基于H.264编码的视频无线传输仿真研究

方案进行验证，证明我们设计的仿真方案能够有效反映出不同场景下无线网络的H.264视频传输性能。

【关键词】H.264 无线传输 仿真 视频

随着互联网浪潮的飞速发展，人们已不满足于传统的门户网站以文字这一单一形式展示内容的方式。人们对多媒体信息，特别是视频内容的需求不断提高。随着视频会议、视频点播等网络多媒体技术的广泛应用，基于无线网络的视频传输技术无疑已成为一个研究热点。

由于视频本身具有数据量巨大、占用网络带宽等特点，对网络通信系统的有限带宽、存储空间以及计算机的计算能力都提出了更高要求。而无线网络环境下，通信的时延变化频繁，丢包率高，易受干扰等特点，对视频传输的可靠性提出了更高的挑战。

视频必须经过编码才能在网络上进行有效的传输，视频图像编解码标准也比较繁杂，应用广泛的有国际标准化组织的MPEG、国际电信联盟电信部ITU-T的H.261、H.263、H.264，以及MDC、AVC等。H.264作为蓝光光盘的编码标准，其拥有的高数据压缩比，高网络适应能力等特点，而日益流行起来。

目前的网络仿真器，如NS2、OPNET等，NS2以其良好结构的仿真器，公开的源代码等诸多优点，在研究领域得到广泛使用。而NS2虽然在内核中提供了FTP、CBR、Telnet、Web等传统网络应用的流量发生器，但却没有提供H.264编码视频的视频流量发生器。

本文在SVEF框架（可伸缩视频流评估框架）的基础上，结合NS2平台，提出了一种利用NS2建立无线网络中研究H.264编码视频传输仿真平台的方法，扩展了NS2流量发生器模块，通过建立模型实例，对H.264视频流在无线网络环境下传输进行了仿真。仿真实验表明，我们提出的H.264视频流传输仿真方法是可行有效的。

1 H.264视频编码特性

H.264标准压缩系统由视频编码层（VCL）和网络抽象层（NAL）两部分组成。VCL中包括编码器与解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码，它包括变换编码、运动补偿、熵编码等压缩单元，同时也可以传输按当前的网络情况调整的编码参数。网络抽象则用于为视频编码层提供一个与网络无关的统一接口，它负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送，它采用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头中包含存储标志和类型标志。存储标志用于指示当前数据不属于被参考的帧。类型标志用于指示图像数据的类型。

2 NS2中H.264视频流量仿真模块扩展方法

2.1 H.264视频流量仿真原理及模型

由于NS2并没有H.264视频流量发生器，同时，H.264编码的视频流量并不能简单的定义为UDP或者CBR流量。因为H.264的编码特性，其码率具有较强的突发性和随机性，在仿真的时候，为了达到与实际近似的仿真效果，我们以真实有效的原始视频文件作为信源，提取视频的关键帧和数据量等信息，以此作为流量发生器的输入。

（1）基于SVEF框架，对原始YUV视频进行编码，然后用H.264解码器生成原始视频流文件。在解码trace文件中，要记录提取帧序号、帧类型、时间戳、帧大小等信息，以作为NS2流量生成的原始输入。

（2）在原始视频流trace文件中插入NAL单元所对应帧号。将原始视频流trace文件转换成可用于NS2的发送流量trace文件。

（3）编写NS2仿真脚本，在NS2中进行仿真。NS2中，一个Source代理，用于转换NS2发送trace文件并生成相应的数据包。在接收端，一个Sink的代理被用于接受SVC数据包，并记录相关信息，如接收时间，包的大小，帧序号等。

（4）对仿真结果进行评估。Sink代理生成的接收流量trace文件可以计算数据包级别的端到端的延时，或者计算丢包率，也可以用来生成SVEF所需要的文件格式。

（5）还原H.264视频文件。用NAL单元滤波器生成NAL单元trace文件。这个过程中，太迟到达的帧和那些不可被编码的帧将被去除。接下来，NAL单元trace文件可以用来还原H.264视频文件。最终，我们可以将接收并处理过的H.264视频文件转换成YUV视频进行播放。为了比较PSNR，我们还需要通过拷贝前帧来弥补丢失的帧。丢失的帧可以根据NAL单元跟踪文件中的帧序号识别。

3 NAL单元头格式定义

通过UDP协议传输视频流时，需要定义NAL单元头格式。NAL单元头主要包含三个参数，Lid、Tid和Qid。Lid是基础层ID，主要用来表示这一层属于哪一个NAL单元，Tid是时间分级ID，用来控制帧率。Qid是品质层ID，用来控制可以被调节品质的视频子流。

