CN103024597A - 多视点视频流多速率组播传输的最优速率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多视点视频流多速率组播传输的最优速率分配方法,其构思是:将多视点视频流传输中多速率多径路由、中继节点的网络流量控制进行了联合优化,并且在选择最佳组播传输路径和分配各视点视频流传输速率时,兼顾了视点和帧的传输顺序问题,一方面,为每个视频流寻求合适的传输网络使所有需要该视点的用户节点的失真最小化;另一方面,同时满足用户对视点的请求度和帧之间解码依赖性的需求。此外,本发明还采用拉格朗日对偶方法对原始凸优化问题进行分解并求解,既实现了资源的最优分配,又便于分布式求解。该方法能有效地利用网络的带宽资源,实现异构网络环境中所有用户整体失真最小化,为用户端提供更佳的视频质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种多视点视频流多速率组播传输的最优速率分配方法,包括分发网络的构建、用户端视点的选择、视点和帧传输优先级的计算、链路速率的分配、多路径路由以及分布式算法设计等内容。为了实现异构网络环境中用户整体失真的最小化,结合多速率多径路由和网络流量控制,在分配流量不足时选择性传输视点和视点内的帧,为每个视点寻求合适的分发网络和传输流量。
技术背景
随着技术的发展和用户对视频质量要求的提高,多视点视频组播迅速发展。由于多视点视频的数据量比传统视频大许多,如何高效编码和传输是多视点视频广泛应用的关键。交互式多视点视频组播传输是根据用户的需求传输相应的视点,可以减少传输的数据量并且满足用户对视频质量的要求。这种传输系统具有传输视点数可伸缩的特点,可以根据用户的视点需求和用户可用的网络流量来确定传输的视点数。
交互式多视点视频组播传输对视频编码方式有不同的要求,多视点视频编码不仅要实现高效压缩,而且需要满足视点随机接入。若采用传统的编码技术对每一个视点进行单独编码(simulcast encoding),虽然满足各视点随机接入,保证传输过程中的各视点任意切换,但没有消除各视点之间的冗余,编码效率不够高。多视点视频编码技术MVC(multi-view video coding)可以充分提取各视点之间的冗余,但是增加了各视点之间的解码依赖关系,无法实现视点的随机接入。采用KS-IPP预测结构的多视点视频编码技术只在视点的关键帧之间提取冗余,而每个视点的内部采用传统的编码方式,即可以提供较高的压缩效率,也可以满足视点的随机接入,保证交互式多视点视频组播传输过程中的视点任意切换。
组播技术因其能适应不同用户的需求以及时变的网络环境,成为了异构网络中视频内容分发的重要技术之一。交互式多视点视频组播传输可以根据用户的视点需求和用户可用的网络流量来灵活选择传输的视点数,这种灵活的传输方式在视频的重建质量上提供了多个接入点。在以多速率组播的方式传输多视点视频流时,由不同的IP组播组传递各个视点,每个接收节点按其不同的视点需求以及不同的链路容量加入一定数量的组播组,从而使不同的用户节点根据自身的需求和网络状况实现不同的视频质量。
现在的网络流量控制方案,往往基于架构确定的树状或网状分发网络,并且通过源点驱动进行拥塞控制,不适用于动态变化的异构网络结构。本发明对传输网络资源优化分配进行了研究,充分考虑用户对不同视点的需求程度,合理分配网络资源使网络环境中用户整体失真最小化,其中每个接收点均有多条路径可供选择。
现有的网络性能优化方案主要集中于端到端的网络资源分配,通过合理分配网络资源实现性能优化,但是这些方案主要关注整个网络吞吐量最大化或者接收的视点数量最大化,没有考虑在分配的资源不足以传输整个视点信息时如何进行选择性传输。本发明提出了一种视点和帧的传输优先级计算方法,在分配的网络资源不足时可以对视点和视点内的帧进行选择性传输。这种按照视点和帧的传输优先级来进行选择性传输的方式,有利于减小视频失真提高传输的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多视点视频流多速率组播传输的最优速率分配方法,同时在传输过程中考虑视点和帧的传输优先级,实现异构网络环境下的所有用户整体失真最小化,该传输方法能有效地利用了网络的带宽资源,为用户端提供了更佳的视频质量。
