CN1330151C - 一种测量封包型网络传输的目标播放质量的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，包含有决定一标准化封包播放总延迟，并指定一相对应封包的延迟主观评分，然后再进一步决定一标准化封包耗损速率，并指定一相对应封包的耗损主观评分。本发明的方法包含有平均该延迟主观评分与该耗损主观评分以决定一封包平均主观评分并输出该封包平均主观评分至一显示装置。该延迟主观评分与耗损主观评分可参考连续建模方程式或离散值查询表决定。本发明的方法利用一处理器进行。

Description

一种测量封包型网络传输的目标播放质量的方法

技术领域

本发明涉及一种网络传输封包的媒体播放，尤其涉及一种决定播放方法中媒体播放目标质量的方法。

背景技术

互联网络的普及及无线通讯科技的发展使得实时数字通讯成为可能。最近，通过互联网络通讯的新科技已经被成熟地发展出，例如互联网络语音协议(voice over Internet protocol，VoIP)以及其它实时互动通讯系统。

在如互联网络语音协议的网络传输封包通讯中，最大的障碍是网络延迟的差异，即是所谓的延迟抖动(jitter)。延迟抖动可根据一播放延迟通过封包的延迟播放而大幅的降低。当网络延迟不固定，减少一传输的延迟抖动数量需要网络延迟的合理测量及播放延迟的正确判断。然而，播放延迟不能够太长，因为该传送的目的是要能达到实时传送的效果，而过长的播放延迟则违背了此项目的。所以对于如互联网络语音协议、语音电话及在线游戏等双向通讯来说，将播放延迟现象降至最小以避免使用者在使用时产生不便，是相当重要的。

图1是一声音数据20的封包信息被传送跨越过一网络10的示意图。数据20包含可听闻区段20a，20c与20e，其具有可辨别的声音信息，声音数据20另包含静止区段20b和20d，  其具有不可辨别的声音信息。一个传送器12，可为一个人计算机或其它的装置，在固定的时间间隔井然有序地传送封包P1-P15，但是因为网络延迟会延迟封包P1-P15的传输，其中抵达一接收器14的某些封包一定要被不同的时间量更进一步的延迟形成一个内聚的声音数据22，其中接收器14可为一个相似的个人计算机或装置。声音数据22包含可听闻区段22a，22c与22e和静止区段22b与22d，这些区段对应到要被传送的数据20中的区段20a-20e。

封包P1在一个给定的时间被传送器12送出。封包P1可能因为任何的理由而被网络10延迟，图1中的阴影方块显示该延迟和其它更进一步的延迟因素。封包P1会更进一步被接收器14延迟，使得该封包P1可与已被网络10延迟的封包P2连续播放。如果封包P1没有被接收器14进一步的延迟，封包P1和P2则无法连续播放，同时在声音数据22中则会出现一听闻中断。在声音数据22中的该听闻中断被在接收器14端的使用者所听到，导致播放声音数据22中不佳的声音质量。

封包P2-P5全都是被网络10以相同的时间予以延迟，并且封包P2-P5也不一定会被接收器14给更进一步的延迟，其中接收器14根据适当的时间安排按先后次序播放。然而，封包P7比封包P6早到达。直到封包P6被接收到前，接收器14必须延迟封包P7的播放。该延迟被附加在声音数据22的静止区段22b上以使得可听闻区段22c不会被影响。由于网络延迟及封包的壅塞，封包P8及P9会和封包P10及P11同时抵达。封包P9及P11的播放也因此而延迟，并且，不会有更进一步的声音数据22的延迟发生。封包P13及P14和封包P6及P7一样遭受到类似的排序混乱。封包P12及P15则根据正常的顺序抵达接收器14。

以上参考图1的说明是简化后的流程。封包P1-P15被假定根据其封包长度的整数倍给予延迟到达接收器14的时间。实际上，在一既定的传送过程中，当有网络延迟和延迟抖动发生时，许多封包是会被延迟的。

