網路頻寬自動偵測應用於適應性 H.264 影音傳輸之研究與探討
The Research and Adaption H.264 Video Transmission Based on Bandwidth Auto Detection
李 維 聰
淡江大學電機工程學系 台北縣淡水鎮英專路 151 號
wtlee@mail.tku.edu.tw
楊 喬 閔
淡江大學電機工程學系 台北縣淡水鎮英專路 151 號
793350231@s93.tku.edu.tw
摘要
H.264 因為擁有超低資料傳輸率，很適合應用 於遠端傳輸，我們希望能夠架設一個當我們出差到 國外時，也可以看到家鄉各種節目的平台，但最常 發生的問題就是網路頻寬不足或是受到干擾的現 象，所以我們提出了一種 Auto bit-rate 的方法，來 降低當頻寬不足或是網路不穩定時，仍舊能夠收看 穩定得影音品質，雖然要犧牲掉解析度，但穩定的 影音品質會比失真率來的更好，我們之所以提出此 種架構是因為，便利那些不懂得調整影音畫質的 人，讓系統可以自動的調整最穩定的品質和當時網 路可以傳輸的最高解析度。
為了驗證 Auto bit-rate 可行性,所以使用的測試 平 台 為 嵌 入 式 平 台 ， 本 文 使 用 平 台 MCU 為 STR9105 內建 MAC 及 USB，執行速率方面約為 200MHz，另外加 H.264 媒體處理晶片Ｍobilygen MG1264 ，是一個適合用在 H2.64 編碼與解碼的 IC ， 由 MG1264 將 影 音 訊號編碼成 H2.64 再由 MCU 透過 MAC 傳出網路封包，另外架設一台 PC 來做接收播放來做確認影像是否有即時與影像是否 有延遲。模擬各種實際網路可能發生的因素，該如 何去設置 bit-rate 的大小，不但可以讓 H.264 播放 的更順暢，也可以進一部的達到管理順暢度與解析 度的目的。
關鍵詞
Auto bit-rate、H.264。
Abstract
Because the characters of H.264 technique form as low ratio data-rate transmited , it is very suitable to apply the remote transmission .Hopefullly , we wish to be able to wath all domestic TV-programs by installing some platform when being far away outdoor even oversea.It always happens to lack enough bandwidth or get worst signal , thus the Auto bit-rate technique improves the above two points; Althouh it may loss fine dpi , the stable AV quality is still worth overall.That is why we promote the Auto bit-rate
technique with more convenience for tuning the optimal configuration in system.
For testing and verifying the capacity of the Auto bit-rate tech.,we take STR9105 with MAC and USB ( 200MHz ) as MCU ; furthermore , a Mobilygen MG1264 , well adapts to encode and decode the H.264 format .The process is that AV data is encoded by MG1264 as H.264 format , then form as network packets by MAC streaming. In advance , it is necessary to reconfirm the quality during inputting and outputting packet by normal PC at time. We also realize how to configure the size of the bit-rate ; not only for making the H.264 format more smoother , but for realizing the capacity of unhindered and the optimal managerment in advance.
Keywords