4 NS2视频流量生成模块

在SVEF框架的解码器产生的trace文件中包括了其实际的地址，数据长度，Tid序号，包类型，帧序号以及是否可被丢等信息。而ns2发送trace文件中需要有发送的时间，帧的大小，Tid序号，和对应的帧序号。我们需要对其进行一定的处理，使需要的数据和字段相对应，并将帧序号插入到ns2发送trace文件中，以便用接收的trace文件还原视频。

5接收视频修补模块

PSNR是最普遍，最广泛使用的评鉴画质的客观量测法，因此我们采用PSNR来评估接收到视频的质量，需要对接收到的视频进行修补，对丢失的帧，以其完整的前一帧填补，才能计算出相应的PSNR。我们改进了修补程序，使其可以对任意分辨率的视频进行修补。

6 仿真实例

6.1 仿真环境

仿真环境基于ns2.35，网络中存在三个无线节点，节点0以固定码率0.2Mbps向节点1传输H.264视频流量，以固定码率0.3Mbps向节点2传输FTP流量。

分别以内容相同，时间长为10秒，帧率为30帧/秒，分辨率为VGA、CIF的两段视频作为ns2流量生成器的输入源，同时分别设置网络MAC层协议为802.11和802.11e，以上文提到的方法进行仿真实验。

6.2 测试结果与分析

测试得到的两种分辨率H.264视频在802.11和802.11e的网络环境下的端到端延时（见图1）和丢包率（见表2）。

从图1中，我们可以看出传输cif分辨率时，在802.11e协议下，延时具有较大波动，这主要是因为H.264视频具有较高的突发性，在其I帧传输时，因其I帧所含信息量较大，所以会造成较高延时。同时，图1也反映出了802.11e虽然一定程度增加了延时，却大幅降低了丢包率，最大化的保留了I帧，这也是重新打包视频的关键所在。图1中，802.11e协议下，延时也没有呈现出一定的规律性，是因为VGA分辨率大幅增加了画面信息量，在0.2Mbps的网络环境下，I帧因为数据量过大，造成延时急剧升高，最终大多被丢弃，因此，其延时并没有规律性的大幅波动。

图2反映出了，Cif视频在802.11协议和802.11e协议下传输后，由于802.11e可以保留更多的I帧，因此形成了更多的波峰，最终合成的视频中，其平均PSNR和画面表现也更为出色。Vga分辨率在802.11和802.11e协议下传输后计算的峰值信噪比比较相近，由于我们设定的带宽为0.2Mbps，无法适应Vga分辨率的高码率传输，因此在802.11e协议下，虽然其丢包率更低，但是由于I帧同样大量丢失，仍然无法还原出更多的画面，最终造成了二者非常接近的PSNR。

7 结论

本文对ns2平台上的H.264视频传输仿真进行了探讨和分析，以SVEF框架为基础，完成了原始H.264视频流到ns2发送流量的转换，使之可以产生ns2仿真可用的视频传输流量。同时改进了其视频修补模块，使其可以对任意分辨率视频进行处理，拓展了实验视频素材的选择，以便更好地评估实验结果。最后通过仿真实例，验证了VGA、CIF不同分辨率的视频在不同MAC协议下的表现，对比证明了我们设计的仿真方案能够有效反映出不同场景下无线网络的H.264视频传输性能。

参考文献

[1] 陈亮，张正华. 基于日.264无线视频传输的码率控制算法研究及实现（D）.扬州大学， 2012 .

[2] 周建利. 基于H.264的视频传输技术研究（D）.西安电子科技大学， 2012.

[3] 陈正宇. 基于NS-2的无线网络视频QoS平台的实现[J]. 电子设计工程，Vol 17 No.10 2009（10）.

[4] 王明伟，王奇，杨洁，林建中. 基NS-2的视频流仿真方法研究[J].计算机技术与发展，2010（2）.

[5] Ke C H， Shieh C， Hwang W， etal. An evaluation framework frame from realistic simulations of MPEG video transmission[J]. Journal of Information Science and Engineering， 2008， 24（2） 425.

[6] 梅旭，周应权，陈起. 基于NS-2的QoS控制方法试验平台的仿真和实现[J].科学技术与工程，2006，6 （2）： 216-219.

[7] 江雍，林其伟. 一种基于Evalvid的H.264视频Qos评估系统的研究[J]. 电视技术，2007（10）.

[8] 毕厚杰，新一代视频压缩编码标准H.264/AV C[M].北京：人民邮电出版社，2005（5）.

作者单位

北京工业大学软件学院 北京 100022

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