多级联实时流媒体系统关键技术研究

论文摘要

近年来,国内涌现出很多生产监控流媒体产品的厂商,这些厂商的产品主要以音视频压缩板卡,嵌入式视频服务器为主。同时,每个厂商都开发专有的监控流媒体软件平台。但目前市场上的此类产品主要存在以下三个问题:1)视频编码器硬件产品彼此不兼容;2)只能支持几百个点的小规模联网;3)当部署在Internet上时,在易变和不可靠的网络环境下,服务质量不稳定。监控流媒体系统的大规模联网已经涌现出巨大的商机。有很多行业都制定了自己的视频联网规范,例如中国电信的“全球眼2.0视频联网规范”等,但目前市场上并无相应的真正支持大规模联网的监控流媒体平台问世。本文针对以上问题展开研究。监控流媒体系统以视频编码技术为基础。H.264/AVC视频编码标准有着优异的压缩性能。我们发现H.264的帧内预测方法对已知信息的利用并不充分,只利用可用参考像素的30%～60%,此外,H.264/假定同一纹理上所有的像素值是相同的,这没有充分的体现纹理特性。因此,提出一种改进的帧内插值预测技术来改善上述问题。实验结果表明,与JM9.5相比,本文方法使PSNR提高约为0.0088dB,同时码率降低约0.76%。在视频编码中,一个宏块的DCT系数被量化为全零的概率是很高的,在运动估计的过程中,如果能够早期的发现全零的宏块将极大的节省计算资源。为此提出一种改进的快速的模式选择算法,与JM9.5相比,可以节约平均约37.31%的计算复杂度,仪以PSNR降低约0.054dB为代价。为了在Internet上部署大规模的监控流媒体服务网络,提出一种SVSON（Survillance Video Service Overlay Network）监控流媒体服务覆盖网模型。SVSON分为层次的服务管理层和网状的媒体覆盖层两层结构,可以为用户提供需求定制的组合服务。此外,在分析了SVSON的QoS路山问题的基础上,提出一种集中式负载均衡启发式算法SVSHA（SVS Heuristic Algorithm）。该算法综合的考虑了用户功能需求,QoS（Quality of Service）和链路资源,在覆盖网内搜索出最优的服务链路,同时可达到较好的负载均衡。实验表明,SVSHA性能非常接近最优路由算法的性能,在用户请求率为每秒250次的情况下,请求成功率可达到40%。实时流媒体服务具有严格的实时性要求,而Internet是一种不可靠的网络,由于带宽的不稳定性,导致频繁的产生较大的时延和抖动现象。为了能够提供良好的实时流QoS性能,流服务器系统必须能够实时地检测网络状况,及时地调整帧率和发送码率。为此提出一种反馈的实时流媒体QoS控制方案,采用TCP-Like的方法,根据当前码率和客户端的反馈信息来动态调整发送速率,以获得稳定的服务质量。实验结果证明,这种方法使系统的平均抖动时间下降约80%。针对SVSON中分布式存储的视频录像的点播问题,提出一种分段的流媒体代理服务器缓存系统。该系统由流引擎,缓存引擎、调度器和缓存文件管理器四个主要的模块构成。使用分段感知的文件输入输出系统,能够自动进行分段并且智能预取而保证流的连续性,并且根据节目的重要度来确定缓存空间分配的最优。实验结果证明,分段缓存相比前缀缓存系统,平均的启动延时降低了50%以上,字节命中率提高了30%以上。最后,实现了SVSON原型系统,并且在“广东省网吧视频监控系统”项目中得到应用。目前此项目已在广东省境内部署了一千多个服务节点。试运行一年多的时间以来,该系统稳定可靠,效果令人满意。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容
• 1.3 本文的结构
• 2 H.264视频编码技术改进研究
• 2.1 H.264/AVC视频编码概述
• 2.2 率失真优化原理
• 2.3 整数变换与量化分析
• 2.4 H.264帧内预测插值技术分析
• 2.5 一种改进的帧内纹理插值预测方法
• 2.6 全零块早期判断准则
• 2.7 一种改进的快速模式选择算法
• 2.8 实验及结果分析
• 2.9 相关研究工作
• 2.10 本章小结
• 3 SVSON:分布式流媒体系统组合服务模型
• 3.1 缩略语定义
• 3.2 覆盖网理论模型
• 3.3 SVSON覆盖网架构
• 3.4 SVSON的服务提供过程
• 3.5 SVSON的QoS路由算法
• 3.6 性能仿真及分析
• 3.7 相关研究工作
• 3.8 本章小结
• 4 基于反馈的实时流媒体QOS控制方案
• 4.1 缩略语定义
• 4.2 QoS控制模型
• 4.3 端到端时延分析和缓冲区大小控制
• 4.4 视频流参数动态测量
• 4.5 可用带宽估计
• 4.6 QoS控制策略
• 4.7 实验环境
• 4.8 实验方法
• 4.9 性能分析
• 4.10 本章小结
• 5 基于分段的流媒体代理服务器缓存系统
• 5.1 缩略语定义
• 5.2 代理缓存概述
• 5.3 分段缓存系统架构
• 5.4 基于分段的缓存替换方案
• 5.5 实验及结果分析
• 5.6 相关研究工作
• 5.7 本章小结
• 6 SVSON原型系统实现
• 6.1 缩略语定义
• 6.2 系统总体框架
• 6.3 平台设计
• 6.4 可视化的用户界面设计
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文主要工作和创新点
• 7.2 下一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文
• 附录2 攻读博士学位期间参的科研项目