KR100782343B1 - Method of streaming image - Google Patents
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Abstract
본 발명은 네트워크를 통한 영상 스트리밍(Streaming) 방법에 관한 것으로, 특히 디코더 버퍼 제어기(Decoder Buffer Controller)를 이용한 TCP(Transmission Control Protocol) 친화적(Friendly) 스트리밍 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a video streaming method over a network, and more particularly, to a Transmission Control Protocol (TCP) friendly streaming method using a decoder buffer controller.
본 발명에 따른 디코더 버퍼 제어기를 이용한 TCP 친화적 스트리밍 방법은, (a) 영상 서버에서 영상 프레임(Frame)을 생성하는 단계; (b) 생성된 영상 프레임을 전송하는 단계; (c) 상기 전송을 모니터링하는 단계; (d) 수신된 상기 영상 프레임을 디코딩하는 단계; (e) 디코더 버퍼 제어기에서 영상의 재생이 단절되는 현상을 방지하고, 연속적인 재생을 보장하도록 (a)단계, (b)단계 및 (c)단계를 조합하는 단계;를 포함하고, 디코더 버퍼에 항상 일정한 시간 동안 재생할 수 있는 영상이 존재하도록 영상의 화질을 적절히 조절함으로써 연속적인 재생을 보장하는 것을 특징으로 하여 이루어진다.A TCP friendly streaming method using a decoder buffer controller according to the present invention includes: (a) generating an image frame in a video server; (b) transmitting the generated image frame; (c) monitoring the transmission; (d) decoding the received image frame; (e) combining steps (a), (b) and (c) to prevent the playback of the video from being interrupted in the decoder buffer controller and to ensure continuous playback. It is characterized in that the continuous reproduction is ensured by appropriately adjusting the image quality of the image so that there is always an image that can be reproduced for a certain time.
스트리밍, 디코더, TRFC(TCP Friendly Rate Control), FGS(Fine Granular Scalability)Streaming, Decoder, TCP Friendly Rate Control (TRFC), Fine Granular Scalability (GFS)
Description
도 1은 본 발명에 따른 스트리밍 시스템의 개요도이다.1 is a schematic diagram of a streaming system according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 디코더 버퍼의 구조도이다.2 is a structural diagram of a decoder buffer according to the present invention.
본 발명은 네트워크를 통한 영상 스트리밍 방법에 관한 것으로, 특히 디코더 버퍼 제어기(Decoder Buffer Controller)를 이용한 TCP 친화적(Friendly) 스트리밍(Streaming) 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a video streaming method over a network, and more particularly, to a TCP friendly streaming method using a decoder buffer controller.
기존의 스트리밍 방법은 네트워크의 상태와 관계없이 항상 일정한 화질을 가지는 영상을 전송한다. 현재의 인터넷이 스트리밍에 요구되는 전송용량을 적절하게 보장할 수 있다면, 기존의 스트리밍 방법은 문제될 것이 없지만 현 인터넷은 전송용량을 보장을 해줄 수 없는 최선적(Best-Effort) 네트워크이다.The existing streaming method always transmits images having a constant image quality regardless of network conditions. If the current Internet can adequately guarantee the transmission capacity required for streaming, the existing streaming method is not a problem, but the current Internet is the best-effort network that cannot guarantee the transmission capacity.
즉, 특정 화질로 영상이 스트리밍 되는 동안 스트리밍에 필요한 최소한의 전송용량을 네트워크가 지원해 주지 못하는 경우가 발생하면, 재생 클라이언트에서는 재생할 영상이 도착하지 못하여 일정 시간 동안 재생을 멈추고 필요한 영상이 도착 할 때까지 기다려야만 한다.In other words, if the network does not support the minimum transmission capacity required for streaming while video is being streamed at a certain quality, the playback client does not arrive and the playback stops for a certain time until the required video arrives. I have to wait.
