??? 摘? 要： 本文提出了基于多描述編碼的Peer to Peer方式視頻流直播方案，并對(duì)該方案中P2P方式視頻發(fā)布與接收策略進(jìn)行了介紹。
??? 關(guān)鍵詞： MDC? Peer to Peer? 視頻流

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??? 隨著通信技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益完善，傳統(tǒng)的、基于文本和圖片瀏覽的Internet服務(wù)已逐漸被以音視頻為主體的網(wǎng)絡(luò)多媒體服務(wù)所取代。以音視頻為主的多媒體服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和傳輸實(shí)時(shí)性的要求是傳統(tǒng)Internet服務(wù)業(yè)務(wù)所不可比擬的。如何在現(xiàn)有的Internet環(huán)境下有效地發(fā)送音視頻數(shù)據(jù)，提供用戶滿意的網(wǎng)絡(luò)多媒體服務(wù)是現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。本文討論了一種結(jié)合多描述編碼的方法，用P2P方式進(jìn)行視頻流發(fā)送的方案。
1? P2P技術(shù)介紹
??? P2P技術(shù)是一種用于不同PC用戶之間共享計(jì)算機(jī)資源的技術(shù)。位于網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)用戶都是一個(gè)對(duì)等實(shí)體（Peer），他們彼此獨(dú)立又可以互相協(xié)作，既是服務(wù)的提供者又是享用者。早期的P2P網(wǎng)絡(luò)已在分布式計(jì)算、即時(shí)通信和文件共享等領(lǐng)域取得了顯著成就。
??? 這里特別值得一提的是近幾年興起的、采用P2P方式的BT（bit torrent）文件下載。它的基本思想是將一個(gè)大的文件分成許多小的片斷，下載用戶非順序地從網(wǎng)絡(luò)中其他用戶處下載文件的各個(gè)分片。當(dāng)用戶下載完某個(gè)完整的分片后，又可將該分片共享，供其他用戶下載。與傳統(tǒng)的C/S方式文件下載相比，這種P2P下載方式的特點(diǎn)是用戶越多下載速度越快，可以最大限度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。
??? 但這種文件下載方式不能直接用于視頻流的發(fā)送，特別是對(duì)視頻流直播方式不太適合。對(duì)于直播視頻流來說，它的數(shù)據(jù)流是實(shí)時(shí)產(chǎn)生的(不同于文件方式，待發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)存放于本地存儲(chǔ)內(nèi))，同時(shí)視頻直播流的接收和觀看必須是實(shí)時(shí)和順序進(jìn)行的?，F(xiàn)在基于P2P的視頻直播多采用基于應(yīng)用層的組播方式，視頻流發(fā)送是通過構(gòu)建組播樹方式進(jìn)行的。每個(gè)用戶（組播樹上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)）從自己的父節(jié)點(diǎn)處獲取完整的視頻流進(jìn)行收看，同時(shí)向下游的兒子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)視頻數(shù)據(jù)。在這種方式下，對(duì)組播樹中的每個(gè)Peer節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)I/O帶寬都有較高要求(在某些用戶接入方式下工作不太理想。如ADSL用戶，上下行通道不對(duì)稱，上行帶寬很窄)。并且當(dāng)組播樹的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，特別是位于上層的節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，組播樹的恢復(fù)存在一定難度和時(shí)延。
2? 多描述編碼
??? 多描述編碼MDC(Multiple Description Coding)假設(shè)在信源和信道之間有多個(gè)信道，各個(gè)信道同時(shí)出錯(cuò)的概率非常低。通過生成多個(gè)同等重要、可獨(dú)立解碼的關(guān)于編碼的描述，保證在其中一些描述丟失時(shí)，仍可以得到可接受的信號(hào)。因此，多描述編碼在基于包的網(wǎng)絡(luò)、無有效保護(hù)機(jī)制的Internet、分集通信系統(tǒng)（多天線的無線信道）、語音編碼、圖像編碼、視頻編碼、多分布的存儲(chǔ)系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。
??? 針對(duì)視頻的多描述編碼構(gòu)造方法很多，最簡(jiǎn)單直觀的方法是針對(duì)空間分辨率、時(shí)間分辨率進(jìn)行亞抽樣，編碼成多路描述碼流。此外，還有多描述量化、多描述變換編碼及基于FEC的多描述編碼。
3? 基于MDC的P2P視頻直播方案
??? 通過對(duì)MDC和P2P技術(shù)的分析可知，這兩項(xiàng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)據(jù)傳輸中有顯著的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。但將這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行視頻直播，且能發(fā)揮其各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)的方案還未見到。本文提出的視頻直播方案，對(duì)原始視頻采用多描述編碼，形成多路碼流；對(duì)編碼后的多路描述流采用P2P方式，使多點(diǎn)（即多個(gè)Peer）相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)多徑傳輸。具體方案如下。
3.1 MDC編解碼模型