Auto bit-rate，H.264.
1. 前言
隨著網路頻寬的增加，科技發展的進步，使用 者對於畫質的要求越來越高，數位電視訊號即將取 代傳統類比電視訊號，液晶電視也慢慢的取代了傳 統的電視，從原本傳統電視的 525 條解析度畫質，
到今天 Full HD(1080P)的畫質，在追求畫質完美 的同時，網際網路也因為擁有足夠的頻寬，在網路 上欣賞影音多媒體的使用者也越來越多了，目前因 為串流媒體(Streaming media)的流行，各式影音 網 站 的 成 立 ， 如 YOUTUBE ， 但 VCD 品 質 的 Streaming Video 每秒高達 800kbps，以目前國內 的連線品質，要播放較高品質的影片，目前仍舊是 稍嫌太慢，雖然 MPEG4 所需要的網路頻寬比較少，
但解析度也比較差，慢慢的已經無法達到讓使用者 滿意的畫面品質，使用者想要觀賞 DVD 畫質的影 片，若家中使用 ADSL，頻寬是仍舊是不足的，所 以 2003 年開始，提供了 H.264 的影音格式，H.264 視訊品質優於 MPEG2/MPEG4，以更佳化的編碼率和 糾錯率，發展出適用於網路多媒體串流技術;其網 路多媒體串流技術使其更能有效的將高壓縮率運用 於網路影音傳輸，獲得更好的網路傳輸品質，且良 好的網路傳輸模式，更適合應用在即時影音串流。
2. 網際網路多媒體介紹
從網路的普及與網際網路基礎架構的建設更加 完善，頻寬的需求也漸漸增大，除了可以從網路獲 得資料的傳統服務(如：E-mail、FTP 、WWW…等) 之外，也可以從網路上觀看多媒體節目與應用的需 求也開始激增，例如：閱讀電子書、收聽 MP3 音 樂、圖片欣賞、觀賞廣告片段、收看實況轉播節目, 與最近中華電信的 MOD (Multimedia-on-Demand)…
等等。所謂多媒體，就是將聲音、影像、動畫、文 字、以及視訊等不同媒體，運用影音技術將其數位 化，並以另一方式結合並呈現。由於網路傳輸的頻 寬有限，且由眾多使用者共同分享使用，因此多媒 體內容必須先經過壓縮、編碼處理來減少資料量傳 輸，網路多媒體串流基本架構如圖 1 所示。
音訊和視訊在網路上的應用，已經幾乎是眾所 皆知的事情，如知名網路影音分享 YOUTUBE，採 用 Sorenson Spark 與Adobe Flash 7 提供之影像編碼 技術，將用戶上傳影像檔案進行壓縮轉檔，因其低 頻寬的需求，雖然其影像品質遠不如 Realvideo 與 Windows Media 等線上串流技術，但目前已經成為 本世界最多人瀏覽的網站之一。新的多媒體網路應 用應用範圍非常廣泛，其中包含串流技術、IP 電 話、視訊會議、網際網路的廣播、最受玩家愛戴的 網路遊戲，連遠距離教學都包含在內。
圖 1. 網路多媒體串流基本架構
2.1 串流媒體介紹
一個完整的多媒體串流系統一般由三個部分組 成，影音壓縮編碼，串流伺服器和使用者端播放軟 體。影音壓縮編碼是將其輸入的類比訊號或數位訊 號將其轉換成視訊壓縮格式如 MPEG-4、H.264…
等。串流伺服器其作用是將視訊壓縮格式檔案透過 壓縮轉換為能進行串流傳輸的串流檔案。串流伺服 器是由硬體平台和伺服器軟體平台配合提供串流服 務。使用者運用串流播放管理程式作播放，其播放 器如：VLC。其系統如下圖 2 Streaming 架構圖所 示。
圖 2.串流媒體架構圖
2.2 串流媒體介紹
串流傳輸的過程如下所示：
1. 用戶端瀏覽器與網路 server 之間透過 HTTP/TCP 協定交換控制訊息。
2. 當用戶在瀏覽器上選擇要觀看的多媒體檔案，
server 確認後，將需要傳輸的即時多媒體檔 案，使用串流 server 將其選擇影音資料串流傳 輸出來。
3. 用戶端將影音串流資料接收後，使用 VLC 播 放器或其他可播放之軟體，並使用 HTTP/TCP 協定與網路伺服器確認相關設定值如網路傳輸 bit-rate、package lose…等，針對這些參數對播 放器設定。
播放器及串流伺服器透過即時串流控制協定 (RTSP)，傳輸使用者串流傳輸所需的控制訊息。這 些控制訊息可以是諸如播放、快轉、快倒、暫停及 錄製等命令。由於控制訊息必須確保正確無誤，採 用 了 TCP 包 的 傳 輸 協 定 。 串 流 伺 服 器 使 用 RTP/UDP 協 定 將 串 流 數 據 傳 輸 到 用 戶 端 的 播 放 器，一旦串流數據抵達用戶端，播放器即可播放輸 出。其過程架構如下圖 3 所示。
圖 3. Streaming 傳輸原理架構圖
2.3 串流傳輸之技術介紹
實現串流傳輸主要有兩種方法：
(1)即時串流傳輸(Real Time Streaming) (2)順序串流傳輸(Progressive Streaming)
(1) 即時串流傳輸簡介
1. 這種串流傳輸技術容易在網路擁塞時，會造 成封包遺失，造成用戶端串流播放時會有不 順暢的現象，嚴重時出現停頓。
2.
