CN1285691A - 根据网络带宽自适应地控制数据传输速率的装置 - Google Patents

Abstract

一种根据经时变化的网络带宽自适应地控制图像数据的传输速率的装置,包括:图像压缩器,按照预定量化级量化输入的图像数据并压缩量化图像数据;发送器,缓存经压缩的图像数据然后再发送给网络;复杂度估计器,根据先前编码图像数据的复杂度来估计要编码的图像数据的复杂度;控制器,根据缓存数据量、估计复杂度和网络带宽来确定图像压缩器的量化级,并控制量化级以使缓存数据量等于在带宽范围内的先前设置目标值。

Description

根据网络带宽自适应地 控制数据传输速率的装置

本发明涉及一种在图像传输系统中有效地控制图像数据传输速率的装置，具体涉及一种用于根据经时变化的网络带宽自适应地控制图像数据传输速率的装置。

通常，在图像编码器中，必须对图像进行编码以便尽量减小画面质量的劣化程度，并且在传送图像时要尽量提高可用带宽的利用率。在“ISO/IECMPEG工作组”规定的“ISO/IEC 13818-2：视频”这一标准的“TEST模型5(以下称为TM-5)”中，描述了一种用于在图像编码器中控制传输速率的有关技术。

MPEG工作组规定的TM-5基本上用于产生具有恒定比特率(CBR)的图像序列。为每个画面组(GOP)分配可传输的数据量并分配给每个场景。

在TM-5的算法中，目标数据尺寸由在每个场景中可传输的数据量来确定，而且按照虚拟缓冲器的占用量来设置量化级标准。此时，根据图像的特性和固定的网络带宽来确定目标数据尺寸。由于在TM-5中一个场景需要使用多种量化级，所以要设置几种量化级标准，并为每个宏块使用不同的量化级。

因此，在保证图像的质量并向具有CBR的信道传输图像数据时，TM-5很有用。然而，在TM-5中，当场景变化时，会分配因误操作而产生的不正常带宽。也就是说，在根据GOP确定目标图像数据尺寸的情况下，由误操作而产生的不正常带宽分配会保持很长的时间。于是，很有可能连续丢失数据。而且，由于在数据网络中单一的数据传输路径常常有多个终端用户，这一点就不同于公用交换电话网络(PSTN)，所以每个网络终端用户可具有的带宽量就会随着每个终端用户正在接收的传输量而变化。

因此，在TM-5中，如果在经时变化的网络环境下传输图像数据，会不可避免地出现图像数据丢失的现象。于是，服务质量(QoS)将劣化。因此，在可变比特率(VBR)环境下不能使用TM-5。

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于控制图像数据传输速率的装置，在使用数据网络的图像传输系统压缩和发送图像的处理过程中，该装置能够按照网络带宽的状态控制量化级。

于是，为了实现上述目的，提供了一种用于在提供带宽信息的数据网络中控制图像数据的传输速率的装置，包括：图像压缩器，用于按照预定量化级量化输入的图像数据，并压缩经量化的图像数据；发送器，用于缓存图像压缩器产生的压缩图像数据，并将经缓存的图像数据发送给网络；复杂度估计器，用于根据先前编码图像数据的复杂度，来估计要编码的图像数据的复杂度；以及控制器，用于根据发送器缓存的数据量、复杂度估计器估计的复杂度和网络提供的带宽，来确定图像压缩器的量化级，并且用于控制量化级以使缓存数据量等于在带宽范围内的先前设置的目标值。

