着指导作用和积极的影响。本发明给出了一种利用无线局域网中的延时、抖动和丢包率这三种QoS参数预测视频传输质量的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法，运营商可根据此评估结果，及时调节编码器或者信道的参数，从而保证用户获得良好的服务质量。

为达到上述目的，本发明的构思如下：

在视频端到端的无线局域网通信应用中，提出了建立无线局域网QoS参数与接收端降质视频视觉质量的线性回归模型以实现视频传输质量评估。运营商可通过网络抓包工具分析传输网络中的数据包标识，例如时间戳等，从而获得无线局域网的QoS参数。在回归模型系数学习阶段，采集大量的在不同QoS无线局域网中传输的视频，接收端降质视频的平均意见分数(Mean Opinion Score，MOS)可基于发送端与接收端对应视频帧之间的PSNR值得到，PSNR值与MOS值得映射关系如表1所示：

表 1. MOS与PSNR映射表

PSNR/dB	MOS
		>37	5(Excellent)
31~37	4(Good)
		25~31	3(Fair)
20~25	2(Poor)
		<20	1(Bad)

接收端降质视频的MOS_video为：

                          

                           (1)

其中， i表示MOS值，Frame表示得到i分的帧的个数，由此式可知，视频的MOS值为各级别MOS值的加权和，权值为得到相应MOS值的帧数与总帧数之比。

将MOS_video与相对应的延时，抖动和丢包率的数据进行线性回归分析，建立如下线性回归模型：

             

          (2)

式中x_delay，x_jitter，x_{packer_loss}分别依次代表延时，抖动和丢包率，

是随机误差，?₀，?₁，?₂，?₃是回归模型系数，由最小二乘算法求解。线性回归模型的系数估计量是随机变量，利用一组抽样的样本观测值，估计得到的只是回归模型系数的一个点估计值，因此存在一个以点估计值为中心的区间，称为置信区间。每一个抽样样本的因变量（本应用中为MOS_video）与线性回归模型的预测值存在残差，残差越小越好，如果理想情况下，即完全拟合，残差为0。

在模型应用阶段，由于视频传输由于带宽波动，接收端显示能力等方面存在较大差异，因此运营商需要对回归系数在置信区间内做调整，以适合不同的使用情况。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法，具体特征在于操作步骤如下：

一、模型学习阶段：

1)    将原始无损视频进行MPEG4压缩；

2)    对MPEG4文件进行UDP封装；

3)    在UNIX环境下的NS2实验平台，搭建无线局域网；

4)    控制信道差错模型，造成不同程度的视频传输损伤；

5)    对不同损伤的视频进行质量与延时、抖动和丢包率对应关系的分析，得到回归模型；

二、测试使用阶段：

运营商通过回归模型，在获得延时、抖动和丢包率的情况下，可进行对视频传输质量的预测。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明利用延时、抖动和丢包率服务质量参数QoS与接收端降质视频视觉质量的线性回归模型，以实现视频传输质量评估。运营商可据此评估结果，及时调节编码器或信道的参数，从而保证用户获得优质服务。

附图说明

图1 仿真网络架构图。

图2 无线局域网视频传输质量评估系统框图。

图3 不同信道丢包率下的接收端视频显示效果。其中a图为视频经压缩后发送端的视频截取图像；b图是传输信道误码率参数设置为较低时候的接收端视频截取；c图是传输信道误码率参数设置为中等时候的接收端视频截取；d图是传输信道误码率参数设置为较高时候的接收端视频截取。

图4 回归模型残差图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：参见图1，利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法的具体操作步骤为：

一、模型学习阶段：

1)    将原始无损视频进行MPEG4压缩；

2)    对MPEG4文件进行UDP封装；

3)    在UNIX环境下的NS2实验平台，搭建无线局域网；

4)    控制信道差错模型，造成不同程度的视频传输损伤；

5)    对不同损伤的视频进行质量与延时、抖动和丢包率对应关系的分析，得到回归模型；

二、测试使用阶段：

运营商通过回归模型，在获得延时、抖动和丢包率的情况下，可进行对视频传输质量的预测。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述步骤2) 对MPEG4文件进行UDP封装的方法是：把视频中每一个数据量很大的画面，即每一帧Frame切割成较小的区段Segment，然后使用UDP协议传送到实际或者是仿真的网络上；对于每一个在实际网络上传输的UDP封包，将传送时间、封包的识别和封包的负载大小记录在一个传送端的记录文件Send Trace File中。

所述步骤3)和步骤4)是，在NS2上搭建WLAN传输环境，模拟视频在传输过程中受到信道差错模型影响，从而造成不同程度的视频损伤；其中采用G-E模型即是用来描述连续性遗失的模型，贴近实际。

