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网络视频质量评价方法研究毕业设计论文
保密类别 编号200710413003
毕业论文
网络视频质量评价方法研究
学院信息工程学院
专业广播电视工程
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解XX大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
网络视频质量评价方法研究
摘 要
互联网的迅猛发展和普及为网络视频业务发展提供了强大市场动力，以音视频为主的网络视频业务正变得日益流行。
网络视频技术广泛用于社会生活的方方面面。
网络视频技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活将产生深远的影响。
如何对网络视频质量进行评价已经成为当前热点研究课题。
本课题根据网络视频传输的服务质量（QoS）的参数设计了一个提取RTP包头信息，计算丢包率、抖动等网络质量参数的软件系统。
本文分析了网络视频传输和压缩的原理和技术，计算机网络体系结构中网络视频传输使用到的协议，以及网络视频传输的服务质量（QoS）。
介绍了本课题设计并实现的监测网络视频传输质量的软件。
该软件具有网络视频点播、网络视频播放、网络实时抓包、计算丢包和抖动的传输质量参数的功能，能实时反映出网络状况与视频播放效果的直接关系。
关键词：
网络视频，RTP，抓包，服务质量（QoS），抖动
Researchofnetworkvideoqualityevaluationmethods
LeiXiaoHua
ABSTRACT
TherapiddevelopmentandpopularizationofInternethasprovidedastrongmarketmomentumtothenetworkvideo,businessbasedonnetworkvideoisbecomingincreasinglypopular.Networkvideotechnologyiswidelyusedinvariousaspectsofsociallife.Networkvideotechnologieswillnotonlyhaverevolutionarychangestonetwork’sinformationexchange,butalsohaveprofoundchangestopeople'sworkandlife.Theinternetvideoqualityevaluationhasbecomethehotspotresearchinrecentyear.
Thissubjectbasedoninternetvideotransmission’sQualityofService（QoS）.DesignedtoobtaintheRTPheaderinformation,computethepacketloserateandjitteronthenetworktransmission.
Thisarticleanalysesthetransmitandcompressedtechnologyofnetworkvideo,protocolincomputernetworkarchitecturethatusedtotransmitnetworkvideo,andnetworkvideotransmission’sQualityofService（QoS）.Introducingthedesignandimplementationofsoftwaremonitoringnetworkvideotransportationquality.Thissoftwaresystemhasfourmainfunctionsofvideoondemand、videoplay、packetscaptureandcomputenetworktransmissionquality,soitcanreflecttherelationshipbetweenqualityofvideoplayandnetworkconditioninrealtime.
Keywords:
NetworkVideo,RTP,CapturePacket,QoS,Jitter
一、绪论
随着计算机网络的发展和普及，网络视频业务取得了突飞猛进的发展。