또한, 네트워크가 현재 스트리밍 되는 영상을 전송하고도 남을 충분한 용량을 가지고 있더라도 여분의 용량을 전부 사용할 수 없다.Also, even if the network has enough capacity to transmit the current streamed video, it cannot use all the extra capacity.
상기 문제점을 극복하기 위해서, 국내등록특허공보 2003-0035525, 국내등록특허공보 2003-0079337와 같은 방법들이 개시되어 있다.In order to overcome the above problems, methods such as Korean Patent Publication No. 2003-0035525 and Korean Patent Publication No. 2003-0079337 are disclosed.
국내등록특허공보 2003-0035525의 경우 네트워크의 상황을 패킷간의 간격을 통해 예측하고, 예측된 결과에 따라 영상 패킷의 전송률을 조절할 뿐 주어진 네트워크의 전송용량에 따라 최고의 화질을 가지는 영상을 전송하려는 화질 적응(Quality Adaptation)의 개념이 없다.In the case of Korea Patent Publication 2003-0035525, it predicts the network situation through the interval between packets and adjusts the transmission rate of the image packet according to the predicted result, and adapts the image quality to transmit the image having the best image quality according to the transmission capacity of the given network There is no concept of quality adaptation.
국내등록특허공보 2003-0079337의 경우 화질 적응의 개념이 도입되었지만 디코더 버퍼의 저장량을 통해 재생할 수 있는 시간이 아닌 단순히 저장량을 기반으로 화질을 조절할 뿐만 아니라 스트리밍을 위해 개발된 최신 영상 인코딩 기술 및 전송 방법을 채택하지 않고 있다.In the case of Korea Patent Publication No. 2003-0079337, the concept of image quality adaptation was introduced, but the latest image encoding technology and transmission method developed for streaming as well as adjusting the image quality based on the storage amount rather than the playback time through the storage capacity of the decoder buffer. It is not adopting.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 추가적인 인코딩/디코딩 과정 없이 특정 범위 내에서 다양한 비트율을 가질 수 있는 MPEG(Moving Picture Experts Group)-4 FGS(Fine Granular Scalability) 영상 인코딩 기술 도입에 그 목적이 있다.An object of the present invention to solve the above problems is to introduce a Moving Picture Experts Group (MPEG) -4 Fine Granular Scalability (FGS) image encoding technology that can have various bit rates within a specific range without additional encoding / decoding process There is this.
본 발명의 다른 목적은, 실시간 네트워크의 전송용량을 TCP와 친화적인 관점에서 예측하고 스트리밍에 적합한 전송을 가능하게 하는 TFRC(TCP Friendly Rate Control) 알고리즘 채택에 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to adopt a TCP Friendly Rate Control (TFRC) algorithm that predicts the transmission capacity of a real-time network from a TCP-friendly point of view and enables transmission suitable for streaming.
본 발명의 다른 목적은, 수학적으로 그 성능이 검증된 제어식을 통해 디코더 버퍼의 저장량으로 재생할 수 있는 시간이 일정하게 유지되도록 제어함으로써 연속적인 재생을 보장하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to ensure continuous playback by controlling that the time that can be reproduced with the storage amount of the decoder buffer is maintained constant through a mathematically proven control formula.
