P2P网络立体电视网络传输及播放优化

金志刚，赵西满，何 超，周 圆

P2P网络立体电视网络传输及播放优化

金志刚，赵西满，何 超，周 圆

(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)

为提供稳定高效的网络多视点立体电视服务，设计并实现了网络立体电视中P2P对等体的测量机制和调度机制．P2P对等体测量机制基于多视点视频的传输失真模型对对等体的失真率进行计算评估，应用VoDCrawler软件对P2P网络中影响数据传输的对等体关键参数进行测量，从而将失真率低和数据传输效果好的对等体提供给用户连接，达到优化网络对等体的数据传输的目的．实时分配数据传输任务的调度机制根据对等体列表中每个对等体的测量结果，对数据传输的任务分配进行优化，保证了多视点立体视频的视点完整性以及保证QoS的视频播放服务．实验结果表明，网络立体电视用户在获取服务时的服务质量可满足需求，视频播放的帧速率高且稳定．

IPTV；多视点立体视频；传输失真模型；P2P；网络调度；VoDCrawler软件

立体视频使得观看者可以获取立体视频信息，更接近人类在自然界观看物体的方式．其中发展迅速的是多视点立体技术，可以直接用裸眼观看立体图像与视频[1-2]．多视点立体技术将1帧的多个不同视角的图像拼接合成，合成后的图像在特制的多视点立体显示终端设备上呈现出立体效果[3]．随着近年来宽带技术的发展，高速高带宽的网络已经步入了千家万户，高速视频业务成为主流业务，越来越多的用户希望体验更高质量的立体视频服务．另外，由于多视点立体视频的每一帧图像都由多个视点的图像合成，多视点立体业务有很高的数据率，同时多视点立体视频对于数据丢失非常敏感，较高的数据丢失将会引起视频立体感丢失甚至无法成像的后果[4]．因此，多视点立体视频业务需要QoS(quality of service)保证．

由于网络视频业务具有数据量大、实时性高以及QoS需求的特性，C/S架构无法很好地满足其需求，P2P(peer to peer)结构更适合多视点立体电视的网络传输[5-6]．首先，在P2P模式下，用户的数据不再单纯地依赖于服务器，同时也可以从系统中的其他用户处获取数据，这样不仅大大减轻了服务器的负担，同时用户可以并行从多个数据源获取数据，相同时间内获取的数据更多，可以解决多视点立体电视数据率高的难题．另外，P2P模式可以减轻服务器的负担，相同环境下比C/S模式承载更多的业务和用户．因而采用P2P结构的立体视频传输方案得到了广泛关注.文献[7-8]均提出在现在及今后的大规模商业化运营的网络电视业务中，P2P的架构将是该项业务最基本和最重要的基础部分，这一部分的设计以及实现的效果将直接决定用户数量以及服务质量的水平[9-10].

但是，多视点立体视频相比传统的IPTV具有更高的数据量和QoS要求．基于P2P结构，设计并实现网络多视点立体电视系统需要满足两个明显矛盾的需求：一方面，需要P2P系统中连接到的对等体以高效率的方式发送数据以满足网络多视点立体电视视频的大数据量的需求；另外一方面，还需要在发送数据的同时尽可能少的出现丢包、数据包重发等错误，以满足视频数据进行合成时要求的低错误率．因此，仅采用P2P架构还是无法满足网络多视点立体视频的需求，需要在P2P架构基础上进行进一步优化．

目前，针对网络多视点立体电视系统的传输已经有了不少成果，研究主要集中在提高多视点立体视频的数据压缩率、减小传输中的误码率以及在接收端的视频数据恢复．文献[11]提出了NUEPMuT协议优化P2P网络中多视点立体视频的传输方案，但是该方案仅提出了理论上的可行性以及软件上的仿真．文献[12]提出了一种网络多视点立体电视的数据包的错误隐藏机制，以保证接收端在丢包的情况下依然可以进行错误恢复的同时保持视点间的数据相关性，但是该方案对于多视点立体视频的传输速度没有提高，无法从根本上解决数据量大的问题．另外，数据量大也是制约网络多视点立体电视大规模商业化运营的瓶颈，微软亚洲研究院致力于提供一种实时、互动且可靠的多视点立体视频服务，三菱电气研究实验室也提出了一种多视点立体视频模型，但是这些都由于多视点立体视频数据量过大而无法进行大规模的商业化应用.