网络视频技术广泛用于社会生活的方方面面。
网络视频技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活将产生深远的影响。
与此同时，如何对网络视频进行质量评价已经成为热点课题。
（一）课题研究的背景和意义
互联网的迅猛发展和普及为网络视频业务发展提供了强大市场动力，以音视频为主的网络视频业务正变得日益流行。
网络视频技术广泛用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面。
网络视频技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活将产生深远的影响。
网络视频市场规模发展如图1-1：
图1-12006-2010年中国网络视频市场规模及增长率
由于像网络视频这样的多媒体信息的传输与传统的文本数据等非实时信息的传输不同，拥有着自己的特点：
一是多媒体信息的信息量往往很大；二是在传输多媒体数据时，对时延和时延抖动均有较高的要求。
当网络拥塞时，对于非实时传输而言，只是延长了传输时间，影响较小；而对于实时视频传输而言，数据不能按时按量到达将导致视频服务质量的明显下降。
根据各研究机构及各运营商实验网的测试表明，随着网络视频业务用户数量的增加，必将不可避免地导致用于传输以视频为主的网络视频业务的网络带宽扩展需求，网络带宽的限制与用户对业务质量要求的矛盾日渐突出。
由于IP网络环境是一个“尽最大努力交付”的网络，不提供任何机制来预留资源或保证服务质量，所以在IP网络环境下以网络视频为主的流媒体的传输质量成为影响流媒体业务开展的关键问题。
目前网络视频传输的主要问题是：
多媒体数据报的延迟、丢失、抖动。
延时可能导致媒体播放停顿，由于网络拥塞造成的丢包可能使某些图像帧无法解码，从而导致视频图像不清晰甚至马赛克。
传输延迟时间的不一致会带来的抖动，造成视频画面的非匀速播放。
网络质量不好则会造成丢包，严重影响视频的质量。
而对数据传输的时延、抖动、丢包率等传输服务质量参数进行有效的监测和计算，对流媒体服务质量动态控制提供了客观依据。
（二）本课题研究的热点及发展现状
目前网络视频码流分析的产品都是针对IPTV的。
其中监测设备主要用于设备和系统部署完成后对系统进行监视，测试设备主要用于在系统部署之前对系统和系统中用到的设备进行测试和验证。
主流产品如下[1]：
1.ClearSightNetworks及其产品Clearsight
ClearSightNetworks是网络监测领域分布式实时分析、应用故障分析与解决的领导提供商。
它在2001年成立，2003年10月开始销售，目前全世界范围大约1000多客户，主要产品有ClearSight软件分析仪、10/100全双工分析仪、Gigabit分析仪，以及10Gigabit分析仪。
2.IneoQuest公司及其产品
IneoQuest公司成立于2001年，总部设在美国波士顿郊Mansfield。
该公司的宗旨是提供IP传输视频（VideooverIP）系统测量和监控的解决方案。
其主要开发的产品应用有IP传输视频信号编码的模拟、IP视频流的捕捉、IP视频流的监控，以及IP视频流质量的分析。
其用于视频流监控的产品有IneoQuestSingulusG1-T（硬件平台），以及控制SingulusG1-T的软件应用程序Controller和IQMediaMonitor。
3.Shenick及其产品diversifEye
ShenickdiversifEye产品是IPTV性能测试工具。
它可以在现有网络情况下，性能评估出现有网络支持的最大用户数，也可以模拟成千上万用户全天候24小时访问IPTV系统的情况，特别适合IPTV网络规划，设计，优化，维护等。
4.IXIA公司及其产品
IXIA公司是总部设在美国加州的全球性公司，已在纳斯达克上市公司,代号为XXIA。
该公司是L2-L7性能测试和一致性测试方案提供商，专注于IP测试技术的研究和开发。
到目前为止，其发货量超过150,000测试端口，硬件客户大约有1000个，软件客户大约有5000个。
IXIA提供L2-7层统一平台的解决方案，硬件具有前向和后向兼容性；其测试产品通过对大量的测试参数进行精密控制来显现测试结果；所提供的板块的每个端口都有独立的CPU和FPGA，具有强大的功能；而且提供完整的自动化测试套件，在整个测试环境中自动执行所有功能。