图1显示出整个被接收的声音数据22延迟三区段，这三个区段包含一网络延迟及被接收器14所附加的额外延迟。如果接收器14没有附加该额外延迟，某些封包则会有播放失序的可能而造成其它封包完全无法播放。现有技术已揭示了许多如何估计该被接收器14延迟的时间的方法。

在估计播放延迟上，一个基本且有效但又有所争议的方法就是平均延迟差异数法(mean delay and variance，MDV)，此方法在R.Ramjee、J.Kurose、D.Towsley及H.Schulzrinne所著的“adaptive Playout Mechanisms forPacketized Audio Applications in Wide-area  Networks”中有叙述，在此提出作为本发明的现有技术。该平均延迟差异数法更进一步详述于MarcoRoccetti、Vittorio Ghini、Giovanni Pau、Paola Salomoni及Maria Elena Bonfigli所著的“Design and Experimental Evaluation of an AdaptiveDelay/control Mechanism for Packetized Audio for use over theInternet”中，其同样作为本发明的现有技术。简言之，该平均延迟差异数法即是由一平均网络延迟的差异数结合一平滑系数去估计播放延迟。这种简易的动态方法较其它非动态的方法提供了重要的关键性改进。

其它估计播放延迟的方法描述于实时传输通讯协议(real-time transportprotocol)中。H.Schulzrinne、S.Casner、R.Frederick及V.Jacobson所著的“RTP ：A Transport Protocol for Real-Time Applications”中详尽叙述了实时传输通讯协议的标准规格，其也为本发明的现有技术。该用来估计延迟的实时传输通讯协议方法即是一固定平滑系数的平均延迟差异数法。虽然较平均延迟差异数法简单，但实时传输通讯协议只能提供较粗略的网络延迟的估计值。

一旦播放延迟被估量并计算出后，接收器14便可播放出网络传输的封包。使用者所察觉到的播放质量与所选择的播放方法息息相关。因此为了决定何种方法具有最佳播放质量，发展一套质量衡量系统有其必要性。

以下几项决定播放质量方法也为本发明的现有技术ITU-T P.861(1996)，“Objective quality measurement of telephone-band(300-3400Hz)speech codecs”，02.1998、欧洲电信标准协会(ETSI)EG 201 377-1 V1.1.1，“Specification and measurement of speech transmission quality”，02.2001以及ITU-T G.862，“Perceptual evaluation of speech quality(PESQ)，an objectivemethod for end-to-end speech quality assessment of narrow band telephonenetwork and speech codecs”，02.2001。这些关于声音压缩及解压缩方法均无法适用于双向通讯，且无法有效衡量回声(echo)及稳定的干扰。更进一步地说，现有技术的播放质量衡量方法并无法适用于比较不同的播放方法。

除此之外，现有技术还包含有许多关于目标播放质量(objective playoutquality)衡量的专利，然而不论是衡量信号、声音或是影像质量的方法应用，均仅适用于静态数据或单向通讯上。

综上可知，所述现有技术的目标播放质量衡量方法，在实际使用上，显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明目的在于提供一种测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其可提高目标播放质量。

为了实现上述目的，本发明包含有使用一处理器来决定一网络传输封包的标准化总延迟并指定一相对应的封包延迟主观评分(delay mean opinionscore，DMOS)。本发明更进一步决定一封包耗损速率并指定一相对应的封包耗损主观评分(loss mean opinion score，LMOS)。最后，本发明将该延迟主观评分及该耗损主观评分平均起来以得到一平均主观评分(mean meanopinion score，MMOS)并将的输出至一显示装置。

本发明的延迟主观评分与耗损主观评分的指定可参考连续建模方程式(continuous modeling equations)或离散值查询表(discrete value lookuptables)。

