无线网络动态自适应视频播放系统设计
摘 要随着无线网络以及手持智能终端的发展，越来越多的用户选择通过无线网络在线听音乐、看视频，享受着科技进步带来的无穷乐趣。近年来每年的网络总流量呈现几何级增长，其中视频流量占网络总流量的比重也在逐年增长。人们对视频播放过程中的流畅程度以及清晰度的要求也越来越高，然而网络带宽并没有增加很多，因此如何在有限的带宽下，确保用户获得优质的视频观看体验成为亟待解决的问题。课题旨在探究相关因素对流媒体播放系统视频质量的影响，并针对主要影响因素设计相应的自适应播放策略。设计的视频流媒体播放系统在网络仿真软件NS2中运行，在其中添加无线网络遗失模型以及视频流媒体质量评价体系。通过该视频流媒体播放系统，测量了相关因素对视频流媒体播放系统视频质量的影响。测量发现，在压缩量化参数、图像分割组数、封包错误率、封包长度这四个影响因素中，压缩量化参数和封包错误率对最终用户所获得的视频质量影响较大。课题最后针对压缩量化参数设计相关的自适应播放策略。
Key words: Wireless network；Streaming media；NS2；Selfadapting 目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 数字音频 1
1.1.2 数字视频 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 流式存储媒体 2
1.2.2 流式直播媒体 3
1.2.3 实时会议 4
1.3论文的结构安排 4
第2章 系统相关技术 5
2.1 音视频技术 5
2.1.1 音频压缩 5
2.1.2 视频压缩 6
2.2 图像压缩标准 6
2.2.1 JPEG标准 6
2.3.2 MPEG标准 8
2.3 本章小结 9
第3章 系统平台搭建 11
3.1在NS2中扩展无线遗失模型 11
3.1.1 随机统一模型 12
3.1.2 GilbertElliott模型 12
3.1.3 扩展无线遗失模型步骤 13
3.2在NS
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2中扩展视频质量评价体系 15
3.2.1 Evalvid视频质量评价体系 15
3.2.2扩展视频质量评价体系步骤 17
3.3 本章小结 18
第4章 系统设计与实现 19
4.1 无线网络视频播放系统总体设计 19
4.1.1 无线网络视频播放仿真系统的创建 20
4.1.2 无线网络视频播放仿真系统的运行 21
4.2 影响流媒体视频播放系统图像质量的探究 22
4.2.1 压缩量化参数对图像质量的影响 24
4.2.2 图像分割组数对图像质量的影响 26
4.2.3 封包错误率对图像质量的影响 27
4.2.4 封包长度对图像质量的影响 27
4.3 无线网络视频播放系统动态自适应策略设计 28
4.3.1 服务器端任务设计 29
4.3.2 客户端自适应策略 30
4.4 本章小结 31
第5章 总结与展望 33
5.1 总结 33
5.2 展望 33
参考文献 35
致谢 37
附录 39
附录1 NS2中流媒体视频播放系统搭建脚本程序 39
附录2 外文翻译 43
第1章 绪论
1.1 研究背景
早在20世纪70年代，就有通过网络在线听音乐和看视频的想法。随着计算机自身性能日益强大，使得计算机能够较容易的处理音视频的输入与输出，通过个人电脑播放音视频成为可能，同时网络带宽的迅速扩张使得网络的可用性大大提高，突破音视频通过网络传播的瓶颈，大约到2000年实时音视频流量开始迅猛的增长。伴随网络科技发展的客观因素，以及人们对音视频需求逐年增加的主观因素，近年来网络流量中音视频数据所占比例越来越大，美国思科（CISCO）公司预测至2016年，移动网络中视频数据流量将达到70%至90%的份额。伴随着音视频流量的增长，人们对网络音视频也有更高的需求，更流畅的播放体验，更清晰的播放画面，以及更快的播请求响应等等，这些都成为亟待优化解决的问题。下面从最基本的数字音频与数字视频两个方面介绍课题的相关背景。