主流产品性能指标统计如表1-1：
技术指标
Clearsight
IneoQuest
diversifEye
IXIA
侧重领域
监测
监测
测试
测试
是否支持IPv4/v6
是
目前不支持IPv6
是
是
抓包能力
支持100/10M、GE、10GE
支持100/10M、GE、10GE
支持100/10M、GE、10GE
支持100/10M、GE
是否支持常用的4－7层协议的分析
是
部分支持
是
是
是否支持实时分析能力
是
是
\
\
支持的视频质量度量指标
基于V-Factor
基于MDI
基于MDI
基于MDI和V-Factor
是否支持分布式控制
支持协议的分段分析
支持远程控制
支持远程控制
支持远程控制
表1-1主流产品性能指标
（三）本课题的主要工作和结构安排
1.主要工作
在局域网内通过广域网模拟器模拟现实网络环境，进行不同丢包率下视频点播的传输数据和视频观看质量的监测实验。
其中，服务器由应用程序live555承担，点播客户端由嵌入VLCPlayer的C++应用程序实现。
本课题的主要任务是在客户端实现网络抓包、数据分析。
2.结构安排
本文共分为五章，每章具体内容如下：
一、绪论。
包括了课题研究的背景和意义，本课题研究的热点及发展现状等。
二、网络视频传输的主要技术。
主要包括了四个方面：
网络视频服务技术，网络视频压缩技术，流式传输技术及原理，网络视频传输的服务质量（QoS）。
三、传输协议分析。
包括了两个层次：
传输层协议，包括TCP和UDP；应用层协议，包括RTP，RTCP和RTSP。
四、传输质量监测设计与实现。
主要介绍了软件实现的过程：
QoS参数的计算方法，实验环境介绍，软件总体设计。
五、测试结果与结论。
包括了软件抓包性能的测试，丢包率对于视频质量的影响，抖动对于视频质量的影响。
二、网络视频传输的主要技术
（一）网络视频服务主流技术
经过压缩的声音或者电视文件可以放在Web服务器上，或者放在声音/电视流放服务器上。
对于前一种情况，由Web服务器通过HTTP协议把文件传送给客户。
对于后一种情况，由流放服务器通过非HTTP协议把文件传送给客户。
由于声音点播和影视点播应用还没有完全直接集成到现在的Web浏览器中，就需要一个单独的应用程序——媒体播放器来播放声音和影视。
典型的媒体播放器要执行好几个功能，包括解压缩、消除抖动、错误纠正和用户播放等功能。
现在可以使用像插件这种技术把媒体播放器的用户接口放在Web客户机的用户界面上，浏览器在当前Web页面上保留屏幕空间，并且由媒体播放器来管理。
目前，客户机可使用几种方法来读取声音和影视文件，下面介绍其中的三种。
1.通过Web浏览器把声音/电视从Web服务器传送给媒体播放器
对客户机读取多媒体的最简单方法是把声音/电视文件放到HTTP服务器上，然后通过浏览器把文件传送给媒体播放器（如图2-1所示），过程如下[2]：
1.Web浏览器与Web服务器建立TCP连接，然后提交HTTP请求消息请求传送声音/电视文件。
2.Web服务器给Web浏览器发送响应消息和请求的声音/电视文件。
3.Web浏览器检查HTTP响应消息中的内容的类型，调用相应的媒体播放器，然后把声音/电视文件或者是指向文件的指针递送给媒体播放器。
这种方法虽然简单，但存在比较大的时延问题。
因为媒体播放器必须通过第三者——Web浏览器才能从Web服务器上得到声音/电视文件，而且浏览器需要把整个文件从Web服务器下载到浏览器之后才把它传送给媒体播放器。
这样做的结果是，即使对中等大小的文件，在这传输过程中引入的播放时延也是很难接受的。
图2-1通过Web浏览器把声音/电视从Web服务器传送给媒体播放器
2.直接把声音/电视从Web服务器传送给媒体播放器
为把声音/电视文件直接传输给媒体播放器，须要在Web服务器和媒体播放器之间建立直接的TCP连接（如图2-2所示），这可通过下面的方法来实现[2]：
1.用户点击超级链接以请求传送声音/电视文件。
2.这个超级链接不直接指向声音/电视文件，而是指向一个播放说明文件，这个文件包含有实际的声音/电视文件的地址（URL）。
播放说明文件被封装在HTTP响应消息中。
3.Web浏览器接收到HTTP响应消息之后就检查响应消息中的内容的类型，调用相应的媒体播放器，然后把响应消息中的播放说明文件传送给媒体播放器。
4.媒体播放器直接与Web服务器建立TCP连接，然后把传送声音/电视文件的HTTP请求消息发送到TCP连接上。
