CN102843579A - 图像质量自适应的无线视频分发方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线视频传输领域的一种图像质量自适应的无线视频分发方法与系统。技术方案是，根据各终端对业务数据的请求情况，利用业务的时延特性，通过延迟容忍机制实现视频业务的无线分发。通过不等码率的预编码对分层编码后重要性不同的数据组进行不等差错保护，进而采用喷泉编码使得各终端接收到一定的数据后视频图像质量可自适应用户需求与链路质量。本发明通过对同类视频业务的聚合与分发，提升无线网络容量，解决复杂多变电磁环境与用户不同需求造成的广播传输难以适应信道条件与各异的用户需求这一难题，实现图像质量自适应信道与用户需求的无线视频分发，最终提升网络对多媒体业务的承载能力及用户满意度。

Description

图像质量自适应的无线视频分发方法与系统

技术领域

本发明涉及无线视频传输领域，尤其涉及一种图像质量自适应的无线视频分发方法与系统。

背景技术

广播是无线通信区别于有线通信独有的特质。对视频业务进行广播传输，可在无线环境下提供点到多点单一视频服务机制，使得无线资源消耗与用户数的增长无关。在宽带移动通信中，通信网络中的节点众多，业务需求趋同。视频业务的无线广播传输技术将有广阔的应用前景。本发明提出一种结合延时容忍机制的点播视频业务的无线广播/单播分发系统，根据不同无线终端对同一业务不同时间范围内的需求，以及用户的业务请求及其延时容忍特性，通过广播传输满足尽可能多的用户需求。

由于电磁传播条件恶劣，加之通信节点往往具有较强的机动性且其所处环境不同，造成了各终端间的信道条件差异巨大。另一方面，在用户需求上，受无线终端硬件条件（如屏幕分辨率）等的约束，各终端对视频质量的需求也存在差异。传统的无线视频广播系统的编、解码技术没有考虑各终端所对应的信道实际情况及各终端的用户需求，只是根据满足最坏信道条件的终端接收及最高用户需求来进行设计，制约了广播通信系统的效率。本发明提出的一种图像自适应信道质量与用户需求的方法，利用视频信源的分层编码技术，通过不等差错保护方法进行喷泉编码，在接收端解码时实现接收视频质量自适应终端所对应的信道条件与用户需求。

发明内容

针对背景技术中提到的传统无线视频广播系统，在广播通信效率、通信质量和用户需求方面存在的不足，本发明提出了一种图像质量自适应的无线视频分发方法与系统。

一种图像质量自适应的无线视频分发系统，其特征在于，所述系统包括宽带无线网络、协同分发服务器、分发点和无线终端；

其中，所述宽带无线网络、协同分发服务器和分发点顺次连接；

所述分发点与无线终端通过无线信号连接，用于接收各无线终端的业务请求，并将业务请求输出至协同分发服务器；

所述协同分发服务器包括质量自适应视频编码单元、视频业务接入点、延时容忍控制单元、视频业务下发单元、视频业务请求单元、动态资源分配单元和网络状态反馈单元；所述质量自适应视频编码单元分别与所述视频业务接入点、延时容忍控制单元和视频业务下发单元连接，用于对图像质量自适应无线信道与用户需求的视频编码；所述视频业务接入点分别与所述宽带无线网络、质量自适应视频编码单元、延时容忍控制单元和视频业务请求单元和分发点连接，用于获取宽带无线网络上的视频数据和各无线终端视频请求的信令文件包；所述延时容忍控制单元分别与所述质量自适应视频编码单元、视频业务接入点、延时容忍控制单元、视频业务下发单元、视频业务请求单元和动态资源分配单元连接，用于获取各无线终端的视频业务请求的到达情况，进行业务的广播/单播传输模式的选择；所述视频业务下发单元分别与所述分发点、质量自适应视频编码单元和延时容忍控制单元连接，用于视频的单播/多播传输；所述视频业务请求单元分别与所述视频业务接入点和延时容忍控制单元连接；所述动态资源分配单元分别与所述延时容忍控制单元和网络状态反馈单元连接，用于对无线终端所请求的视频业务的频点、时隙和时长进行动态分配，并将分配结果输出至延时容忍控制单元；所述网络状态反馈单与所述动态资源分配单元连接，用于监控整个网络时间、频率和空间资源的利用情况。