通过参照附图对本发明优选实施例的详细说明，本发明的上述目的和优点将更加明显。附图中：

图1是采用本发明的MPEG编码器的方框图；

图2是本发明的用于根据网络带宽自适应地控制数据传输速率的装置的方框图；

图3是表示本发明的图像传输质量的曲线图；以及

图4是表示本发明的在传输图像时的带宽使用率的曲线图。

以下，将参照附图说明本发明的优选实施例。

图1是采用本发明的MPEG编码器的方框图。

将以画面组(GOP)为单位的输入图像数据编码成帧内(I)帧、预测(P)帧、和双向(B)帧。有选择地将I、P和B各帧输入到离散余弦变换(DCT)单元120。DCT单元120进行8×8块的离散余弦变换(DCT)，以便从有选择输入的I、P和B各帧中获得空间冗余度。量化器(Q)130去除从DCT单元120输出的图像数据的空间冗余度。逆量化器150对Q 130输出的量化图像数据进行逆量化。逆DCT(IDCT)160对逆量化器150输出的图像数据进行逆离散余弦变换。帧存储器(FM)170以帧为单位来保存IDCT单元160输出的图像数据。运动估计器(ME)180利用当前输入帧的图像数据和在FM 170中保存的先前帧的图像数据，产生一个运动向量(MV)。可变长度编码(VLC)单元140按照ME 180输出的运动向量，从图像数据中去除统计冗余度。因此，为了利用图1的MPEG编码器在经时变化的网络中传输图像数据，应根据估计出的复杂度和缓冲器的数据占用量，在网络的带宽内适当选择Q 130的量化级。于是，可以使丢失数据最少并且使带宽利用率最大。

图2是用于控制图1的MPEG编码器的数据传输速率的装置的方框图。

复杂度估计器250估计第n帧图像数据的复杂度，以便压缩该图像数据。也就是说，由于在再现的图像数据中在几秒到几十秒的时间内会连续出现相同或相似的帧，所以估计为当前帧的图像数据具有与先前帧的图像数据特性相似的特性。因此，通过对N个先前帧的复杂度取平均来估计一个帧的复杂度。复杂度估计器250还要利用先前帧的平均复杂度，来去除因不同帧模式(I、P和B)导致的复杂度变化，并且只检测图像数据固有的复杂度变化。因此，为了记录先前帧的复杂度变化，复杂度估计器250必须具有N个存储区。复杂度估计器250可以利用下面的表达式1来表示第n帧的复杂度

$\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}M(n-i)...\left(1\right)$ 其中，M(I)是帧I的复杂度，N是GOP单元中的帧数目，n是帧编号。此时，M(I)等于R(I)×Q(I)，其中R(I)是第I帧的数据量，Q(I)是第I帧的量化级。

发送器220包括一个缓冲器(未示出)，它对MPEG编码器210产生的压缩图像数据进行缓存，并将缓存的图像数据发送给网络230。

传输速率控制器240从复杂度估计器250和发送器220接收复杂度的估计值和缓冲器的数据占用量，并且从网络230接收含有带宽信息的网络状态信息。这里，可以通过资源管理(RM)信元(cell)，将有关网络状态的信息反馈给传输速率控制器240，如异步传输模式(ATM)的可用比特率(ABR)服务那样。

因此，传输速率控制器240根据复杂度估计器250估计的复杂度值、当前网络230分配带宽的有关信息、以及发送器220中缓冲器的数据占用量，按照表达式2为要压缩的图像数据确定量化级(Q)，并向MPEG编码器210输出所确定的量化级。传输速率控制器240控制量化级，以使缓冲器的数据占用量等于先前确定的目标值。例如，为了在发送器220的缓冲器数据占用量大于目标值时使缓冲器的数据占用量等于目标值，必须通过增大量化级(Q)来减少MPEG编码器210的编码数据量。反之，在缓冲器的数据占用量小于目标值时，必须通过减小量化级(Q)来增加MPEG编码器210的编码数据量。此外，还可以通过使传输速率控制器240在确定量化级(Q)时包括有关当前网络带宽的信息，来减少因缓冲器上溢而丢失数据。此外，还将传输速率控制器240产生的量化级(Q)限制为恒定数个比特，且使量化级(Q)由H和L饱和。 $\frac{1}{Q\[n\]}={\mathrm{sat}}_{1/H}^{1/L}\[-\frac{K}{\hat{M}}(\tilde{q}\[n\]-\mathrm{qT})+u\frac{\[n\]}{\hat{M}\[n\]}\]...\left(2\right)$ 其中，Q[n]表示第n帧的量化级，U[n]表示在压缩第n帧时分配的带宽，qT表示缓冲器的目标数据占用量， $\tilde{q}\[n\]$ 表示在压缩第n帧时缓冲器的平均数据占用量， $\hat{M}\[n\]$ 表示第n帧的估计复杂度，K表示自适应(速度)常数，L表示Q[n]的最小值，H表示Q[n]的最大值。