본 발명에 따른 디코더 버퍼 제어기를 이용한 TCP 친화적 스트리밍 방법은, 네트워크를 통한 영상 스트리밍 방법에 있어서, (a) 영상 서버에서 영상 프레임을 생성하는 단계; (b) 생성된 영상 프레임을 전송하는 단계; (c) 상기 전송을 모니터링하는 단계; (d) 수신된 상기 영상 프레임을 디코딩하는 단계; (e) 디코더 버퍼 제어기에서 영상의 재생이 단절되는 현상을 방지하고, 연속적인 재생을 보장하도록 상기 (a)단계, (b)단계 및 (c)단계를 조합하는 단계;를 포함하고, 상기 디코더 버퍼에 항상 일정한 시간 동안 재생할 수 있는 영상이 존재하도록 영상의 화질을 적절히 조절함으로써 연속적인 재생을 보장하는 것을 특징으로 하는 디코더 버퍼 제어기를 이용한 TCP 친화적 스트리밍 방법이다.A TCP-friendly streaming method using a decoder buffer controller according to the present invention includes: (a) generating a video frame in a video server; (b) transmitting the generated image frame; (c) monitoring the transmission; (d) decoding the received image frame; (e) combining the steps (a), (b) and (c) to prevent the playback of the video from being interrupted in the decoder buffer controller and to ensure continuous playback. It is a TCP-friendly streaming method using a decoder buffer controller that ensures continuous playback by appropriately adjusting the image quality so that there is always a video that can be played for a certain time in the buffer.
본 발명에 따른 구성에 의하여, 네트워크를 통해 영상을 스트리밍할 때 끊김 없이 연속적인 재생을 보장하게 된다.By the configuration according to the present invention, it is possible to ensure continuous playback without interruption when streaming video over a network.
이하, 본 발명에 따른 디코더 버퍼 제어기를 이용한 TCP 친화적 스트리밍 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a TCP friendly streaming method using a decoder buffer controller according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 디코더 버퍼 제어기를 이용한 TCP 친화적 스트리밍 방법에 사용되는 스트리밍 서버(100)와 재생 클라이언트(200)의 개요도 이다.1 is a schematic diagram of a
도 1에 도시한 바와 같이, 스트리밍 서버(100)는 인코딩된 FGS(Fine Granular Scalability) 영상으로부터 적절한 화질을 가지는 영상 프레임을 만들어 내는 FGS 서버(103), FGS 서버(103)로부터 생성된 영상 프레임이 저장되었다가 패킷화 된 후 예측된 전송용량에 따라 네트워크로 전송되는 스트리밍 버퍼(104), 현재 네트워크(300)의 전송용량을 예측하는 전송용량 측정기(Bandwidth Estimator)(102), 디코더 버퍼(202)와 네트워크(300)의 상태정보를 참조하여 디코더 버퍼(202)를 제어하기 위한 영상의 화질을 계산하는 디코더 버퍼 제어기(101)로 구성되며, 재생 클라이언트(200)는 네트워크(300)를 통해 수신된 영상 패킷이 저장되었다가 디코딩을 위해 영상 프레임으로 복원되는 디코더 버퍼(202)와 복원된 영상 프레임을 원래의 영상으로 디코딩하는 FGS 디코더(203)로 구성된다. As shown in FIG. 1, the
여기서, 스트리밍이 시작되면 FGS 서버(103)는 매 1/프레임률의 시간마다 디코더 버퍼 제어기(101)를 통해 계산된 비트율 f[k]값을 참조하여 f[k]/프레임률의 크기를 가지는 영상 프레임을 생성한다.Here, when streaming starts, the
FGS 서버(103)를 통해 생성된 영상 프레임은 스트리밍 버퍼(104)에 저장되고 TFRC(TCP Friendly Rate Control) 알고리즘을 이용한 전송용량 측정기(102)에 의해 예측되는 네트워크(300)의 전송용량 CS[k]에 따라 패킷화 된 후 네트워크(300)로 전송된다.The video frame generated through the FGS