RTSP(Real Time Streaming)或 MMS (Microsoft Media Server)這些協定，不適用 於任何防火牆，在一些防火牆設計不良時會 出現不能收看網站的內容。3. 要有串流媒體 server。
(2) 順序串流傳輸簡介
1. 這種串流傳輸技術不能用於直播，一般用於 點播，與下載播放技術不同的是，它不需要 媒體文件全部下載到硬碟後才能播放。
2. 不需要其它特殊協定幫忙。
3. 播放下載部分,資料不會有封包遺失，可以 保證最終品質，但須等待時間較長。
4. 不需要有串流媒體 server。
2.4 影音格式介紹
常用影音格式如下所示z MPEG-1 ： 規 範 了 PAL(352x288 ， 25frame/s) NTSC(352x240，30 frame/s)流量標準，視訊 傳輸率被壓縮至 1.15Mbps，壓縮比 26:1，可 以把 120 分鐘長的影片壓縮到兩張 VCD 大 小，最為成功的應用為 VCD (Video Compact Disc)。
z MPEG-2：MPEG-1 在視訊編碼算法上基本上 相同，但 MPEG-2 所採用的 AAC(Advanced Audio Coding)，是從 MPEG 標準系統中逐漸 發展出的一個強化系統，可以提供較為優秀 的聲音品質，相關產品就是 DVD。
z MPEG-4 ： MPEG-4 提 供 了 非 常 驚 人 的 壓 縮 率 ， 可 以 把 120 分 鐘 的 多 媒 體 流 壓 縮 至 300M，適用於網際網路及無線傳輸上。
z H.264：壓縮率比 MPEG-2 高約 2.25-2.5 倍；
而比 MPEG-4 ASP 高約 1.6-2 倍，無數的廣 播、纜線供應商、視訊會議組織與消費性電 子產品公司，都選擇 H.264 作為其新產品與 服務所採用的視訊編解碼器
2.4.1 H.264 code IC 介紹
圖 4. Mobilygen MG1264 IC
圖 4 為 Mobilygen 所 出 的 MG1264 H.264 code Chip，因為內含 encode 與 code 介面，所以可以直 接硬體處理 H.264 編碼與解碼，且低耗電的特性、
面 積 、 體 積 可 以 做 到 很 小 ， 很 適 合 運 用 在 小 型 DVD codec、set-top box 或其他相關運用。
3. 系統環境架構與 Auto bit-rate 介紹
本實驗整體架構可分為二大部分介紹：Server 硬體平台,與頻寬變化時 Auto bit-rate 自動調整方法;
Server 平台使用由某公司所研發出一個 IP STB 產 品; IP STB 產品主要功能是將 Video,Audio 訊號輸 入至 Server 平台( IP STB ) 把類比訊號編碼成數位 訊號透過 LAN 將訊號傳輸至 PC 使用者,使用 VLC Media Play 解碼後播出，我們將此 IP STB 拿來當 作此次實驗用的 Server 平台。
環境架設主要是以一台 IP STB 當作我們測試 的 Server 平台，將輸入類比 Audio、Video 訊號透 過 Server 平台編碼成適合網路傳送的 H.264 影音格 式，由 ethernet port streaming 至模擬網路環境的測 試儀器 STJ-100，經過網路模擬儀器後再連接至使 用者 PC，PC 端所接收到 H.264 資料經由 VLC media play 解碼後播出，其測試過程環境由模擬網 路環境儀器 STJ-100 來作模擬網路頻寬由寬變窄，
或頻寬由窄變寬的情形，使用一套 Netlimiter 軟體 來作為收集資料與觀察 PC 端頻寬的變化，以確認 Auto bit-rate 實際機制所帶來的成效。下圖 5 為實 驗環境架設示意圖。
圖 5. 實驗環境架設示意圖。
STJ-100 網路分析儀介紹
SHUNRA 所開發的 STJ 網路分析儀，可以做 的模擬分析如下:
(1) Bandwidth (2) Packet Loss (3) Packet Effects (4) Link Faults (5) Congestion (6) Latency
我們利用 STJ-100 改變頻寬大小，限制頻寬已 得到經過 Auto bit-rate 自動調整後，獲得 PC 接收 端 bit-rate 的數據來做分析。
圖 6 為 STJ-100 網路分析儀
在 實 驗 中 我 們 定 義 影 音 壓 縮 格 式 為 H.264 format，另定義傳輸 H.264 bit-rate 大小約為 1200k bps (Video 1000k bps，Audio 128k bps，RTCP 與 RTSP 資料量很小，視訊息與資料量而有小所變 化 ) ， 解 析 度 定 義 為 QVGA Format 320x240 ， QVGA 格 式 在 其 良 好 的 頻 寬 下 實 際 量 測 出 傳 輸 H.264 頻寬 bit-rate 大小約為 400k bps 所得到的畫面 與順暢度讓一般使用者皆可接受。
區域網內傳輸影音資料因頻寬穩定，無須使用 Auto bit-rate 來作為頻寬傳輸調整。但將其傳輸方 式運用在頻寬變化網路時，會發現頻寬由大變小 時，client 端 PC 接收影音資料後可以發現會因 Lost frame rate 過大導致畫面無法播放。圖 7 為頻寬 1200K bit 下降至 1000K bit，頻寬由大變小時未使 用 Auto bit-rate 的頻寬變化曲線。