在不改变系统物理环境下使得用户获取最大限度的数据传输和QoS保证是本文工作的研究重点．在前期的研究中，本课题组提出了一种P2P系统中的主动测量方法[13-14]，该方法深入研究了大规模P2P IPTV点播覆盖网络，从多个不同角度分析大规模P2P IPTV网络的特性，都有助于用户对系统中其他对等体数据传输“质量”进行评测．此外，文献[15]提出了递归式的多视点视频传输失真模型，该模型针对全网络立体电视根据网络环境进行失真率的计算，由于多视点立体视频具有很高的数据丢失敏感性，因此可以首先进行两对等体之间的失真率的计算，从根本上将那些无法满足要求的对等体剔除，间接地保证了用户的QoS．

笔者以上述多视点视频的传输失真模型和VoDCrawler软件为基础，设计了基于P2P网络中的对等体选择系统和多视点立体电视视频播放调度服务系统．前者是根据多视点视频的传输失真模型以及VoDCrawler，在用户进行系统后接受服务开始，为用户在大量的对等体中进行高质量对等体的筛选工作，从而在连接一定数量的对等体情况下，确保这些对等体能提供最高质量视频数据传输服务．后者是在多视点立体视频播放过程中，根据连接的对等体质量为其分配相应的数据传输任务．这样的设计可以确保从数据源头的对等体以及分配对等体相应的工作两个方面进行系统的优化．

1 多视点视频在P2P网络中的传输失真率评估

本文基于多视点视频的传输失真模型和实时的P2P网络对等体测量，对立体视频失真率以及对等体质量进行评估，在评估的基础上提出对等体选择策略和优化的网络视频传输及调度机制．

1.1 多视点视频的传输预测模型

多视点视频的传输失真模型将当前帧(,)M s t与同一GGoP中的帧联系起来，帧级传输失真预测模型的表达式为

式中：cD为由于信道引起的失真的预测值；s为视点序列号；t为时间；Q为采用帧内编码纠错的编码方式的数据包的百分比；V为采用视点内编码纠错方式的数据包的百分比；aλ、bλ、TECD和VECD为根据视频的内容和编码方式确定的常量；U为采用视点内错误隐藏机制的数据包的百分比；aμ和bμ为与错误隐藏方式相关的常量．

显然式(1)是一个递归表达式，(,)M s t帧的平均传输失真c(,)D s t可以通过迭代计算c(,1)

以P代表平均丢包率，则网络中的包或者以比率P丢失，或者以1-P的比率正确接收．因此，平均传输失真Dc( s, t)还可以表示为

其中

式中α和β为误差传播系数，表示在相邻帧中由信道引起的失真的相关性．一般来说，01α＜＜，01β＜＜．对于给定的视频编码器、错误掩盖算法和视频内容，误差传播系数α和β都是常数．

1.2 P2P网络测量软件VoDCrawler

VoDCrawler的整体运行过程分为2个阶段：被动监测阶段和主动探测阶段，如图1所示.

图1 VoDCrawler工作流程Fig.1 Workflow of VoDCrawler

在被动监测阶段的流量分析中，抽取出跟踪服务器标识，并识别出发送给跟踪服务器的对等体列表请求QT和发送给已知对等体的对等体列表请求QP．抽取出的跟踪服务器标识组成了集合ST．主动探测阶段中，QT被以顺序循环的方式发送给ST中所标识的跟踪服务器．相应地包含对等体列表的应答数据包被分析，找出网络中目前存在的对等体，将它们的标识添加到集合SP．当SP不再为空时，以顺序循环的方式向SP中的已知对等体发送QP．通过对应答的分析，可以发现网络中新的对等体和对等体之间的合作关系，将其分别添加到集合SP和SR中．当网络中当前时刻的绝大多数对等体和对等体合作关系都已经被探测到时，主动探测阶段结束．

2 基于失真模型和VoDCrawler的对等体选择策略

利用多视点视频的传输失真预测模型来估计在包交换网络中采用H.264/MVC编码后的视频的失真率，并应用P2P网络测量软件VoDCrawler主动地测量客户端所形成的P2P 多视点立体电视点播覆盖网络，进而提出了对等体的选择策略．

2.1 基于失真模型的对等体选择

客户进入了系统之后，将消耗一定的时间和带宽对可连接的对等体进行一系列的测量和筛选工作，这种测量和筛选工作主要包括两个方面：首先，客户在进入系统之后必然要与媒体服务器和其他的对等体进行连接，对等体的连接存在了选择性，利用多视点视频的传输失真模型将进行一个用户与对等体之间的传输视频数据时的失真率的评估与计算；其次，在用户所处的P2P模型中，根据VoDCrawler对对等体连接列表中其他对等体参数的测量结果进行对等体“质量”评估，进行对等体的筛选，选择高“质量”对等体进行连接．