本发明的方法可更进一步地根据各播放方法平均主观评分的平均值将多个封包播放方法进行评等。

本发明优点为封包平均主观评分为一封包播放质量的衡量标准。

本发明另一优点为封包平均主观评分可对不同的播放方法进行比较、评估与评等。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用一处理器在网络内测定一网络传输的目标播放质量的方法，该网络传输包含有用来利用一播放方法进行播放的封包信息，该方法包含有下列步骤：

决定一封包的一封包总延迟，该封包总延迟取决于该封包在网络中两端点的传输时间；

利用多个封包的该封包总延迟中的一最大值来标准化该封包总延迟；

根据该标准化的封包总延迟指定一延迟主观评分至该封包；

决定该封包的一封包耗损速率，该耗损速率指该封包在两端点间传输时超出一预定时间的额外时间；

利用多个封包的封包耗损速率中的一最大值来标准化该封包耗损速率；

根据该标准化的封包耗损速率指定一耗损主观评分至该封包；

利用该延迟主观评分与该耗损主观评分决定该封包的一封包平均主观评分；以及

输出该封包的该平均主观评分至一显示装置。

所述的方法中，该标准化的封包总延迟、该标准化的封包耗损速率、该延迟主观评分及该耗损主观评分参考连续建模方程式所决定及指定。

所述的方法中，该标准化的封包总延迟、该标准化的封包耗损速率、该延迟主观评分及该耗损主观评分参考离散值查询表所决定及指定。

所述的方法中，该平均主观评分为该延迟主观评分与该耗损主观评分的一算术平均数。

所述的方法中，还包含有：

计算多个封包的平均主观评分在一时间周期中的一平均值，以决定该平均主观评分在该网络传输利用该播放方法的一时间平均值。

所述的方法中，还包含有根据各该播放方法的该平均主观评分的时间平均值对多个播放方法加以评等。

所述的方法中，还包含有提供一接口让使用者能借此调整封包总延迟标准化过程、封包延迟主观评分指定过程、封包耗损速率标准化过程以及封包耗损主观评分的指定过程的参数。

所述的方法中，该网络传输包含通过互联网络语音协议传输的声音、影像电话、在线游戏及其它实时互动通讯。

所述的方法中，该网络包含一计算机网络或一无线电话的无线传输网络。

附图简要说明

下面结合附图，通过对本发明的较佳实施例的详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

附图中，

图1为现有技术中一声音数据封包被传送跨越过一网络的示意图；

图2为本发明一通讯装置及一质量分析器的方块图；

图3为本发明的操作方法流程图；

图4为图2所示的质量分析器根据图3方法操作所得图形输出范例。

具体实施方式

下文，将详细描述本发明。

请参考图2。在本发明中通讯装置30可为一个人计算机，然而可视情况更换为一无线电话或其它类似的通讯装置。通讯装置30还具有传输结构，但在此为简化说明予以省略。通讯装  30包含有一连接至网络10用以接收网络10中其它终端机的封包信息的接收器32。该网络10包含一计算机网络或一无线电话的无线传输网络。该接收器32将封包发送至一播放缓冲器34。该播放缓冲器34根据一播放控制器42的决定将封包延迟。播放控制器42根据既定播放方法的网络统计计算播放延迟，然后播放缓冲器34在封包传输至媒体播放装置36前将封包延迟。媒体播放装置36一般为一扬声器、一显示器或其它个人计算机装置。如此通讯装置30可根据播放方法减少网络延迟干扰以使封包的顺畅播放。

播放控制器42的播放方法可为前述的平均延迟差异数法或是实时传输通讯协议。在本发明的最佳实施例中，播放方法为一由通讯装置30执行的软件，然而也可为硬件或仿真硬件的软件。举例来说，播放控制器42能计算一接收到的网络传输封包播放延迟，由图2的箭头70表示，根据平均延迟差异数法如下所示：

D_i＝|(R_i-R_i-1)-(S_i-S_i-1)|

MD_i＝F×MD_i-1+(1-F)×D_i

V_i＝|MD_i-D_i|

MV_i＝F×MV_i-1+(1-F)×V_i

PD_i＝MV_i×SF         式(1)