所述步骤5)是，根据视频质量与丢包、延时和抖动的关系，建立回归模型，适用于运营商在用户面实时对视频的质量传输监控。

实施例三：本实施例更详细的介绍实施例一的具体过程：

1)        将原始的无损视频文件从YUV格式转换为MPEG4格式文件，MPEG4文件的帧率为每秒30帧，每一个GOP为9帧，I帧和P帧间有2个B帧。

2)        当视频原始数据经过压缩后，视频发送器会读取压缩后的文件，把文件中每一个数据量很大的画面，即每一帧(Frame)切割成较小的区段(Segment)，然后使用UDP协议传送到网络上。对于每一个在实际网络上传输的UDP封包，将传送时间、封包的识别和封包的负载大小记录在一个传送端的记录文件(Send Trace File)中，若是传送的网络是仿真的，这网络仿真器中的传送端需要负责把相关信息记录下来。另外视频发送器也需要把压缩文件中的每一个画面的相关信息记录在视频记录文件(Video Trace File)中，传送端记录文件和视频记录文件都会被用以做结果分析。

3)        利用NS2模拟环境搭建无线局域网，视频实现无线传输。NS2(Network Simulator 2)是一种面向对象的开源网络仿真软件，视频传输结构如附图2所示，视频文件通过发送节点传输到接收节点，中间经过无线接入点AP1和AP2。

4)        对发送端的视频做不同程度的降质，视频数据封包在无线网络上传输时，网络拥塞遗失和无线遗失会导致封包的丢失，从而造成视频不同程度的质量下降。拥塞遗失是因为网络上的数据传输量过大，导致网络设备传送不及时，使得设备中的队列缓冲空间不足，而必须将数据包丢失。分布式的封包遗失的分布情形分散且平均，而连续式是更贴近实际情况的模型。G-E模型即是常用的描述连续式遗失的模型。G-E模型是一种二态的Markov信道模型。当传输通道处于“好”状态G时，发生封包遗失的概率为；当传输通道处于“坏”状态B时，发生封包遗失的概率为P_B。P_GB表示传输通道由好变坏的概率，表示由坏变好的概率。则传输通道处于“好”和“坏”的概率分别为：

                              

                            (3)

                              

                            (4)

对于G-E模型，总的封包遗失概率为

                           

                         (5)

对上述G-E模型中

，P_B，P_GB，的不同设置即可以造成不同程度的视频传输降质。以下是对3个视频在30种不同的丢包率概率情况下所做的测试，图3为不同信道丢包率下的视频传输在视觉质量上的示意图，显示视频的视觉质量与传输指标，丢包率、延时和抖动有直接影响。

5)        对所获得的数据经回归性分析获得：

表2. 回归模型系数表

回归系数	回归系数估计值	回归系数置信区间
				-3.7050	[-5.1097，-2.3003]
	-0.2320	[-1.2618，0.7978]
				217.1322	[180.2504，254.0140]
	2.1463	[0.2780，4.0146]

即最终的回归模型为：

(6)

图4是这个回归模型的残差图，可以看出样本与所得回归模型的残差较小。本发明适用于运营商实时掌控用户的视频传输服务质量，具有实用性和可靠性。

Claims (4)

1.一种利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法，具体特征在于： 

一、模型学习阶段：

1)  将原始无损视频进行MPEG4压缩；

2)  对MPEG4文件进行UDP封装；

3)  在UNIX环境下的NS2实验平台，搭建无线局域网；

4)  控制信道差错模型，造成不同程度的视频传输损伤；

5)  对不同损伤的视频进行质量与延时、抖动和丢包率对应关系的分析，得到回归模型；

二、测试使用阶段：

运营商通过回归模型，在获得延时、抖动和丢包率的情况下，可进行对视频传输质量的预测。

2.根据权利要求1所述的利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法，其特征在于所述步骤2) 对MPEG4文件进行UDP封装的方法是：把视频中每一个数据量很大的画面，即每一帧Frame切割成较小的区段Segment，然后使用UDP协议传送到实际或者是仿真的网络上；对于每一个在实际网络上传输的UDP封包，将传送时间、封包的识别和封包的负载大小记录在一个传送端的记录文件Send Trace File中。

3.根据权利要求1所述的利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法，其特征在于所述步骤3)和步骤4)是，在NS2上搭建WLAN传输环境，模拟视频在传输过程中受到信道差错模型影响，从而造成不同程度的视频损伤；其中采用G-E模型即是用来描述连续性遗失的模型，贴近实际。

4.根据权利要求1所述的利用无线局域网服务质量参数的视频传输质量评估方法，其特征在于所述步骤5)是，根据视频质量与丢包、延时和抖动的关系，建立回归模型，适用于运营商在用户面实时对视频的质量传输监控。

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