采用预先设定阈值的方法进行筛选，这是由于若失真率高于阈值，客户端收到的视频无法呈现立体效果．在预先确定了编码方式之后，客户随机与对等体进行连接，并根据失真模型进行测量，对于返回的失真率进行判断，如果失真率大于等于阈值则将该对等体丢弃掉，如果小于阈值，则将该对等体存入候选对等体列表中，作为用户进行第2轮连接选择的备选对等体．对等体候选连接列表的大小设置为32，此数值是经过大量的测量后得到的一个较为理想的数值，过小会使得候选对等体样本过小，优质的对等体数量过少，无法达到优化的目的，如果过大一方面会浪费用户带宽在大量的对等体的失真率测量上，另一方面会给用户第2次的筛选工作造成过重的负担，同样会浪费带宽．

2.2 基于VoDCrawler的对等体“质量”评测

为了可以主动地测量客户端所形成的P2P 多视点立体电视点播覆盖网络，使用VoDCrawler对以下参数进行测量.

(1) 带宽．带宽是对等体所拥有的网络带宽，是最直观体现对等体为客户提供服务质量的参数．

(2) 网络延迟．网络延迟在这里指的是本系统中一个对等体传输数据从开始到目的对等体经历的时间间隔．这是考量数据传输速度的一个重要参数，小的网络延迟表明用户可以迅速收到自己需要的数据．

(3) 节点度．节点度指对等体节点的合作者的数量，也就是在网络快照图中与节点相连的边的数量．本文认为对等体的节点度是评价该对等体的服务稳定性的一个重要指标，这是因为：首先，往往用户带宽越高则用户可以承受的节点度越高；其次，当对等体节点度高时，用户向其请求数据时该对等体可以以更高的速度和准确率来响应该请求．

(4) 在线时长．在线时长是用于衡量剩余运行时间的重要指标．当对等体从合作者中选取合适的对等体下载视频时，为了保证视频源的稳定性，应该选取那些当前运行时间较长的对等体．一个对等体在线的时间越长则其已经获取的视频的数据量越大，用户对于该视频的兴趣度也就越高，那么该用户的生命周期也就越长，这样就可以保证用户在请求某个视频的分块时命中的可能性越高．

将这些参数作为评估网络对等体参数，将系统中对于用户而言尽可能优质的对等体筛选出来，帮助客户进行有选择的连接对等体，从而获得尽可能优质的服务．

2.3 对等体的替换原则

每个对等体都有4项测量参数：带宽、网络延迟、节点度、在线时长．对于每个参数，将按照以下算法进行对等体“质量”的判断：用户首先根据从服务器处获取的对等体连接列表进行连接，当用户本地的连接数用完之后，用户将以已经连接的对等体为样本对上面4项参数进行取均值操作，如果对等体的某项参数的结果优于均值，则将该对等体的该项参数位标记为1，否则标记为0，对等体参数为1的数量越多，则表明该对等体“质量”越优，并根据用户1的数量进行从高到低的排序．当有新的对等体进入连接列表后，将该对等体的参数值与均值比较，得到新对等体参数中1的数量，如果新对等体“质量”优于已经连接的对等体，则进行替换，并且重新进行4项参数的均值计算，否则放弃新对等体．

服务效率需要通过VoDCrawler的测量结果进行综合分析，如果新加入的对等体的1的数量大于列表中已经存在的对等体的1的数量，则将新加入的对等体加入到列表中．如果列表仍有空余位置，则所有的对等体均存在于列表中；如果列表已经满了，则将0的数量最多的对等体断开连接；当列表中全部由全1的对等体组成时，对等体列表将处于锁死状态，VoDCrawler软件将不再进行对等体的测量工作，直到某些对等体退出列表后，重新激活VoDCrawler的工作．VoDCrawler维护的对等体列表的表项为：IP地址、端口号、带宽、网络延迟、节点度和在线时长．

3 优化的网络视频传输及调度机制

本文设计了P2P网络中实时分配数据传输任务的调度机制，根据对等体列表中每个对等体的测量结果，进行优化的任务分配，从而实现了保证QoS的视频播放服务．P2P网络中的视频传输系统如图2所示，其中调度服务器实现了实时分配数据传输任务的调度机制．

P2P网络的视频服务可以划分为3个阶段．第1个阶段是服务开始阶段：客户正式进入系统，与服务器以及其他对等体连接，并获取服务．第2个阶段是对等体更新阶段：用户的对等体连接列表填充满了之后，用户对对等体连接列表进行更新．第3阶段采用调度机制实现数据传输的实时分配．