其中，

D为网络延迟；

R为一接收器时间函数；

S为一发送器时间函数；

i指向一目前封包的下标；

i-1指向一先前封包的下标；

MD为平均网络延迟；

F为一平滑系数；

V为一网络延迟差异数；

MV为一平均网络延迟差异数；

PD为一播放延迟；

SF为一排列系数。

在本实施例中，播放控制器42首先通过比较目前封包和先前封包的时间函数计算出目前封包的网络延迟，接着再根据平均网络延迟及平滑系数计算出平均网络延迟差异数，最后利用一排列系数决定出目前封包的播放延迟。时间函数由接收器32提供给播放控制器42。平滑系数与排列系数直接设定于播放控制器42内部且可以加以调整。播放控制器42将播放延迟传输至播放缓冲器34。如所述的平均延迟差异数法，每一个网络传输的封包连续且实时的。此外，该网络传输可为一通过互联网络语音协议传输的声音、影像电话、在线游戏或是其它实时互动通讯。

如前面所提及，播放质量与播放方法紧密相关的。举例来说，对于通讯装置30的使用者来说，所使用的方程式(1)描述的平均延迟差异数法其所察觉到输出装置36的媒体输出的关键。若该网络通讯为一声音通讯，则当网络通讯延迟差异过大(即有延迟抖动)时，收听者会察觉停顿或暂停。若该网络通讯为一影像或游戏输出，收看者会察觉到画面跳动或是画面不佳。收听者或收看者感受到的这些情形均会降低整体播放质量。

请参考图2，将一质量分析器44连接至播放控制器42以决定一目标播放质量衡量值。该质量分析器44包含有一根据参数52进行质量衡量的处理器46、一将衡量质量值输出至使用者的显示装置48以及一使用者可调整参数52的接口50。在本发明的较佳实施例中，处理器46为一计算机处理器，且显示装置48为一计算机显示器。为了方便本发明将质量分析器44连接至播放控制器42上，使该播放控制器42包含有本发明最佳实施例方法中所需所有的信息。或者播放控制器42本身可以直接进行播放质量的衡量。质量分析器44的处理器46决定一已接收网络通讯目前封包的延迟主观评分，如以下所示：

${\mathrm{NTD}}_i={\frac{{\mathrm{TD}}_i}{\mathrm{MAX}\_\mathrm{TD}}}^{\mathrm{DF}}$

DMOS_i＝MAX_MOS×(1-NTD_i)^DM

                                     式(2)

其中，

NTD为一标准化的总延迟；

TD为一总延迟；

DF为一延迟系数；

MAX_TD为一最大总延迟；

DMOS一延迟主观评分；

MAX_MOS为一最大主观评分；

DM为一延迟主观评分系数。

目前封包的标准化总延迟参考目前封包总延迟与所有传输封包中的最大总延迟计算所得。该封包总延迟取决于该封包在网络中两端点的传输时间，总延迟包含一压缩与解压缩延迟(即通讯装置30压缩与解压缩封包数据所需的时间)、一网络传输延迟以及一封包播放延迟。然后利用标准化总延迟与最大主观评分决定目前封包的延迟主观评分。最大主观评分取决于压缩与解压缩，且在理想状况下可凭经验由衡量多个播放方法的目标播放质量所决定。延迟系数与延迟主观评分系数也由经验所得，使用者并可进一步加以调整。

在本发明的最佳实施例中，处理器46根据方程式(2)的计算过程决定目前封包的延迟主观评分，并更进一步如下所示决定目前封包的耗损主观评分：

${\mathrm{NPLR}}_i={\frac{{\mathrm{PLR}}_i}{\mathrm{MAX}\_\mathrm{PLR}}}^{\mathrm{LF}}$

LMOS_i＝MAX_MOS×(1-NPLR_i)^LM    式(3)