为达到上述目的,本发明的构思是:将多视点视频流传输中多速率多径路由、中继节点的网络流量控制进行了联合优化,并且在选择最佳组播传输路径和分配各视点视频流传输速率时,兼顾了视点和帧的传输顺序问题,一方面,为每个视频流寻求合适的传输网络使所有需要该视点的用户节点的失真最小化;另一方面,同时满足用户对视点的请求度和帧之间解码依赖性的需求,此外,本发明还采用拉格朗日对偶方法对原始凸优化问题进行分解并求解,既实现了资源的最优分配,又便于分布式求解。
一种多视点视频流多速率组播传输的最优速率分配方法,其特征在于根据上述发明构思,采用下述步骤实现异构网络环境中所有用户整体失真最小化,其步骤如下:
第一,将多视点视频流传输中的多速率多径路由、中继节点的网络流量控制进行联合优化;
第二,在选择最佳组播传输路径和分配各视点视频流传输速率时,兼顾视点和帧的传输优先级顺序,不仅为每个视频流寻求传输网络使所有需要该视点的用户节点的失真最小化,而且满足网络环境中所有用户对视点的请求度和帧之间解码依赖性的需求;
第三,采用分布式的速率分配算法,即采用拉格朗日对偶方法对原始凸优化问题进行分解和求解,既实现了资源的最优分配,又便于分布式求解;
上述第一步骤中的联合优化是:网络中每个接收节点在接收需要的视频流时,同时选用多条路由路径,基于这些路径,合理分配网络资源给各个视点,进一步提高网络的吞吐量;
上述第二步骤中的兼顾视点和帧的传输优先级顺序是:确定视点和帧的传输优先级计算方法,在选择路由和进行网络流量分配时,传输优先级较高的视点分配的网络流量较多,每个视点分配的网络流量首先用于传输优先级比较高的帧;
上述第三步骤中的分布式的速率分配算法是:利用拉格朗日对偶方法,对原始凸优化问题进行分解和求解,允许每个网络节点和每条链路利用本地局部信息进行速率的动态调整和更新,以分布式方式实现链路传输速率的全局最优化分配;以网络中所有用户整体失真最小化为目标函数,以链路容量限制、视点编码速率限制等为约束函数,建立多视点视频流多速率组播传输的资源分配凸优化数学模型,具体方法如下:
1.网络模型的建立
将网络抽象为有向图 ,其中是节点的集合,分为源节点集合、中间节点集合和接收节点集合,是节点之间链路的集合;对于每条链路对应有限的传输带宽;假定一个多视点视频包含个视点,每一个视点的编码速率为;假设从源节点到每个接收节点均有多条传输路径,表示接收节点在接收第个视点数据时,第条路径上分配的网络流量大小;矩阵表示链路和接收节点的传输路径之间的关系,其中的元素表示链路包含于接收节点的第条传输路径中,表示链路没有包含在接收节点的第条传输路径中;
2. 视点和帧的传输优先级的计算
在用户端,显示设备周期性检测用户的位置,假定用户端和视点的视角夹角为,用户端对视点的需求度为,其计算方式为:,设置用户端视点的选择阈值为,若视点的需求度大于视点选择阈值,则用户端选择该视点,并向存储多视点视频数据的服务器发送该视点请求,否则用户端不选择该视点,不向服务器发送该视点请求,服务器收集所有用户的视点请求信息,并以此计算每个视点的传输优先级,即传输网络中所有用户对视点的需求度之和作为视点的传输优先级,其表达式为: ;
多视点视频中帧的传输优先级由该帧所在视点的传输优先级和该帧的类型确定,多视点视频编码KS-IPP结构中包含不同类型的帧,其具体如下:帧、帧、帧、帧、帧,每一类帧丢失均导致一部分帧不能正常解码,若帧或者帧丢失,则帧或者帧所在的视点和该视点外解码依赖帧或者帧的其他视点均不能正常解码,若帧丢失,则该帧所在视点内除 帧均不能正常解码,若帧丢失,则该帧的相邻帧不能正常解码,帧丢失不影响其他帧的正常解码,因此,设视点中的第个帧丢失所引起的不能正常解码的帧集合,其表达式为:
当在编码帧时以其他帧为参考帧,其他帧的编码均不依赖于帧,则在每个视点内帧的传输优先级是最小的,帧的传输优先级是计算其他帧的传输优先级的基础,在每个视点中,设所有帧的传输优先级之和等于该视点的传输优先级,其计算表达式为:
在多视点视频编码KS-IPP结构中,每个视点的关键帧帧或者帧采用视点内编码和视点间编码的方式,在计算帧或者帧的传输优先级时还要考虑视点间编码,一个帧或者帧的传输优先级可以表示为该帧丢失而不能正常解码的所有关键帧的传输优先级之和,即集合中关键帧的传输优先级之和:
根据视点和帧的传输优先级,若在一个用户端的可用网络流量不足以传输所有选择的视点时,则按照传输优先级从高到低的顺序传输视点;若可用网络流量不足以传输一个视点中所有的帧,则按照传输优先级从高到低的顺序传输视点内的帧,这样可以提高用户端接收的视频质量,
3.建立凸优化数学模型
目标问题P: min
约束条件:
约束条件:
1) 规定每条链路上的实际网络流量消耗量小于等于该链路的传输容量;
2) 对应于各个接收节点,用于接收每个视点的网络流量小于等于该视点的编码码率;
3) 规定各个接收节点在每条路径上的网络流量必须大于等于零;
4. 对原始凸优化问题分布式求解
约束条件:
步骤1:定义拉格朗日对偶:
在以上更新过程中,可视为拥塞代价,当总需求逼近可提供的网络流量上限时,上升;反之,下降,定义为满足目标问题P1中约束条件的最优化拉格朗日乘子,是第条链路上总的拥塞代价,所有更新过程可以分布式实现,每条链路、每个节点只需要局部信息,就可完成更新。
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优点:本发明提供了一种分布式的速率分配算法,有效地利用了网络的带宽资源,提高了网络整体吞吐量,并且提出视点和帧的传输优先级计算方式,在分配的网络资源不足以传输所有请求的视点时,可以选择性的传输优先级比较高的视点,同时若分配的网络资源不足以传输视点内所有的数据时,可以按照帧的传输优先级进行选择,实现异构网络环境中用户整体失真的最小化,为用户端提供更佳的视频质量。
附图说明
图1是本发明的方法总流程图;
图2是传输网络拓扑结构;
图3是凸优化算法模块子流程图;
图4是视点编码顺序的影响;
图5是随着视点数的增加系统占用的带宽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:
多视点视频流多速率组播传输的最优速率分配方法,其特征在于采用下述步骤实现异构网络环境中所有用户失真的最小化:将多视点视频流传输中的多速率多径路由、中继节点的网络流量控制进行联合优化;对于每一个视点在选择最佳组播传输路径和分配各视点视频流传输速率时,兼顾视点和帧的传输顺序问题,一方面,为每个视频流寻求传输网络使所有需要该视点的用户节点的失真最小化;另一方面,满足网络环境中所有用户对视点的请求度和帧之间解码依赖性的需求;采用分布式的速率分配算法,既实现了资源的最优分配,又便于分布式求解。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行试验,如图1所示,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,主要包括传输网络拓扑结构设定、视点和帧的传输优先级的计算、建立凸优化问题模型、优化问题的分布式求解算法介绍、算法的执行过程以及性能分析。
1、网络拓扑结构的设定
本发明对图2所示的网络结构进行实例分析。图中、和分别代表源节点、中间节点和接收节点。假设多视点视频流中包含三个是视点,视点的分辨率均为640*480,视频的帧率为且,每个的大小为16。图中,每个接收节点均有四条可选用的路径,每条路径的有不同的传输容量。
2. 视点和帧的传输优先级的计算
在用户端,显示设备周期性检测用户的位置,假定用户端和视点的视角夹角为,用户端对视点的需求度为,其计算方式为:,设置用户端视点的选择阈值为,若视点的需求度大于视点选择阈值,则用户端选择该视点,并向存储多视点视频数据的服务器发送该视点请求,否则用户端不选择该视点,不向服务器发送该视点请求。服务器收集所有用户的视点请求信息,并以此计算每个视点的传输优先级,即传输网络中所有用户对视点的需求度之和作为视点的传输优先级,其表达式为: ;