图2 P2P网络视频传输系统示意Fig.2 Schematic diagram of P2P network multiview 3D video transmission system

3.1 服务开始阶段

服务开始阶段可以认为是一个用户近似盲目连接的阶段，用户仅仅按照从服务器获取的对等体列表进行顺序连接，没有对等体“质量”的相关信息．在本阶段，客户端运行基于VoDCrawler对对等体的参数进行测量．

3.2 对等体更新阶段

在测量结束之后，客户端已经获得了一个用户的分类列表．客户端根据对等体“质量”的好坏分配相应的任务量，综合性能较好的对等体分配更多的任务量．同时，VoDCrawler将继续运行，目的在于将离开系统和新进入系统的对等体进行更新，实时地将对等体连接列表中离开系统的对等体从列表中清除；另外将新进入的对等体进行相关测量，评估“质量”．

用户周期性地从服务器处获取新的对等体连接列表，用户从服务器处获取了新的对等体列表之后进行以下操作：比较可连接的对等体列表，如果对等体同时存在于服务器对等体列表和用户本地对等体连接列表中，则该对等体将被保留；如果某对等体不存在于服务器对等体列表而存在于用户本地对等体连接列表中，则表明该对等体已经离开系统，用户需要将该对等体从列表中清除；如果某对等体存在于服务器对等体列表而不存在于用户本地对等体连接列表中，则用户对该对等体实行第1阶段中的测量步骤进行测量工作，并将测量结果与本地列表中的对等体测量结果进行比对，根据比对结果决定是否对该新对等体予以保留．

3.3 多视点立体视频播放调度机制

多视点立体视频播放调度机制的目的在于解决两方面的问题：保证视点数的完整以及根据对等体“质量”分配任务量．

首先将不同视点的视频进行分块操作，从而整个视频数据可以形象地看作一个二维矩阵，每行对应于一个视点，每列是该视点的视频分块，因此每个视频数据块就对应一个唯一的二维矩阵编号．编号的编辑是在用户进入系统之后进行，用户确定播放某视频后，服务器会将用户所选择的视频的视点数、视频数据大小等相关信息发送给用户．系统中所有用户及服务器均采用相同的分块规则，这样就使得只要获取了视频数据的大小以及视点数就可以获取全局一致的分块编号．

3.3.1 视点完整性保证机制

由于多视点立体视频具有多个视点，因此系统必须时刻保证所有的视点均被传输，即保证视点数的完整性．但是，在系统实际运行中，经过筛选后的对等体有可能出现视点缺失的情况．为了避免这种情况的发生，选择对等体必须考虑视点稀缺性，以保证用户能够收到全部视点．

为了实现视点完整性保证机制，本文引入如下算法．

(1) 接入系统，请求立体视频．

(2) 获取视频头、视频格式数据(包括视点信息和编码信息、字节数、网络数据包的分布)．

(3) 统计并确定数据的重要程度，分为不可丢失的(丢失后必须重传的)、允许丢失的(丢失后不必还原也不必恢复的)以及丢失后可以通过算法恢复的.

(4) 对于接收到的数据包进行RS误码纠错．

(5) 在收到10,000个数据包之后对数据包进行统计排序，根据数据包重要程度分级，对其中突发丢失的数据包进行重传等不同操作，针对影响较大的Intra Frame，进行帧间和视点间补偿操作．否则，认为可以丢弃．

(6) 对等体接受不同视点的数据设置8个指示位，如果可以接收到某视点的数据，则该视点对应的数据位为1；否则，该数据维持0．

(7) 在对等体列表中的所有对等体均列表完毕后，检查8个指示位，如果全为1则继续维持现状；如果某位为0，则对等体连接视频服务器，请求指示位为0的视点的数据．

(8) 播放立体视频．

3.3.2 基于对等体“质量”的负载分配机制

优化后的调度方法在于将数据传输的主要负载分配在视频服务器和“质量”好的对等体上，其他的对等体则分配相对较小的负载．负载的分配是基于以下原则：“质量”好的对等体负责传输尽可能多的视点以及没有播放过的视频数据，其他的对等体负责传输少量的视点以及已经播放过但是没有正确传输的视频数据．具体的调度方法如下.