一种图像质量自适应的无线视频分发方法包括以下步骤：

步骤1：在协同分发服务器控制下开启图像质量自适应无线信道及用户需求的无线视频分发服务；

步骤2：用户根据自己的业务需求，发起视频业务请求；

步骤3：分发点接收各无线终端的业务请求，并输出至协同分发服务器；协同分发服务器解析各无线终端的业务请求，从宽带无线网络获取无线终端所需视频业务；

步骤4：协同分发服务器在资源动态分配基础上进行图像质量自适应的视频编码；

步骤5：协同分发服务器根据业务的时延特性，延时容忍控制单元判断是否开启延时容忍模式；若是，则在指定的延时容时限内等待其他无线终端请求同一视频业务；否，则执行步骤6；

步骤6：视频业务下发单元判断是否需要以广播模式分发数据；若是，则在指定的频点、时隙和时长进行视频业务广播；否，则在指定的频点、时隙和时长向指定终端进行视频业务单播传输；

步骤7：结束视频业务分发。

所述图像质量自适应的视频编码方法包括以下步骤：

步骤a：获取原始输入视频；

步骤b：采用分层编码，对于任意一个多媒体视频/图像编码数据获得k+1组不同重要性的分层数据w₀,w₁,…,w_k，其重要性依次序递减；

步骤c：采用不同码率的预编码（r₀,r₁,…,r_k）对重要性不等的各层信息分别进行保护，实现对分层数据的不等差错保护；其中，码率r₀,r₁,…,r_k应满足r₀≤r₁≤…≤r_k，即码率随着重要性的减小而递增，具体按照式（1）计算获得：

$\begin{array}{c}\underset{r_i(1\≤i\≤k)}{\max }\mathrm{AVG}(r_0,...,r_k)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}S(p_j,r_i)\\ s.t.\left\{\begin{array}{c}{r}_0\≤r_1\≤...\≤r_k\\ {\mathrm{\ϵ}}^{*}(r_0,...,r_k,\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\ϵ}}_0^{*}\end{array}\right.\end{array}---\left(1\right)$

其中，AVG代表平均码率；N代表无线终端的个数；k代表重要性不等的信息的层数；函数S(p_j,r_i)表示预编码码率为r_i在丢包率为p_j下的恢复能力，恢复成功为1，失败为0，且整个信道编码冗余ε^*(r₀,…,r_k,ε)通过式（2）计算获得；

${\mathrm{\ϵ}}^{*}(r_0,...,r_k,\mathrm{\ϵ})=\frac{(1+\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k\frac{w_i}{r_i}-{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k{w}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k{w}_i}---\left(2\right)$

步骤d：对预编码后的数据进行喷泉编码；

步骤e：结束编码。

本发明的有益效果是，通过具有延时容忍机制的广播/单播分发传输大幅提升无线频谱资源利用率，并有效地解决基于业务、用户需求以及无线信道状态的信源信道协同广播传输，提高终端用户的满意度。

附图说明

图 1 是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统结构图；

图 2是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统的无线视频分发流程图；

图 3是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统的编码方法流程图；

图 4 是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统的无线终端的客户端软件解码和播放流程图；

图 5是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统具有不等差错保护的预编码原理示意图；

图 6是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统视频业务下发单元时隙分配示意图；

图 7是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统的性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统结构图。图1中，一种图像质量自适应的无线视频分发系统，所述系统包括宽带无线网络、协同分发服务器、分发点和无线终端；