또한, 디코더 버퍼 제어기(101)는 재생 클라이언트(200)로부터 상태정보(301)가 도착할 때마다 상태정보(301)가 제공하는 디코더 버퍼(202)의 상태정보 e[k]와 전송용량 측정기(102)에 의해 예측되는 네트워크(300)의 전송용량 CS[k]를 제어식에 대입하여 디코더 버퍼(202)를 제어하기 위한 영상에 대한 비트율 f[k]를 계산한다.In addition, the
여기서, 재생 클라이언트(200)측 알고리즘은 스트리밍을 위한 첫 번째 영상 패킷이 도착하면 재생 클라이언트(200)는 곧바로 재생을 시작하지 않고 τd의 초기재생지연을 가진 후에 재생을 시작한다.In this case, when the first video packet for streaming arrives, the
이어서, 재생이 시작되면 FGS 디코더(203)는 매 1/프레임률초마다 디코더 버퍼(202)를 관찰하여 수신된 영상 패킷들을 재생할 영상 프레임으로 복원하고 디코딩한다.Then, when playback starts, the
또한, 스트리밍 서버(100)의 디코더 버퍼 제어기(101)에게 제공될 상태정보(301)를 형성하기 위해 T의 주기적인 시간마다 디코더 버퍼(202)에 저장된 영상의 총 저장량 qd[k]와 수신되는 영상 패킷의 전송률 s[k]를 바탕으로 식 4를 통해 상태정보 e[k](301)를 생성하고 이를 패킷화 하여 스트리밍 서버(100)로 전송한다.In addition, the total storage amount q d [k] of the image stored in the
T의 값은 스트리밍 시스템을 최적화할 수 있는 어떤 값도 허용되지만 일반적으로 1/프레임률로 하는 것이 바람직하다.The value of T is any value that can optimize the streaming system, but is generally preferred to be 1 / frame rate.
또한, s[k]는 실제 네트워크(300)를 통해 전송되는 영상 패킷의 전송률을 의미하는 값으로써 예측된 전송용량 CS[k]와는 구별된다.In addition, s [k] is a value representing a transmission rate of an image packet transmitted through the
도 2는 본 발명에 따른 디코더 버퍼 제어기(101)를 이용한 TCP 친화적 스트리밍 방법에 사용되는 상태정보(301)의 개요도이다.2 is a schematic diagram of the
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 디코더 버퍼(202)의 저장량 자체를 제어하는 것이 아니라 디코더 버퍼(202)의 저장량을 통해 재생할 수 있는 시간을 제어하고자 한다.As shown in FIG. 2, the present invention is not intended to control the storage amount of the
이를 위해 디코더 버퍼(202)의 저장량을 통해 재생할 수 있는 시간을 예측할 수 있어야 하며, 이는 다음과 같은 식으로 계산될 수 있다.
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여기서, 도 2와 같이 디코더 버퍼(202)에 존재하는 영상은 서로 다른 비트율(f1, f2, ... fN)을 가지는 여러 개의 영상의 저장량(qd1, qd2, ... qdN)으로 나누어질 수 있다.Here, as illustrated in FIG. 2, an image present in the
또한, 디코더 버퍼(202)에 N개의 그러한 영상의 종류가 존재하고 각각의 비트율 fn과 저장량 qdn을 알 수 있다면, 디코더 버퍼(202)에 존재하는 영상의 저장량qd[k]를 통해 재생할 수 있는 시간 pd[k]는 식 1과 같이 계산될 수 있다.Further, if there are N kinds of such images in the
그러나, 실제로 각각의 비트율과 저장량을 알기란 쉽지 않으며 따라서 적절한 어림(approximation)이 필요하다.In practice, however, it is not easy to know each bit rate and amount of storage, so appropriate approximation is required.
수학적인 분석에 의하면 제어식은 예상되는 평형점(equilibrium point)의 근처에서 영상에 대한 비트율 f[k]와 전송률 s[k]을 네트워크의 전송용량 CS[k]으로 수렴하게 한다.The mathematical analysis shows that the control equation converges the bit rate f [k] and the rate s [k] of the image to the network's transmission capacity C S [k] near the expected equilibrium point.
따라서 전송률 s[k]을 영상에 대한 비트율 f[k]의 어림값으로 사용할 수 있으며 더욱이 정상상태에서의 전송률은 크게 변화하지 않을 것이라고 예상할 수 있기 때문에 식 1은 다음과 같은 식2로 표현된다.