多视点视频中帧的传输优先级由该帧所在视点的传输优先级和该帧的类型确定,多视点视频编码KS-IPP结构中包含不同类型的帧,其具体如下:帧、帧、帧、帧、帧,每一类帧丢失均导致一部分帧不能正常解码,若帧或者帧丢失,则帧或者帧所在的视点和该视点外解码依赖帧或者帧的其他视点均不能正常解码,若帧丢失,则该帧所在视点内除 帧均不能正常解码,若帧丢失,则该帧的相邻帧不能正常解码,帧丢失不影响其他帧的正常解码,因此,设视点中的第个帧丢失所引起的不能正常解码的帧集合,其表达式为:
当在编码帧时以其他帧为参考帧,其他帧的编码均不依赖于帧,则在每个视点内帧的传输优先级是最小的,帧的传输优先级是计算其他帧的传输优先级的基础。在每个视点中,设所有帧的传输优先级之和等于该视点的传输优先级,其计算表达式为:
在多视点视频编码KS-IPP结构中,每个视点的关键帧帧或者帧采用视点内编码和视点间编码的方式,在计算帧或者帧的传输优先级时还要考虑视点间编码,一个帧或者帧的传输优先级可以表示为该帧丢失而不能正常解码的所有关键帧的传输优先级之和,即集合中关键帧的传输优先级之和:
根据视点和帧的传输优先级,若在一个用户端的可用网络流量不足以传输所有选择的视点时,则按照传输优先级从高到低的顺序传输视点;若可用网络流量不足以传输一个视点中所有的帧,则按照传输优先级从高到低的顺序传输视点内的帧,这样可以提高用户端接收的视频质量,
3、建立基于以上网络的凸优化计算方法
将网络抽象为有向图,其中是节点的集合,分为源节点集合、中间节点集合和接收节点集合,是节点之间链路的集合;对于每条链路均对应有限的传输带宽;假定一个多视点视频包含个视点,每一个视点的编码速率为;假设从源节点到每个接收节点均有多条传输路径,表示接收节点在接收第个视点数据时,第条路径上分配的网络流量大小;矩阵表示链路和接收节点的传输路径之间的关系,其中的元素表示链路包含于接收节点的第条传输路径中,表示链路没有包含在接收节点的第条传输路径中;原始凸优化问题可利用分布式求解的方法进行求解:
约束条件:
约束条件:
1) 规定每条链路上的实际网络流量消耗量小于等于该链路的传输容量;
2) 对应于各个接收节点,用于接收每个视点的网络流量小于等于该视点的编码码率;
3) 规定各个接收节点在每条路径上的网络流量必须大于等于零;
4. 对原始凸优化问题分布式求解
约束条件:
步骤1:定义拉格朗日对偶:
在以上更新过程中,可视为拥塞代价,当总需求逼近可提供的网络流量上限时,上升;反之,下降,定义为满足目标问题P1中约束条件的最优化拉格朗日乘子,是第条链路上总的拥塞代价,所有更新过程可以分布式实现,每条链路、每个节点只需要局部信息,就可完成更新。
5、分布式凸优化算法的执行,如图3所示,
(b) 凸优化问题求解的执行
① 接收到总的网络拥塞代价值;
6. 采用上述算法后进行性能分析,实现多视点视频组播传输最优化
① 视点编码顺序的影响
图4是给出了多视点视频预测结构KS-IPP采用不同的视点编码顺序对传输质量的影响示意图,假设每个用户节点的视点请求度顺序为,且根据视点编码顺序的确定方法在KS-IPP结构中的编码顺序为,按照用户的请求状况对视点进行编码,可以保证大部分用户所需求的数据有较高的传输优先级,在网络流量有限的状况下优先传输需要的数据,且减少了传输参考的关键帧的数据量,可以看出,采用的编码结构时视频效果最好,采用的编码结构时视频效果最差;
② 随着视点数的增加系统占用的带宽
图5给出了在网络带宽状况充足的情况下随着视点数的增加系统所占用的带宽。在网络带宽状况充足的情况下,随着传输的视点数从一个增加到四个,采用MVC编码占用的带宽最小,每个视点单独编码时占用的带宽最多,图中的结果表明了三种编码方式的编码效率。
Claims (1)
1.一种多视点视频流多速率组播传输的最优速率分配方法,其特征在于根据上述发明构思,采用下述步骤实现异构网络环境中所有用户整体失真最小化,其步骤如下:
第一,将多视点视频流传输中的多速率多径路由、中继节点的网络流量控制进行联合优化;
第二,在选择最佳组播传输路径和分配各视点视频流传输速率时,兼顾视点和帧的传输优先级顺序,不仅为每个视频流寻求传输网络使所有需要该视点的用户节点的失真最小化,而且满足网络环境中所有用户对视点的请求度和帧之间解码依赖性的需求;
第三,采用分布式的速率分配算法,即采用拉格朗日对偶方法对原始凸优化问题进行分解和求解,既实现了资源的最优分配,又便于分布式求解;
