基于MPEG标准的多媒体网络传输效果分析与仿真

谢 佳，徐山峰，周 翔，刘志鹏，2

（1.中国电子科学研究院，北京 100041；2.北京理工大学，北京 100081）

基于MPEG标准的多媒体网络传输效果分析与仿真

谢 佳1，徐山峰1，周 翔1，刘志鹏1，2

（1.中国电子科学研究院，北京 100041；2.北京理工大学，北京 100081）

使用myEvalvid-NT仿真软件，选取封包延迟、画面延迟、封包抖动率和画面抖动率4个指标对多媒体网络的视频传输效果进行仿真。经过仿真计算后得到的可解画面比例与理论值非常接近。

多媒体网络，传输效果，myEvalvid-NT，可解画面比例

0 引言

流媒体是多媒体的一种，它指的是采用流式传输的方式在Internet播放的媒体格式，如何通过可量化的手段对多媒体网络的传输效果进行评估已经成为研究的热点。封包长度和封包错误率是网络上传输流媒体时的两项重要因素［1］。在网络上传输视频流时，封包错误率会严重影响到传输图像的质量，因为假使网络上的封包错误率太大，封包遗失的概率变大，此时因为现今的图像编码技术大部分采用阶层式的编码方式，前面遗失的封包将可能导致后来的画面无法译码，造成图像串流质量变差。网络上传输图像时，封包长度将会影响每个frame分割出来的封包数，此外，封包长度的大小本身也会影响网络上的封包错误率的大小。因此，本文的重点将利用封包长度和封包错误率这两个参数对流媒体通信性能进行仿真。

1 可解画面比例的分析模型

可解画面比例的分析模型主要是研究网络上的封包错误率对所传送视频质量的影响［2］。

在MPEG编码中，被编码的视频串流会被分类成3种不同的画面，即I-frame（Intra-coded frame）、P-frame（Predictive-coded frame）和B-frame（Bi-directionally Predictive-coded frame）。I-frame是由它自己本身画面的数据内容作为编码，P-frame是参考先前被编码的I-frame或P-frame及自身的画面数据去做编码，B-frame是参考先前及后来的I-frame或P-frame及自身画面的数据去做编码［1］。MPEG的图像可以分解为以GOP（Group of Picture）为单位去编码。一个GOP的样式用两个参数表示，即G（N，M），其中N表示在一个GOP中，每多少个frame里出现一个I-frame；M表示在一个GOP中，从第1个P-frame开始，每多少个frame里出现一个P-frame。例如在图1所示中，G（12，3）表示在一个GOP中会有1个I-frame、3个P-frame和8个B-frame。第2个I-frame标志着下一个GOP的开始，箭头指示着P-frame和B-frame是根据之前或之后的I-frame或P-frame来做编解码操作［1］。

图1 一个MPEG GOP的例子（N=12，M=3）

可解画面比例是一个在应用层上用来评估图像质量的测量参数，在一个GOP的I-frame里，如果所有属于这个I-frame的封包都能正确地被接收到，称此I-frame是可解码的。而在GOP中的P-frame里，当所有属于这个P-frame的封包都正确地被接收到，且此 P-frame所参考的先前的 I-frame或P-frame可以正确地被解码时，称此P-frame是可解码的。在 GOP中的 B-frame在所有属于这个B-frame的封包都正确地被接收到，且此B-frame所参考的先前及之后的I-frame或P-frame可以正确地被解码时，称此B-frame是可译码的。因此，当某个画面的所有封包和这个画面所参考到的那些画面的所有封包都可以正确地被接收时，称此画面是可解码的［1］。为了更方便阐述本文提出的方法，在表1中列出了接下来公式中所用到的符号及其含义。

表1 相关符号及其含义

在一个GOP中，当属于这个I-frame的所有CI个封包都被正确接收时，此I-frame是可解的。所以在一个GOP中I-frame是可解的概率是：

因此，在此图像（含有NGOP个GOP）中，可解的I-frame数的数学期望值为：

假设在一个GOP中有NP个P-frame，当属于这个P-frame的所有CP个封包都被正确接收到，且此P-frame所参考的先前的I-frame或P-frame均是可解的时，此P-frame是可解的。所以在一个GOP中P-frame是可解的概率是：

因此，在此图像（含有NGOP个GOP）中，可解的P-frame的数学期望值为：

如图1所示，在图像的一个GOP中，连续的B-frame所参考的先前及之后的I-frame或P-frame一致（即相邻的B-frame的可解概率相同），所以在此把2个相邻的B-frame当做一个B-group，分析每个B-group的可解概率。因为当属于一个B-frame的所有CB个封包都被正确地接收到，且此B-frame所参考的先前及之后的I-frame或P-frame是可解的时，此B-frame是可解的，对应B-group也是可解的。每个B-group的可解概率就是该B-group所包含的任意一个B-frame的可解概率。