其中，所述宽带无线网络、协同分发服务器和分发点顺次连接；

所述分发点与无线终端通过无线信号连接，用于接收各无线终端的业务请求，并将业务请求输出至协同分发服务器；

所述协同分发服务器包括质量自适应视频编码单元、视频业务接入点、延时容忍控制单元、视频业务下发单元、视频业务请求单元、动态资源分配单元和网络状态反馈单元；所述质量自适应视频编码单元分别与所述视频业务接入点、延时容忍控制单元和视频业务下发单元连接，用于对图像质量自适应无线信道与用户需求的视频编码；所述视频业务接入点分别与所述宽带无线网络、质量自适应视频编码单元、延时容忍控制单元和视频业务请求单元和分发点连接，用于获取宽带无线网络上的视频数据和各无线终端视频请求的信令文件包；所述延时容忍控制单元分别与所述质量自适应视频编码单元、视频业务接入点、延时容忍控制单元、视频业务下发单元、视频业务请求单元和动态资源分配单元连接，用于获取各无线终端的视频业务请求的到达情况，进行业务的广播/单播传输模式的选择；所述视频业务下发单元分别与所述分发点、质量自适应视频编码单元和延时容忍控制单元连接，用于视频的单播/多播传输；所述视频业务请求单元分别与所述视频业务接入点和延时容忍控制单元连接；所述动态资源分配单元分别与所述延时容忍控制单元和网络状态反馈单元连接，用于对无线终端所请求的视频业务的频点、时隙和时长进行动态分配，并将分配结果输出至延时容忍控制单元；所述网络状态反馈单与所述动态资源分配单元连接，用于监控整个网络时间、频率和空间资源的利用情况。

图 2是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统的无线视频分发流程图。图2中，一种图像质量自适应的无线视频分发方法包括以下步骤：

步骤201：在协同分发服务器控制下开启图像质量自适应无线信道及用户需求的无线视频分发服务；

步骤202：用户根据自己的业务需求，发起视频业务请求；

步骤203：分发点接收各无线终端的业务请求，并输出至协同分发服务器；协同分发服务器解析各无线终端的业务请求，从宽带无线网络获取无线终端所需视频业务；

步骤204：协同分发服务器进行图像质量自适应的视频编码；

步骤205：协同分发服务器根据业务的时延特性，延时容忍控制单元判断是否开启延时容忍模式；若是，则在指定的延时容时限内等待其他无线终端请求同一视频业务；否，则执行步骤206；

步骤206：视频业务下发单元判断是否需要以广播模式分发数据；若是，则在指定的频点、时隙和时长进行视频业务广播；否，则在指定的频点、时隙和时长向指定终端进行视频业务单播传输；

步骤207：结束视频业务分发。

图 3是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统的编码方法流程图。图3中，针对广播信道下各终端对应不同信道环境所带来的信道质量差异，为了满足不同终端用户的信息需求，本视频编码单元实现图像质量自适应信道质量与用户需求的编码技术，主要包括以下步骤：

步骤301：获取原始输入视频；视频格式可以是AVI格式、MP4格式；本发明不局限于所提供的格式；

步骤302：分层编码根据多媒体信息重要性的不同依次进行分组，为不等差错保护提供具体内容。通过视频分层编码技术，对于任意一个多媒体视频/图像编码数据，可获得k+1组不同重要性的分层数据w₀,w₁,…,w_k，其重要性依次序递减。本发明可采用H.264 SVC的分层编码，但不局限于所提供的分层编码技术；

步骤303：具有不等差错保护预编码对分层编码后重要性不同的数据进行抗差错能力不等的保护，从而使得重要的信息抗差错能力强，不重要的信息抗差错能力弱。采用不同码率的预编码（r₀,r₁,…,r_k）对重要性不等的各层信息分别进行保护，实现对分层数据的不等差错保护。其中，各码率应满足r₀≤r₁≤…≤r_k，即码率随着数据重要性的减小而递增；

步骤304：为了满足用户能够获得更好的解码成功率，从接收到的任意多个包中解码出相应的信息来，需要对预编码后的数据进行喷泉编码；

步骤305：结束编码。

图 4 是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统的无线终端的客户端软件解码和播放流程图。图4中，客户端软件解码和播放流程包括以下步骤：

步骤401：无线终端请求相应的视频点播业务；

步骤402：无线终端接收无线广播/单播数据；

步骤403：无线终端对接收视频数据进行喷泉解码；

步骤404：无线终端根据用户具体需求（例如，视频分辨率、帧率），选择对全部或部分重要性高的接收数据进行分层解码，获得质量不同的视频图像；

步骤405：无线终端在显示器上播放视频；

步骤406：结束整个视频点播业务。

图 5是本发明提供的一种图像质量自适应的无线视频分发系统具有不等差错保护的预编码原理示意图。通过采用不同码率的预编码（r₀,r₁,…,r_k）对重要性不等的各层信息分别进行保护，实现对分层数据的不等差错保护。其中，码率应满足r₀≤r₁≤…≤r_k，即码率随着数据重要性的减小而递增。预编码的码率的设计可等效为解下述优化问题。假设有N个用户，其丢包率分别为p₁≤p₂≤…≤p_N。则系统总冗余的计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}^{*}(r_0,...,r_k,\mathrm{\ϵ})=\frac{(1+\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k\frac{w_i}{r_i}-{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k{w}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k{w}_i}$