??? 如圖1所示，對(duì)原始圖像幀進(jìn)行空間亞抽樣，形成低分辨率的視頻子流。按2ⁿ(n可以取1，2，3，……)進(jìn)行水平和垂直方向的亞抽樣。這樣一路原始視頻流經(jīng)空間亞抽樣后可形成4路、16路等2²ⁿ路視頻子流。具體的抽樣間隔根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。對(duì)每路視頻子流進(jìn)行單獨(dú)編碼，可得到2²ⁿ路編碼描述子流。編碼后的描述子流通過不同的信道發(fā)往接收者（實(shí)際上在P2P的發(fā)送方式下，不同的描述子流是由不同的Peer發(fā)往接收者）。接收者對(duì)每路描述子流進(jìn)行單獨(dú)的接收和解碼，并將解碼后的視頻流合成為原始視頻流。如果只接收到部分視頻子流，也可以通過相應(yīng)的插值算法恢復(fù)出原始視頻圖像。

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??? 第四步：子流轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的選擇：①優(yōu)先從本地網(wǎng)絡(luò)Peer中選取轉(zhuǎn)發(fā)描述子流。②不同的子流盡量從不同的Peer上接收。選擇了轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器后，向選擇的Peer發(fā)送請(qǐng)求，要求其傳送各自的描述子流數(shù)據(jù)。
??? (3)接收過程
??? 對(duì)不同的描述子流分別啟動(dòng)單獨(dú)的線程進(jìn)行接收和解碼。解碼后的多路視頻幀置于合成處理緩沖區(qū)中。對(duì)每幀數(shù)據(jù)的處理設(shè)置一個(gè)最大容忍時(shí)間。當(dāng)容忍時(shí)間到達(dá)時(shí)，應(yīng)根據(jù)處理緩沖區(qū)中收到的解碼后的子幀編號(hào)，選擇相應(yīng)的原始幀恢復(fù)算法對(duì)圖像進(jìn)行恢復(fù)并顯示。如果一路視頻流的所有描述子流都及時(shí)收到并解碼，則可完全恢復(fù)原始視頻圖像，否則要經(jīng)過插值處理來得到原始圖像。
??? 在整個(gè)接收過程中，用戶同時(shí)對(duì)正確接收到的描述子流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)時(shí)延和丟包大的子流，用戶可以啟動(dòng)搜索線程，尋找新的Peer來獲取該路描述子流。對(duì)于接收狀態(tài)良好的子流，用戶可以生成報(bào)告信息發(fā)往發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行“登記”。“告訴”發(fā)布服務(wù)器，“自己”可以對(duì)該路視頻流的哪些“子流”進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
??? (4)連接丟失處理
??? 如果用戶的某路連接丟失(可能是由于網(wǎng)絡(luò)故障，或是作為該路流下載服務(wù)器的Peer關(guān)機(jī)或離開），則接收者向發(fā)布服務(wù)器（或本地用戶）發(fā)出該路子流的下載請(qǐng)求，以尋找新的下載服務(wù)器(Peer)。與此同時(shí)，該用戶仍然可以根據(jù)其他可接收到的子流正常收看視頻節(jié)目。
4? 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒榻B
??? 初步的仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過路由器連接兩個(gè)局域網(wǎng)構(gòu)成的小型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行。模擬實(shí)驗(yàn)共使用15臺(tái)PC機(jī)。PC均為PⅢ800，內(nèi)存128MB以上配置，并配備100MB快速以太網(wǎng)卡。其中一臺(tái)PC作為種子視頻服務(wù)器和內(nèi)容發(fā)布服務(wù)器，其他分布在兩個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)作為客戶機(jī)。播出的視頻流以H.263標(biāo)準(zhǔn)編碼模型為基礎(chǔ)，對(duì)CIF格式原始視頻流進(jìn)行空間亞抽樣分成4路QCIF格式的子流。對(duì)這4路流單獨(dú)進(jìn)行編碼，形成4路單獨(dú)的描述子流，然后進(jìn)行RTP打包發(fā)送給用戶?？蛻舳说慕尤?、peer搜索、視頻數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)算法按照上一章介紹的算法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在客戶端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)通過隨機(jī)丟包和延時(shí)傳送方式，模擬網(wǎng)絡(luò)的丟包和傳輸延時(shí)。仿真實(shí)驗(yàn)采用主觀評(píng)價(jià)方式。實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下建立的基于MDC編碼的P2P視頻流發(fā)布系統(tǒng)模型可以進(jìn)行較理想的視頻發(fā)布和接收。用戶可以收看到清晰流暢的視頻圖像，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包和連接丟失有一定容錯(cuò)性。
5? 總? 結(jié)
??? 本文提出的方案能更好地發(fā)揮P2P方式下多用戶協(xié)作特性，充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行視頻流發(fā)送。同時(shí)由于編碼采用MDC方式，該方案能更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬變化，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膩G包和延時(shí)有較好的適應(yīng)性和容錯(cuò)性。當(dāng)然該方案還處于一個(gè)較為簡(jiǎn)單的模型階段，今后還將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：(1)進(jìn)一步完善P2P播出算法。(2)找到效率更高的MDC編碼算法。(3)完善系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在更大范圍的真實(shí)環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。
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