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또한, 예측되는 재생시간 pd[k]가 초기재생지연 τd으로 유지되도록 하면서, 더불어 디코더 버퍼(202) 저장량의 목표값을 버퍼크기 B보다 작게 만들기 위해, 목표값 qT[k]는 다음과 같은 식 3으로 표현할 수 있다.
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또한, 상태정보(301)는 다음과 같은 식 4로 표현된다.
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식 4에서 보는 바와 같이 상태정보 e[k](301)은 디코더 버퍼(202)에 저장된 영상의 총 저장량과 디코더 버퍼(202)의 총 저장량의 목표값의 차이다.As shown in Equation 4, the state information e [k] 301 is a difference between a total storage amount of an image stored in the
여기서, 제어식은 다음과 같다.
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식 5에서 A와 B는 수렴구간 분석을 통해 구해야 하는 제어기 이득이며, 다음과 같은 값을 가졌을 때 최대의 성능을 보인다.
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여기서, τmax는 네트워크(300)의 RTT(Round Trip Time)와 스트리밍 버퍼(104)와 디코더 버퍼(202)에서 지연되는 시간을 더한 값이 가질 수 있는 최댓값을 의미한다.Here, τ max means the maximum value that a value obtained by adding a round trip time (RTT) of the
여기서, T는 앞서 기술된 바와 같이 상태정보(301)가 주기적으로 갱신되는 간격을 의미한다.Here, T means an interval in which the
식 5의 우측은 두 부분으로 나뉠 수 있다.The right side of equation 5 can be divided into two parts.
CS[k]-CS[k-1]는 영상에 대한 비트율 f[k]가 전송용량 측정기(102)에 의해 예측되는 네트워크 전송량 CS[k]를 따라가도록 하는 부분이다.C S [k] -C S [k-1] is a portion that causes the bit rate f [k] for the image to follow the network throughput C S [k] predicted by the capacity measuring
A(e[k]-e[k-1])+B·T·e[k]는 e[k]의 값이 0으로 수렴하게 하는 부분으로서 결과적으로 디코더 버퍼(202)의 저장량 qd[k]이 목표값 qT[k]로 수렴하게 하는 역할을 한다.A (e [k] -e [k-1]) + B · T · e [k] is a portion that causes the value of e [k] to converge to 0, resulting in the storage amount q d [of the
본 발명은 MPEG(Moving Picture Experts Group)-4 FGS(Fine Granular Scalability) 영상 인코딩 기술을 도입하여 추가적인 인코딩/디코딩 과정 없이 특 정 범위 내에서 다양한 비트율을 가질 수 있는데 그 효과가 있다.The present invention introduces a Moving Picture Experts Group (MPEG) -4 Fine Granular Scalability (GFS) image encoding technology to have various bit rates within a specific range without additional encoding / decoding process.
또한, 상기 본 발명은 TFRC(TCP Friendly Rate Control) 알고리즘을 채택하여 실시간 네트워크의 전송용량을 TCP와 친화적인 관점에서 예측하고 스트리밍에 적합한 전송을 가능하게 하는데 그 효과가 있다.In addition, the present invention employs a TCP Friendly Rate Control (TFRC) algorithm to predict the transmission capacity of a real-time network in a friendly manner with TCP and to enable transmission suitable for streaming.
또한, 상기 본 발명은 연속적인 재생을 보장하기 위하여 수학적으로 그 성능이 검증된 제어식을 통해 디코더 버퍼의 저장량으로 재생할 수 있는 시간이 일정하게 유지되도록 제어하도록 하는데 그 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of controlling to maintain a constant time that can be reproduced with the storage amount of the decoder buffer through a control formula whose performance has been mathematically verified to ensure continuous playback.
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US10075325B2 (en) | 2012-08-22 | 2018-09-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | User terminal device and contents streaming method using the same |
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Publication number | Publication date |
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KR20060003743A (en) | 2006-01-11 |
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