(1) 设置当前正在播放的视频帧序号为0，后面依次设置7个数据位分别代表即将播放的视频帧，如果该数据位为1，则代表该帧的8个视点已经全部下载完毕，该帧可以正常播放．

(2) 将序号为1～7的帧数据包分配给失真率数据位为1的对等体，这是由于这些对等体相对传输稳定可靠，传输速度快．

(3) 序号1～7之外的数据包让对等体自由下载．对于节点度为1和对等体在线时长位为1的对等体，认为它们本身已经或者可以下载到较大的视频数据量，因此为其分配不太紧急但是数据量巨大的视频数据传输任务．

(4) 每播放完1帧，则后面的数据包自动向前补齐．

采用这样的调度方法的好处在于能够有效将筛选优化后的资源进行合理调度与整合，根据不同对等体自身的特点为其分配能够最大发挥其资源特性的任务，从而最终达到了整体系统优化的目的．

4 实验结果与分析

根据前文所述算法，使用8视点视频进行实验，对普通的中心式P2P模式和本文提出的P2P传输调度方法进行比较，实验环境的网络带宽为1,000,Mb/s；视频长度为4′25′，8视点视频大小均为46,MB，实验设备如表2所示.

表2 实验设备清单Tab.2 List of experiment device

实验过程分为2部分：首先采用普通中心式的P2P进行实验，记录一个新加入的用户从进入系统开始到视频传输完成的平均传输时间；然后采用优化后的P2P进行实验，记录同样的数据进行对比．P2P模式与C/S模式相比，解决了视频服务器的硬件和网络瓶颈，使服务器用户下载速度有较大提高．

实验结果如表3所示．与普通的中心式P2P模式相比，增加了调度算法的方法，提高了对等体的下载速度，并且明显降低了单个视点下载速度的方差.

表3 增加调度算法前后数据传输速度对比Tab.3 Speeds comparison between tranditional P2P and P2P with scheduling algorithm

由表3可知，单个视点的平均传输速度提高0.07,MB/s，从而8个视点视频的数据传输速度可提高0.56,MB/s．这表明对等体优化的确可以将“质量”更优的对等体筛选出供用户连接，从而在数据传输速度上有较大提高，单位时间传输的数据量的角度满足了多视点立体视频的高数据率的需求．采用本文提出的调度算法后，各个视点下载速度的方差远小于采用普通P2P模式下载时各个视点下载速度的方差，单个视点下载速度方差从0.29下降到0.07．这表明增加调度算法后，各视点的下载速度更加均匀，有利于多视点视频的同步播放．

各个视点的平均下载速度如图3所示．使用传输调度的下载方式，各个视点下载速度方差较小，减少了视点间的同步等待时间，对多视点立体视频的播放质量有较大提高．从图3也可以看出采用了调度优化机制的用户获取数据明显比普通P2P平稳，所以用户的每个视点均可以获得稳定的传输，从而在保证视点完整性的同时，也消除了因传输速度不稳引起的短时间立体效果消失以及无法成像的隐患．

图3 增加调度算法前后的传输平稳度对比Fig.3 Stability comparison between trandinational P2P and P2P with scheduling algorithm

5 结 论

(1) 本文主要对网络立体电视系统中的服务优化进行了2方面的深入研究：首先依据多视点视频的传输失真模型和VoDCrawler软件，提出了P2P对等体的测量机制，实现高质量的对等体选择策略；另一方面，根据对等体选择策略，优化了对等体的网络连接和传输，设计了实时分配数据传输任务的调度机制．通过这两方面的研究，提高了P2P网络中用户间数据的传输速度，实现了QoS保证的立体视频播放服务．

(2) 实验结果表明，本文提出的对等体网络连接与传输机制，能够有效提高数据传输的速度和稳定性，,满足多视点立体视频的高数据率和多视点同步的需求．

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Improvement of Transmission and Video Play of P2P Network Multiview 3D Television

JIN Zhi-gang，ZHAO Xi-man，HE Chao，ZHOU Yuan
(School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to provide stable and efficient multiview 3D video service, the P2P connection filtration mechanism and the transmission scheduling mechanism of network multiview 3D video system were proposed. P2P connection filtration mechanism evaluated the loss rate of other peers based on the channel distortion model for multiview video transmission, and VodCrawler was used to measure the key metrics which would affect P2P transmission. According to the results of the P2P connection filtration mechanism, the system provided the clients with peers that had low loss rate and better network data transmission to improve the data transmission between clients. The transmission scheduling mechanism implemented improved task allocation based on the measurement of peers to guarantee the completeness of the views and video play with QoS. Experiment results demonstrate that network multiview 3D video clients have better service quality and the video frame per second (FPS) is higher and more stable in the proposed network multiview 3D video system.

IPTV；multiview 3D video；channel distortion model；P2P；network scheduling；VoDCrawler

TN919.85

A

0493-2137(2012)07-0622-07

2011-06-30；

2011-12-30.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA01A336).

金志刚（1972— ），男，教授，zgjin @tju.edu.cn.

赵西满，simon@tju.edu.cn.