5.在HTTP响应消息中把声音/电视文件传送该媒体播放器并开始播放。
前面提到的播放说明文件是有关声音/电视文件本身的文件，也称元文件（metafile），它可以是仅由声音/电视文件网址组成的只有一行的文本文件，也可以包含更多内容的文件。
例如，播放说明文件可以是同步多媒体集成语言（SynchronizedMultimediaIntegrationLanguage，SMIL）文件，这是由W3C提出的在Web页面上显示电视的语言。
这种文件可以包含多个声音/电视文件以及如何播放的使用说明，说明在播放文件时各种声音/电视文件应该如何同步等。
但这种方法依然使用HTTP传送文件，不容易使用户获得与Web服务器的满意的交互性能，如暂停、从头开始重放等功能。
虽然在市场上有这种产品，但一般不推荐这种结构。
图2-2直接把声音/电视从Web服务器传送给媒体播放器
3.直接把声音/电视从多媒体流放服务器传送给媒体播放器
第三种方法是可考虑从独立的多媒体服务器（如声音服务器、电视服务器）把多媒体文件传送给媒体播放器[2]。
这种策略允许应用开发人员为多媒体点播设计一种流式播放协议。
这种方案需要两个服务器：
一个是HTTP服务器，用于Web页面服务；另一个是流放服务器，用于声音/电视文件服务（如图2-3所示）。
两个服务器可以运行在同一服务机上，也可以运行在不同的服务机上。
如果Web服务器非常繁忙，使用两台服务机有助于减轻服务器负载。
使用这种结构，媒体播放器就向流放服务器请求传送文件，而不是向Web服务器请求传送文件，媒体播放器和流放服务器之间可以使用它们自己的协议进行通信，声音/电视文件可以使用UDP而不是TCP直接从流放服务器传送给媒体播放器。
图2-3直接把声音/电视从多媒体流放服务器传送给媒体播放器
（二）网络视频压缩技术
数字化的视音频信息，其数据量非常大。
不仅需要大容量的存储设备，而且对网络的传输和数据的处理也提出了很高的要求。
即使硬件技术发展得再快，如果不对信息进行压缩，多媒体技术也很难有很大的发展，多媒体技术的应用也会受到很大的限制。
1.视频编码原理[3][4]
所有视频标准都采用基于模块的处理方式。
每个宏模块一般包含4个8*8的亮度块和2个8*8的色度块（4:
2:
0色度格式）。
视频编码基于运动补偿预测（MC），变换与量化及熵编码。
图2-4说明的是一种典型的、基于运动补偿的视频编解码技术。
在运动补偿中，通过预测与最新编码的（"参考"）视频帧处于同一区域的视频帧中各宏模块的像素来实现压缩。
例如，背景区域通常在各帧之间保持不变，因此不需要在每个帧中重新传输。
运动估计（ME）是确定当前帧——即与它最相似的参考帧的16*16区域中每个MB的过程。
ME通常是视频压缩中最消耗性能的功能。
有关当前帧中各模块最相似区域相对位置的信息（"运动矢量"）被发送至解码器[3]。
MC之后的残差部分分为8*8的模块，各模块综合利用变换编码、量化编码与可变长度编码技术进行编码。
变换编码（如：
离散余弦变换或DCT）利用残差信号中的空间冗余。
量化编码可以消除感知冗余（perceptualredundancy）并且降低编码残差信号所需要的数据量。
可变长度编码利用残差系数的统计性质。
通过MC进行的冗余消除过程在解码器中以相反过程进行，来自参考帧的预测数据与编码后的残差数据结合在一起产生对原始视频帧的再现。
图2-4视频编码原理
在视频编解码器中，单个帧可以采用三个模式中的一个进行编码——即I、P或B帧模式（见图2-5）。
几个称为Intra（I）的帧单独编码，无需参考任何其他帧（无运动补偿）。
某些帧可以利用MC编码，以前一个帧为参考（前向预测）。
这些帧称为预测帧（P）。
B帧（双向预测帧）通过之前的帧以及当前帧的后续帧进行预测。
双向预测通过平衡前向及后向预测可以降低噪声。
在编码器中采用这种功能会要求更多处理量，因为必须同时针对前向及后向预测执行ME，而这会明显使运动估计计算需求加倍。
为了保存两个参考帧，编码器与解码器都需要更多内存。
B帧编解码工具有更复杂的数据流，因为相对采集及显示顺序而言，帧不按顺序解码，需要进行重排。
这个特点会增加时延，因此不适合实时性较高的应用。
B帧不用于预测，因此可以针对某些应用进行取舍。
例如，在低帧速应用中可以跳过它们而不会影响随后I与P帧的解码。
图2-5I帧，B帧和P帧
2.实际视频编码技术[4]