1.1.1 数字音频
声音是信息的一种载体，是人们沟通的具体形式，也是流媒体的重要组成部分。不是所有的频率范围人耳都能听到的，正常人能够听到20到20000赫兹频率的声音。人耳对持续时间为几毫秒的声音的变化也是异常的敏感。而眼睛却察觉不到持续时间为几毫秒的光度变化。人耳的这种特性，导致流媒体播放系统中声音抖动的影响比图像抖动的影响大得多。数字音频是将声波以数字形式表示出来，这种表示不仅能够较容易地重现音频，而且便于计算机存储。音频是模拟信号，通过麦克风获取音频，经模数转换器转换可以将模拟的音频波转换成数字形式存储下来。与此对应的是数模转换器可以获取存储在磁盘中的数字值，根据此数值产生一个模拟电压。最终扬声器将模拟信号经振膜转换成人耳能识别的声波发送出去，因此人们就能听到数字音频转换后的声音。
1.1.2 数字视频
图像包含丰富的信息，是流媒体不可缺少的部分。人的眼睛有一个特征，当视网膜上出现一幅图像时，视网膜会保留该图像数毫秒。如果一个离散的图像序列以50幅每秒的速率出现在视网膜上，则人睛观察到的结果是连续图像。所有的视频系统的动画效果都利用这个原理。
一个帧序列是视频最简单的数字表示方式，一个由像素或者图像元素组成的矩形网格可构成帧。每个像素由单独的位表示，表示黑或者白。然而一个位只由黑或者白表示的系统，其显示画面质量极差。为使画面效果更好，每个像素用8比特位表示可区分256个灰度级。这样黑白视频也可以表现出很高的质量。在彩色视频系统中，使用8比特位代表红、绿、蓝三原色中的每一个分量。因为通过线性叠加不同比例的红、绿、蓝可以构造出任何一种颜色。在彩色像素中采用24个比特位表示一个像素，这样就有大约1600万种可以表示的颜色，这对于人眼来说是远远足够的。
1.2 研究现状
之前人们从网络上观看音视频，需要从服务器端将整个视频下载下来，不仅费时，而且长时间占用网络带宽。最终可能由于视频内容不能满足用户的需要，用户不完全观看后就将其从磁盘删除，这个过程导致大量资源的浪费。为能够使音视频能够较快的在客户端呈现，实时满足用户的相关需求。经过发展，流媒体技术诞生。目前流媒体的应用可分为三种形式。第一种，早已存储于文件中的流媒体，如视频点播；第二种，现场直播流媒体，如IPTV和网络广播；第三种，实时会议，如语音IP电话或Skype视频会议。这三种情况都是网络流媒体应用的实例，但是它们对网络的要求越来越严格。
Key words: Wireless network；Streaming media；NS2；Selfadapting 目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 数字音频 1
1.1.2 数字视频 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 流式存储媒体 2
1.2.2 流式直播媒体 3
1.2.3 实时会议 4
1.3论文的结构安排 4
第2章 系统相关技术 5
2.1 音视频技术 5
2.1.1 音频压缩 5
2.1.2 视频压缩 6
2.2 图像压缩标准 6
2.2.1 JPEG标准 6
2.3.2 MPEG标准 8
2.3 本章小结 9
第3章 系统平台搭建 11
3.1在NS2中扩展无线遗失模型 11
3.1.1 随机统一模型 12
3.1.2 GilbertElliott模型 12
3.1.3 扩展无线遗失模型步骤 13
3.2在NS
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2中扩展视频质量评价体系 15
3.2.1 Evalvid视频质量评价体系 15
3.2.2扩展视频质量评价体系步骤 17
3.3 本章小结 18
第4章 系统设计与实现 19
4.1 无线网络视频播放系统总体设计 19
4.1.1 无线网络视频播放仿真系统的创建 20
4.1.2 无线网络视频播放仿真系统的运行 21