上述第一步骤中的联合优化是:网络中每个接收节点在接收需要的视频流时,同时选用多条路由路径;基于这些路径,合理分配网络资源给各个视点,进一步提高网络的吞吐量;
上述第二步骤中的兼顾视点和帧的传输优先级顺序是:确定视点和帧的传输优先级计算方法,在选择路由和进行网络流量分配时,传输优先级较高的视点分配的网络流量较多,每个视点分配的网络流量首先用于传输优先级比较高的帧;
上述第三步骤中的分布式的速率分配算法是:利用拉格朗日对偶方法,对原始凸优化问题进行分解和求解,允许每个网络节点和每条链路利用本地局部信息进行速率的动态调整和更新,以分布式方式实现链路传输速率的全局最优化分配;以网络中所有用户整体失真最小化为目标函数,以链路容量限制、视点编码速率限制等为约束函数,建立多视点视频流多速率组播传输的资源分配凸优化数学模型;具体方法如下:
1.网络模型的建立
将网络抽象为有向图 ,其中是节点的集合,分为源节点集合、中间节点集合和接收节点集合,是节点之间链路的集合;对于每条链路对应有限的传输带宽;假定一个多视点视频包含个视点,每一个视点的编码速率为;假设从源节点到每个接收节点均有多条传输路径,表示接收节点在接收第个视点数据时,第条路径上分配的网络流量大小;矩阵表示链路和接收节点的传输路径之间的关系,其中的元素表示链路包含于接收节点的第条传输路径中,表示链路没有包含在接收节点的第条传输路径中;
2. 视点和帧的传输优先级的计算
在用户端,显示设备周期性检测用户的位置,假定用户端和视点的视角夹角为,用户端对视点的需求度为,其计算方式为:,设置用户端视点的选择阈值为,若视点的需求度大于视点选择阈值,则用户端选择该视点,并向存储多视点视频数据的服务器发送该视点请求,否则用户端不选择该视点,不向服务器发送该视点请求,服务器收集所有用户的视点请求信息,并以此计算每个视点的传输优先级,即传输网络中所有用户对视点的需求度之和作为视点的传输优先级,其表达式为: ;
在多视点视频编码KS-IPP结构中,视点的编码顺序按视点的传输优先级确定,将传输优先级最高的视点作为第一个视点,并根据视点传输优先级从高到低的顺序依次确定其他视点在KS-IPP编码结构中的顺序,
多视点视频中帧的传输优先级由该帧所在视点的传输优先级和该帧的类型确定,多视点视频编码KS-IPP结构中包含不同类型的帧,其具体如下:帧、帧、帧、帧、帧,每一类帧丢失均导致一部分帧不能正常解码,若帧或者帧丢失,则帧或者帧所在的视点和该视点外解码依赖帧或者帧的其他视点均不能正常解码,若帧丢失,则该帧所在视点内除 帧均不能正常解码,若帧丢失,则该帧的相邻帧不能正常解码,帧丢失不影响其他帧的正常解码,因此,设视点中的第个帧丢失所引起的不能正常解码的帧集合,其表达式为:
当在编码帧时以其他帧为参考帧,其他帧的编码均不依赖于帧,则在每个视点内帧的传输优先级是最小的,帧的传输优先级是计算其他帧的传输优先级的基础,在每个视点中,设所有帧的传输优先级之和等于该视点的传输优先级,其计算表达式为:
在多视点视频编码KS-IPP结构中,每个视点的关键帧帧或者帧采用视点内编码和视点间编码的方式,在计算帧或者帧的传输优先级时还要考虑视点间编码,一个帧或者帧的传输优先级可以表示为该帧丢失而不能正常解码的所有关键帧的传输优先级之和,即集合中关键帧的传输优先级之和:
根据视点和帧的传输优先级,若在一个用户端的可用网络流量不足以传输所有选择的视点时,则按照传输优先级从高到低的顺序传输视点;若可用网络流量不足以传输一个视点中所有的帧,则按照传输优先级从高到低的顺序传输视点内的帧,这样可以提高用户端接收的视频质量,
3.建立凸优化数学模型
约束条件:
约束条件:
1) 规定每条链路上的实际网络流量消耗量小于等于该链路的传输容量;
2) 对应于各个接收节点,用于接收每个视点的网络流量小于等于该视点的编码码率;
3) 规定各个接收节点在每条路径上的网络流量必须大于等于零;
4. 对原始凸优化问题分布式求解
约束条件:
步骤1:定义拉格朗日对偶:
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