其中，

NPLR为一标准化的封包耗损速率；

PLR为一封包耗损速率；

LF为一耗损系数；

MAX_PLR为一最大封包耗损速率；

LMOS为一耗损主观评分；

LM为一耗损主观评分系数。

目前封包的标准化封包耗损速率参考目前封包耗损速率与所有传输中封包中最大封包耗损速率计算所得。封包耗损速率大体上指该封包在两端点间传输时超出一预定时间的额外时间，且本项技术中已为公知。目前耗损主观评分参考标准化封包耗损速率与最大主观评分所得。耗损系数与耗损主观评分系数则由经验决定，使用者并可进一步加以调整。

一旦目前封包的延迟主观评分与耗损主观评分决定后，即依照方程式(4)加以平均以获得一平均主观评分：

${\mathrm{MMOS}}_i=\frac{{\mathrm{LMOS}}_i+{\mathrm{DMOS}}_i}{2}$ 式(4)

其中，MMOS为一平均主观评分。

其中，本发明还包含有：

计算多个封包的平均主观评分在一时间周期中的一平均值，以决定该平均主观评分在该网络传输利用该播放方法的一时间平均值，以及根据各该播放方法的该平均主观评分的时间平均值对多个播放方法加以评等。

由上可知，该标准化的封包总延迟、该标准化的封包耗损速率、该延迟主观评分及该耗损主观评分参考连续建模方程式(continuous modelingequations)所决定及指定。

另外，该标准化的封包总延迟、该标准化的封包耗损速率、该延迟主观评分及该耗损主观评分参考离散值查询表(discrete value lookup tables)所决定及指定。

举例来说，延迟主观评分、耗损主观评分与平均主观评分的值除了由方程式(2)、(3)及(4)可求得外，还可根据压缩解压缩制表取得。这种作法的优点为较方便决定播放质量与质量分类(极佳-极差)，缺点为较不精确。表一为一G.711压缩解压缩制表数据，如下所示：

质量	耗损	延迟	耗损主观评分	延迟主观评分
					极佳	0.05	60.00	4.50	4.50
佳	0.10	120.00	3.50	4.00
					普通	0.15	240.00	3.00	3.50
差	0.25	480.00	2.00	2.50
					极差	0.35	720.00	1.00	2.00

表一：G.711主观评分

表一的列表数据可视为前述方程式(2)与(3)的可调整参数，可适用于集成电路或数字应用的不连续建模上。封包耗损速率与总延迟则用于耗损主观评分与延迟主观评分的查询。

无论是使用连续或是不连续建模，平均主观评分由质量分析器44的显示装置48输出并作为一目标播放质量衡量值。或者在状况允许下，延迟主观评分与耗损主观评分可分别作为目标播放质量衡量值。使用者可利用接口50调整的参数52包含有延迟系数(DF)、延迟主观评分系数(DM)、耗损系数(LF)、耗损主观评分系数(LM)以及最大主观评分(MAX_MOS)，即该接口50让使用者能借此调整封包总延迟标准化过程、封包延迟主观评分指定过程、封包耗损速率标准化过程以及封包耗损主观评分的指定过程的参数。然后使用者可利用平均主观评分值设定网络播放或决定一最适合的播放方法。

参考图3的流程图，本发明可由多个播放方法中决定一最佳播放方法。对于一即定播放方法，本方法应用于一网络传输中的一群封包。对于一播放方法的平衡比对，在各播放方法中网络状况与网络传输的距离则必须保持固定。图3的流程图的各步骤则如以下的说明：