正由于多媒体信息压缩的必要性，多媒体信息压缩编码研究成为一个越来越活跃的领域，多媒体信息编码技术的发展和广泛应用也促进了许多有关国际标准的制定。
这方面的工作主要是由国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟ITU来进行的，如图2-6所示。
图2-6ITU与MPEG标准的发展历程
MPEG与ISO根据基本目标应用往往做出稍有不同的取舍。
有时它们也会开展合作，如：
联合视频小组（JVT）。
该小组定义了H.264编解码技术，这种技术在MPEG系列中又被称为MPEG4-Part10或MPEG4高级视频编解码（AVC）。
同样，H.262对应MPEG-2，而H.263基本规范类（BaselineProfile）技术在原理方面与MPEG-4简单类（SimpleProfile）编解码技术存在较多重复。
为了实现更高效的压缩及获得新的市场机遇，ITU与MPEG一直在不断发展压缩技术和开发新标准。
中国自己也开发了一种称为AVS的国家视频编码标准。
目前正在开发的标准包括ITU/MPEG联合可扩展视频编码（JointScalableVideoCoding）（对H264/AVC的修订）和MPEG多视角视频编码（Multi-viewVideoCoding）。
另外，为了满足新的应用需求，现有标准也在不断发展。
例如，H.264最近定义了一种称为高精度拓展（FidelityRangeExtensions）的新模式，以满足新的市场需求，如专业数字编辑、HD-DVD与无损编码等。
除了ITU与ISO开发的行业标准以外，还出现了几种专用于因特网流媒体应用、广受欢迎的专有解决方案，其中包括RealNetworksRealVideo（RV10）、MicrosoftWindowsMediaVideo9（WMV9）系列等等。
由于这些格式在内容中得到了广泛应用，因此专有编解码技术可以成为业界标准。
2003年9月，微软公司向电影与电视工程师学会（SMPTE）提议在该机构的支持下实现WMV9位流与语法的标准化。
该提议得到了采纳，现在WMV9已经被SMPTE作为VC-1实现标准化。
下面对主要技术进行介绍：
（1）MPEG系列
（由ISO[国际标准组织机构]下属的MPEG[运动图像专家组]开发）
视频编码方面主要是MPEG-1（VCD用的就是它）、MPEG-2（DVD使用）、MPEG-4（现在的DVDRIP使用的都是它的变种，如：
Divx，Xvid等）、MPEG-4AVC（现在正热门）；音频编码方面主要是MPEGAudioLayer1/2、MPEGAudioLayer3（大名鼎鼎的mp3）、MPEG-2AAC、MPEG-4AAC等等。
1）MPEG-1是一个应用于数字存储媒体（最高速率达1．5Mb／s）的活动图像和伴音的编码标准，其视频压缩技术的应用范围很广，MPEG-1视频编码标准被认为是一个通用标准。
为了支持多种应用，可有用户来规定多种多样的输入参数，包括灵活的图像尺寸和帧频。
由MPEG-1提供的重要特性包括：
基于帧的视频随机存取，通过压缩比特流的快进／快退搜索，视频的反向重放及压缩比特流的编辑能力。
2）数字声像存储压缩编码标准MPEG-2
MPEG-2是由ISO的活动专家组和ITU．T的15研究组于1995年共同制定的，在ITU．T的标准中，被称为H．262。
与MPEG-1相比，它增加了以下功能：
处理隔行扫描视频信号的能力；更高的色信号取样模式；可伸缩的视频编码方式。
MPEG-2引进了“型”和“层”的概念，来规定设备之间的一致性。
型和层提供了定义句法子集的方法，以及对特殊比特流进行解码所需的解码器功能。
主型的MPEG-2核心算法的特点是，对于逐行和隔行视频源均为非可分等级编码。
并希望：
大部分MPEG-2实施过程至少应符合位于主层的主型，该主型支持数字视频的非可分等级编码，并拥有近似的数字电视参数。
3）低比特率音频与视频对象压缩编码标准MPEG-4
MPEG-4标准主要是为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，建立起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。
MPEG-4标准的关键技术主要有以下几个：
视频对象提取技术。
MPEG-4视频对象提取技术就是把视频或图像分割成不同对象或者把
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