由于系统的广播带宽限制，同时保证实时性要求，只能添加比例为

的冗余保护信息。而在有限的带宽条件下，可通过下式计算获得预编码的码率：

$\begin{array}{c}\underset{r_i(1\≤i\≤k)}{\max }\mathrm{AVG}(r_0,...,r_k)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}S(p_j,r_i)\\ s.t.\left\{\begin{array}{c}{r}_0\≤r_1\≤...\≤r_k\\ {\mathrm{\ϵ}}^{*}(r_0,...,r_k,\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\ϵ}}_0^{*}\end{array}\right.\end{array}$

其中，AVG代表平均码率；N代表无线终端的个数；k代表重要性不等的信息的层数；函数S(p_j,r_i)表示预编码码率为r_i在丢包率为p_j下的恢复能力（恢复成功为1，失败为0）。通过简单的穷举算法，我们能够得到在约束下的最大化用户满意度的码率分配结果。下表给出了等差错保护下与不等差错保护下的一个具体的码率分配方案：

表1 一种码率分配方案

r0

r1

r2

r3

r4

ε

等差错保护

127/255

191/255

223/255

239/255

247/255

12/510

不等差错保护

217/255

217/255

217/255

217/255

217/255

12/510

为了使用户能够从接收到的任意多个包中解码出相应的信息来，需要对预编码后的数据进行喷泉编码。本发明适用于任意纠删码，不局限于喷泉编码。

图 6为协同分发服务器中视频业务下发单元时隙分配示意图。本实例实施过程中，每一时间帧被划分为：分发时隙与接入时隙。在分发时隙，将不同的数据流广播/单播传输给用户，对需广播/单播的视频数据采用UDP/IP/802.11 MAC进行数据封装后，然后下发至分发点进行视频数据流的广播/单播分发；在接入时隙，暂停数据流分发，等待视频业务的接入。

图 7给出本发明中的图像质量自适应的无线视频分发系统性能比较图。可以看出，相对于传统方案，引入分层编码与不等差错保护后的延时容忍分发传输可提高网络传输效率。相对于传统方案，分层编码与不等差错保护能够在各种不同的信道条件下极大地降低用户终端解码失败的比例。尤其终端3在非常恶劣的信道条件下，仍然能够在较低的分辨率下获得流畅的视频流（中断率为16.72%），而传统方案会造成极大的中断(中断率为89.23%)导致基本不能观看，用户满意度很差。

为了更具体地说明本发明的实施流程，现以实例来详细说明本发明的使用场合以及实现流程。

假设一位用户想观看“当日新闻联播”的视频，该用户在无线终端上已安装了本发明的软件客户端。

首先，该用户使用无线终端通过客户端软件登录到无线网络中，并点播“当日新闻联播”视频。

之后，协同分发服务器通过分发点获得该终端关于“当日新闻联播”视频的业务请求，然后从网络中获取相应的“当日新闻联播”视频，进行质量自适应的视频编码。

同时，协同分发服务器根据该业务的延时容忍特性等待其他终端请求相同的“当日新闻联播”视频业务。若在延时容忍时限内，无其他终端请求相同业务，则协同分发服务器触发分发点向该终端单播传输“当日新闻联播”视频；若在延时容忍时限内，有其他终端加入并请求相同业务，则协同分发服务器触发分发点向该无线网络广播 “当日新闻联播”视频。

无线终端在收到“当日新闻联播”的视频的数据后，根据用户终端屏幕分辨率的具体需求，对其需要的分组视频数据进行解码，并在客户端软件上播放“当日新闻联播”视频。

以上所述，仅为本方面较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种图像质量自适应的无线视频分发系统，其特征在于，所述系统包括宽带无线网络、协同分发服务器、分发点和无线终端；