在一个GOP中每个B-group（1个B-group包含对应图1中2个相邻的B-frame）是可解的概率是：

可解画面比例的意义是所有可以译码的画面数除以一个图像的所有画面数：

综上，基于MPEG标准，在丢包率一定的情况下，传输相同内容的图像，一个GOP中I-frame、P-frame和B-frame的组合方式将直接影响可解画面比例的大小。可解画面比例的值越大，代表图像质量越好。

2 仿真实验

图2 仿真网络结构图

仿真采用的网络拓扑结构如图2所示，视频服务器通过Internet和无线网络传送图像到视频接收客户端，介于视频服务器和无线接入点的连接为有线连接，假设在有线连接上不会发生封包遗失。介于Internet和视频接收客户端的连接为无线802.11连接，在此无线连接上会发生封包遗失的情况，会导致图像质量变差。

本文采用myEvalvid对多媒体网络传输效果进行仿真，myEvalvid是整合了Evalvid和NS-2（Network Simulator Version 2）这两个工具所产生的一组新的工具组［3］。

无线网络丢包率设置为0.02，视频传输封包长度设置为1 024 Bytes，无线路由协议采用DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector），无线信道接入协议采用802.11，接口队列长度设置为2 000 Bytes，图像帧率设置为25 frames/sec，编码标准设置为MPEG，传输协议采用UDP，拓扑范围设置为100 m×100 m。

在多媒体网络的仿真分析上，如果要测试所提出的网络结构对多媒体数据（如图像串流）的效果影响，必须使用影片去做测试。为了避免影片使用上的版权问题，互联网上有许多被分享的video traffic trace文件［4］，这些trace文件是根据真实的影片对每个画面做一些信息的提取（如画面类型、画面大小、播放的时间顺序等），并将这些提取的信息存在一个文件里，让多媒体网络的研究者可以使用这些trace文件去做评估分析［5-6］。

图3 仿真结果图

仿真结果图如图3所示，从图3（a）和图3（b）可知，视频传输过程中封包的延迟趋势和画面的延迟趋势基本吻合。图3（c）和图3（d）直观反映了视频传输过程中封包抖动率和画面抖动率的变化情况。根据仿真中采用的视频trace文件计算得到的仿真参数取值如表2所示。

表2 仿真参数取值

根据上面的仿真参数，按照式（1）～式（5）进行 理论计算：

因为一个B-group有2个B-frame，所以按照式（6），在一个GOP中，B-frame被解出来的期望值为：

整部影片一共有7 500个GOP，被解出来的frame数为：

按照式（7），可解画面比例的理论计算值为：

在myEvalvid-NT中进行视频传输仿真，仿真结果如下：总共传输89 998个画面，其中包含7 500个I-frame，22 500个P-frame和59 998个B-frame；遗失画面3 182个，其中包含555个I-frame，853个P-frame，1 774个B-frame；可解画面比例为0.832 3，与理论计算结果0.827 2非常接近。

3 结束语

通过仿真工具，对多媒体网络进行建模和仿真，可以对多媒体网络的传输效果进行评估，从而降低运营风险和维护成本，提高经济效益。本文对多媒体网络的传输效果进行仿真，并与理论计算值进行比较，得到的仿真结果与理论计算值非常接近，说明了该仿真方法的有效性。

［1］柯志亨，程荣祥，邓德隽，等.NS2仿真实验-多媒体和无线网络通信［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［2］Ziviani A，Wolfinger B E.Joint Adoption of QoS Schemes for MPEG Streams［J］.Multimedia Tools and Applications，2005，26（1）：59-80.

［3］Klaue J，Rathke B，Wolisz A.EvalVid-A Framework for Video Transmission and Quality Evaluation［C］//Proc.of the 13th International Conference on Modelline Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation.USA：Illinois，2003.

［4］Fitzek F H P，Reisslein M.MPEG4 and H.263 Video Traces for Network Performance Evaluation［J］.IEEE Network，2001，15（6）：40-54.

［5］Ziviani A，Rezende J F，Duarte O C M B，et al.Improvine the Delivery Quality of MPEG Video Streams by Using Differentiated Services［C］//2nd European Conference on Universal Multiservice Networks.France：Colmar，2002.

［6］Magalhaes J M H，Guardieriro P R.A New QoS Mapping for Streamed MPEG Video over a DiffServ Domain［C］//IEEE 2002 International Conference on Communications，Circuits and Systems and West Sino Expositions.Brazil：de Uberlandia.2002.

Analysis and Simulation of Transmission Effect in MPEG Multi-media Network

XIE Jia1，XU Shan-feng1，ZHOU Xiang1，LIU Zhi-peng1，2
（1.China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China；
2.Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

With the help of the simulation tool myEvalvid-NT，the performance of video transmission in multi-media network is evaluated by four indicators including packet delay，frame delay，packet jitter and frame jitter.The simulated result of decodable frame rate is very close to the theoretical value of decodable frame rate.

multi-media network，transmission effect，myEvalvid-NT，decodable frame rate

TN919

A

1002-0640（2015）03-0112-04

2014-01-29

2014-03-26

谢 佳（1982- ），男，北京人，工程师，硕士。研究方向：通信应用软件总体设计。