步骤100：开始；

步骤102：激活一质量衡量的播放方法或系统，在接收通讯装置30开始网络传输与播放；

步骤104：根据目前播放方法决定网络传输目前封包的标准化总延迟与标准化封包耗损速率；

步骤106：根据方程式(2)和(3)的计算或是查询表(例如表一)，决定目前封包的延迟主观评分与耗损主观评分；

步骤108：利用方程式(4)，以延迟主观评分与耗损主观评分值计算出目前封包的平均主观评分，或者是参考查询表(例如表一)得到平均主观评分；

步骤110：判断是否为网络传输的最后一封包。若是，则进行步骤112；若否，则将下一封包编索引并回到步骤104；

步骤112：计算出在该播放方法下。网络传输封包的平均主观评分的平均值；

步骤114：判断是否为最后一需要比对的播放方法；  若是，则进行步骤116；若还有需要比对的播放方法，则回到步骤102；

步骤116：将该播放方法平均主观评分的平均值输出，并通过显示装置48输显示；

步骤118：终止。

利用质量分析器44的处理器46进行步骤104至114。在实际应用上，上述图3的流程可于一实体网络或一仿真网络中进行。使用者可利用输出的平均主观评分数据评估并评等各播放方法。

请参考图4。图4显示于质量分析器44的显示装置48上的一图形输出范例60。多数播放方法播放质量的衡量，均根据本发明的方法在延迟抖动(网络延迟差异数)范围60ms至720ms进行，并产生了PM1a-PM4a至PM1e-PM4e的长条图，其中PM1a-PM4a为播放方法，而a至e则表示延迟抖动的范围。长条的高度表示平均主观评分从0.00至5.00的等级。其中图4中延迟抖动范围的数值与平均主观评分值仅为范例。使用者可比较在一延迟抖动范围内各个播放方法的平均主观评分，以决定实际应用上最适合的播放方法。

与现有技术相比，本发明的方法提供一封包基础网络传输的目标质量衡量的方法。播放质量(或平均主观评分)通过一处理器利用标准化封包总延迟、标准化封包耗损速率、压缩及解压缩信息及可调整参数等决定。亦即，该平均主观评分为该延迟主观评分及该耗损主观评分的一算术平均数。最后，使用者即可获得由显示装置所显示的平均主观评分图形输出。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1、一种测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，该网络传输包含有用来利用一播放方法进行播放的多个封包信息，该方法包含有下列步骤：

决定多个封包中每一个封包的封包总延迟，该封包总延迟取决于该封包在网络中两端点的传输时间；

利用多个封包的封包总延迟中的一最大值来标准化多个封包总延迟；

根据该标准化的封包总延迟指定一延迟主观评分至多个封包的每一个封包；

决定多个封包中每一个封包的封包耗损速率，该耗损速率指该封包在两端点间传输时超出一预定时间的额外时间；

利用多个封包的封包耗损速率中的一最大值来标准化该封包耗损速率；

根据该标准化的封包耗损速率指定一耗损主观评分至多个封包中每一个封包；

利用该延迟主观评分与该耗损主观评分决定该多个封包的每一个封包的封包平均主观评分；以及

输出该封包的该平均主观评分至一显示装置。

2、根据权利要求1所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，该标准化的封包总延迟、该标准化的封包耗损速率、该延迟主观评分及该耗损主观评分为参考连续建模方程式所决定或指定。

3、根据权利要求1所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，该标准化的封包总延迟、该标准化的封包耗损速率、该延迟主观评分及该耗损主观评分为参考离散值查询表所决定或指定。

4、根据权利要求1所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，该平均主观评分为该延迟主观评分与该耗损主观评分的一算术平均数。

5、根据权利要求1所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，还包含有：

计算多个封包的平均主观评分在一时间周期中的一平均值，以决定该平均主观评分在该网络传输利用该播放方法的一时间平均值。

6、根据权利要求5所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，还包含有根据各该播放方法的该平均主观评分的时间平均值对多个播放方法加以评等。

7、根据权利要求1所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，还包含有提供一接口让使用者能借此调整封包总延迟标准化过程、封包延迟主观评分指定过程、封包耗损速率标准化过程以及封包耗损主观评分的指定过程的参数。

8、根据权利要求1所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，该网络传输包含通过互联网络语音协议传输的声音、影像电话、在线游戏及其它实时互动通讯。

9、根据权利要求1所述的测量封包型网络传输的目标播放质量的方法，其特征在于，该网络包含一计算机网络或一无线电话的无线传输网络。

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