其中，所述宽带无线网络、协同分发服务器和分发点顺次连接；

所述分发点与无线终端通过无线信号连接，用于接收各无线终端的业务请求，并将业务请求输出至协同分发服务器；

所述协同分发服务器包括质量自适应视频编码单元、视频业务接入点、延时容忍控制单元、视频业务下发单元、视频业务请求单元、动态资源分配单元和网络状态反馈单元；所述质量自适应视频编码单元分别与所述视频业务接入点、延时容忍控制单元和视频业务下发单元连接，用于对图像质量自适应无线信道与用户需求的视频编码；所述视频业务接入点分别与所述宽带无线网络、质量自适应视频编码单元、延时容忍控制单元和视频业务请求单元和分发点连接，用于获取宽带无线网络上的视频数据和各无线终端视频请求的信令文件包；所述延时容忍控制单元分别与所述质量自适应视频编码单元、视频业务接入点、延时容忍控制单元、视频业务下发单元、视频业务请求单元和动态资源分配单元连接，用于获取各无线终端的视频业务请求的到达情况，进行业务的广播/单播传输模式的选择；所述视频业务下发单元分别与所述分发点、质量自适应视频编码单元和延时容忍控制单元连接，用于视频的单播/多播传输；所述视频业务请求单元分别与所述视频业务接入点和延时容忍控制单元连接；所述动态资源分配单元分别与所述延时容忍控制单元和网络状态反馈单元连接，用于对无线终端所请求的视频业务的频点、时隙和时长进行动态分配，并将分配结果输出至延时容忍控制单元；所述网络状态反馈单与所述动态资源分配单元连接，用于监控整个网络时间、频率和空间资源的利用情况。

2.一种图像质量自适应的无线视频分发方法包括以下步骤：

步骤1：在协同分发服务器控制下开启图像质量自适应无线信道及用户需求的无线视频分发服务；

步骤2：用户根据自己的业务需求，发起视频业务请求；

步骤3：分发点接收各无线终端的业务请求，并输出至协同分发服务器；协同分发服务器解析各无线终端的业务请求，从宽带无线网络获取无线终端所需视频业务；

步骤4：协同分发服务器进行图像质量自适应的视频编码；

步骤5：协同分发服务器根据业务的时延特性，延时容忍控制单元判断是否开启延时容忍模式；若是，则在指定的延时容时限内等待其他无线终端请求同一视频业务；否，则执行步骤6；

步骤6：视频业务下发单元判断是否需要以广播模式分发数据；若是，则在指定的频点、时隙和时长进行视频业务广播；否，则在指定的频点、时隙和时长向指定无线终端进行视频业务单播传输；

步骤7：结束视频业务分发。

3.根据权利要求2所述的一种图像质量自适应的无线视频分发方法，其特征在于，所述图像质量自适应的视频编码方法包括以下步骤：

步骤a：获取原始输入视频；

步骤b：采用分层编码，对于任意一个多媒体视频/图像编码数据获得k+1组不同重要性的分层数据w₀,w₁,…,w_k，其重要性依次序递减；

步骤c：采用不同码率的预编码r₀,r₁,…,r_k对重要性不等的各层信息分别进行保护，实现对分层数据的不等差错保护；其中，码率r₀,r₁,…,r_k应满足r₀≤r₁≤…≤r_k，即码率随着重要性的减小而递增，具体按照式（1）计算获得：

$\begin{array}{c}\underset{r_i(1\≤i\≤k)}{\max }\mathrm{AVG}(r_0,...,r_k)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}S(p_j,r_i)\\ s.t.\left\{\begin{array}{c}{r}_0\≤r_1\≤...\≤r_k\\ {\mathrm{\ϵ}}^{*}(r_0,...,r_k,\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\ϵ}}_0^{*}\end{array}\right.\end{array}---\left(1\right)$

其中，AVG代表平均码率；N代表无线终端的个数；k代表重要性不等的信息的层数；函数S(p_j,r_i)表示预编码码率为r_i在丢包率为p_j下的恢复能力，恢复成功为1，失败为0，且整个信道编码冗余ε^*(r₀,…,r_k,ε)通过式（2）计算获得；

${\mathrm{\ϵ}}^{*}(r_0,...,r_k,\mathrm{\ϵ})=\frac{(1+\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k\frac{w_i}{r_i}-{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k{w}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^k{w}_i}---\left(2\right)$

步骤d：对预编码后的数据进行喷泉编码；

步骤e：结束编码。

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