4.2 影响流媒体视频播放系统图像质量的探究 22
4.2.1 压缩量化参数对图像质量的影响 24
4.2.2 图像分割组数对图像质量的影响 26
4.2.3 封包错误率对图像质量的影响 27
4.2.4 封包长度对图像质量的影响 27
4.3 无线网络视频播放系统动态自适应策略设计 28
4.3.1 服务器端任务设计 29
4.3.2 客户端自适应策略 30
4.4 本章小结 31
第5章 总结与展望 33
5.1 总结 33
5.2 展望 33
参考文献 35
致谢 37
附录 39
附录1 NS2中流媒体视频播放系统搭建脚本程序 39
附录2 外文翻译 43
第1章 绪论
1.1 研究背景
早在20世纪70年代，就有通过网络在线听音乐和看视频的想法。随着计算机自身性能日益强大，使得计算机能够较容易的处理音视频的输入与输出，通过个人电脑播放音视频成为可能，同时网络带宽的迅速扩张使得网络的可用性大大提高，突破音视频通过网络传播的瓶颈，大约到2000年实时音视频流量开始迅猛的增长。伴随网络科技发展的客观因素，以及人们对音视频需求逐年增加的主观因素，近年来网络流量中音视频数据所占比例越来越大，美国思科（CISCO）公司预测至2016年，移动网络中视频数据流量将达到70%至90%的份额。伴随着音视频流量的增长，人们对网络音视频也有更高的需求，更流畅的播放体验，更清晰的播放画面，以及更快的播请求响应等等，这些都成为亟待优化解决的问题。下面从最基本的数字音频与数字视频两个方面介绍课题的相关背景。
1.1.1 数字音频
声音是信息的一种载体，是人们沟通的具体形式，也是流媒体的重要组成部分。不是所有的频率范围人耳都能听到的，正常人能够听到20到20000赫兹频率的声音。人耳对持续时间为几毫秒的声音的变化也是异常的敏感。而眼睛却察觉不到持续时间为几毫秒的光度变化。人耳的这种特性，导致流媒体播放系统中声音抖动的影响比图像抖动的影响大得多。数字音频是将声波以数字形式表示出来，这种表示不仅能够较容易地重现音频，而且便于计算机存储。音频是模拟信号，通过麦克风获取音频，经模数转换器转换可以将模拟的音频波转换成数字形式存储下来。与此对应的是数模转换器可以获取存储在磁盘中的数字值，根据此数值产生一个模拟电压。最终扬声器将模拟信号经振膜转换成人耳能识别的声波发送出去，因此人们就能听到数字音频转换后的声音。
1.1.2 数字视频
图像包含丰富的信息，是流媒体不可缺少的部分。人的眼睛有一个特征，当视网膜上出现一幅图像时，视网膜会保留该图像数毫秒。如果一个离散的图像序列以50幅每秒的速率出现在视网膜上，则人睛观察到的结果是连续图像。所有的视频系统的动画效果都利用这个原理。
一个帧序列是视频最简单的数字表示方式，一个由像素或者图像元素组成的矩形网格可构成帧。每个像素由单独的位表示，表示黑或者白。然而一个位只由黑或者白表示的系统，其显示画面质量极差。为使画面效果更好，每个像素用8比特位表示可区分256个灰度级。这样黑白视频也可以表现出很高的质量。在彩色视频系统中，使用8比特位代表红、绿、蓝三原色中的每一个分量。因为通过线性叠加不同比例的红、绿、蓝可以构造出任何一种颜色。在彩色像素中采用24个比特位表示一个像素，这样就有大约1600万种可以表示的颜色，这对于人眼来说是远远足够的。
1.2 研究现状
之前人们从网络上观看音视频，需要从服务器端将整个视频下载下来，不仅费时，而且长时间占用网络带宽。最终可能由于视频内容不能满足用户的需要，用户不完全观看后就将其从磁盘删除，这个过程导致大量资源的浪费。为能够使音视频能够较快的在客户端呈现，实时满足用户的相关需求。经过发展，流媒体技术诞生。目前流媒体的应用可分为三种形式。第一种，早已存储于文件中的流媒体，如视频点播；第二种，现场直播流媒体，如IPTV和网络广播；第三种，实时会议，如语音IP电话或Skype视频会议。这三种情况都是网络流媒体应用的实例，但是它们对网络的要求越来越严格。
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