由于传输速率控制器240按照分配给网络230的带宽来确定量化级(Q)，使得缓冲器的数据占用量等于目标值，所以可使因网络堵塞而丢失的数据最少，如表达式2所示。此外，由于传输速率控制器240总是在进行帧压缩之前计算量化级(Q)，所以它总是要按照分配的网络带宽来产生合适的数据量。

MPEG编码器210按照传输速率控制器240产生的量化级(Q)来编码图像数据，并按照缓冲器的目标占用量来输出相应量的该图像数据。

图3和图4分别示出了在利用MPEG工作组提议的“TEST模型(TM-5)”传输图像数据时、以及在利用本发明提议的装置传输图像数据时的图像质量和带宽利用率。图3示出了峰值信号与噪声之比(PSNR)(dB)和帧的关系。图4示出带宽利用率(％)和时间的关系。如图3和图4所示，本发明提议的装置的图像传输质量的一致性要好于TM-5的图像传输质量的一致性，而且本发明提议的装置的图像传输的带宽利用率(％)要大于TM-5的图像传输的带宽利用率(％)。

虽然已经参照本发明的优选实施例展示并说明了本发明，但是本领域普通技术人员应明白，在不脱离由所附权利要求限定的本发明实质和范围的情况下，本发明可以有各种形式和细节上的修改。也就是说，本发明可以应用于所有通过网络传输图像的系统、以及所有类型的向诸如因特网等数据网络传输图像的硬件。

按照本发明，由于能够使图像质量的劣化程度最小、使可用带宽的利用率最大、并实时传输压缩图像数据，所以本发明的用于控制数据传输速率的装置可根据经时变化的带宽进行自适应控制。于是，利用本发明的装置能够容易地通过因特网传输图像。

Claims (3)

1．一种用于在提供带宽信息的数据网络中控制图像数据的传输速率的装置，所述装置包括：

图像压缩器，用于按照预定量化级量化输入的图像数据，并压缩经量化的图像数据；

发送器，用于缓存图像压缩器产生的压缩图像数据，并将经缓存的图像数据发送给网络；

复杂度估计器，用于根据先前编码图像数据的复杂度，来估计要编码的图像数据的复杂度；以及

控制器，用于根据发送器缓存的数据量、复杂度估计器估计的复杂度和网络提供的带宽，来确定图像压缩器的量化级，并且用于控制量化级以使缓存数据量等于在带宽范围内的先前设置的目标值。

2．如权利要求1所述的装置，其中，设置图像数据的复杂度等于量化级与数据量的乘积。

3．如权利要求1所述的装置，其中，将量化级设置为 $\frac{1}{Q\[n\]}={\mathrm{sat}}_{1/H}^{1/L}\[-\frac{K}{\hat{M}}(\tilde{q}\[n\]-\mathrm{qT})+u\frac{\[n\]}{\hat{M}\[n\]}\]$ 其中，Q[n]表示第n帧的量化级，U[n]表示在压缩第n帧时分配的带宽，qT表示缓冲器的目标数据占用量， $\tilde{q}\[n\]$ 表示在压缩第n帧时缓冲器的平均数据占用量， $\hat{M}\[n\]$ 表示第n帧的估计复杂度，K表示自适应(速度)常数，L表示Q[n]的最小值，H表示Q[n]的最大值。

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