圖 7. 未使用 Auto bit-rate頻寬變化曲線 透過即時傳輸協定(RTP)和即時控制協定，
(RTCP)我們可以計算得到接收的 lose_frame rate，
其 lose_frame rate 計算方式如下所示：
………..公式 1 其中 total_frames 為每三秒 client 端 PC 應得到 的 total_frames ; arrive_frames 為 client 端每三秒實 際得到的 total_ frames。藉由偵測 Lose_frames_rate 來定義 bit-rate 下降與上昇的標準設定。經過多次 實驗得知，當 client 端 PC 接收的 Lose_frames_ rate
> 20%時，畫面開始出現不順暢情況，所以將 Lose_frames_ rate> 20%時訂為調降 bit-eate 的一個 臨界點。
由上個實驗發現因其變化量過大所以我們修正 調降部分，運用調整 bit-rate 機制使其下降與上昇 幅度不致於太大，其調降範圍如下列公式 2 所示。
Reduce_bitrate=Original_bitrate(1-frame_lossrate)
………..公式 2 調昇範圍如下所示：
Increase_bitrate=Original_bitrate(1+Gap)
………..………....公式 3 將其修改傳輸 bit-rate 方式運用在頻寬變化網 路時，client 端 PC 接收影音資料後已可間斷播出影 音訊息。圖 7 為修正調降Auto bit-rate頻寬變化曲 線。下列章節更細入探討相關bit-rate 調整。
圖 8. 修正調降Auto bit-rate頻寬變化曲線
3.1 Auto bit-rate 之 Reduce bit-rate
介紹當 loss frame rate > 20%時，會作下降 bit rate 的動作，其調降 bit rate 多少，其調降 bit rate 公式 4 如下所示:
………..………....公式 4 X：待實測時驗證參數
X 值越小時下降的幅度就越大，相對越大時下降的 幅度就越小。
我們定義實驗環境皆與上一章節一樣，頻寬環境由 1200k bit 下降至 1000k bit，只作調降的更改。另定 義調昇曲線，為方便測試，避免未知因素過多，如 下公式 5 所示。
………..………....公式 5 經實驗由 x=1～9 時，當得到 X＝3 時，所得到的 頻寬 bit rate 變化較佳。如下圖 9 所示，單位為 Byte。
圖 9. X=3 的Auto bit-rate頻寬變化曲線
由上述實驗測出當 X＝3，頻寬 bit rate 變化曲 線所展現出來的部分，可以看出畫面靜止時間與頻 寬 bit-rate 下降幅度皆較近合理範圍，以下為調降 bit rate 探討部分：
z 畫 面 靜 止 時 間 ： 因 頻 寬 下 降 時 所 照 成 的 Packet Loss 與 loss frame rate 導致畫面呈現靜 止 狀 態 ， 因 此 這 部 分 盡 量 縮 小 畫 面 靜 止 時 間。圖 10 為 X＝8 時，約 58 sec 畫面為靜止 狀態。
圖 10. X=8 的 Auto bit-rate 頻寬變化曲線 z 頻寬 bir rate 下降幅度：為了避免讓頻寬下降
時帶來解析度變差所我們盡可能把 bit-rate 下 降幅度縮小，讓 PC 端使用者再觀看 Server 端 影像時能更佳。圖 11 為 X＝1 時，傳輸 bit- rate 約為 45KB。
圖 11. X=1 的 Auto bit-rate 頻寬變化曲線
3.2 Auto bit-rate 之上昇頻寬 limit
介紹由上一章節的頻寬變化曲線，可以發現到當調降後 要在作調升的動作時，調升的動作似乎一下子就很接近 頻寬的 maximum，下一階段馬上可能因為頻寬的變化與 畫面複雜度的關係馬上又要作調降的動作，因此在未做 頻寬上昇的曲線之前我們先限定上昇頻寬的 limit 幅度，
我們定義當上昇曲線至 Gap 的 Y ％時，bit-rate 每 15sec 上昇 1%方式調昇，調昇 bit rate 公式如下所示，上昇頻 寬的限制可以使得頻寬變化時，Auto bit-rate 變化不會太 劇烈。
………..………公式 6
我們定義實驗環境皆與 3.1 章節一樣，頻寬環境由 1200k bit 下降至 1000k bit，固定調降頻寬公式 X 參數＝3 與調昇曲線如公式 4，只修改調昇方式，
其上昇方式為上昇曲線至 Gap 的 Y ％後，bit-rate 每 15sec 上昇 1%方式調昇。
經實驗由 Y=10%～90%時，當得到 Y＝60%時，所 得到的頻寬 bit rate 曲線變化較佳。如下圖 12 所 示，單位為 Byte。
圖 12. Y=60%的 Auto bit-rate 頻寬變化曲線 經連串的實驗後發現其 limit 為 Gap 的 60%所 得到的曲線較為緩和，所以在後續的實驗中我們將 以 limit 為 Gap 的 60%作後續的實驗。
3.3 Auto bit-rate 之 Increase bit-rate
介紹 這章節主要介紹因頻寬調降後到一定程度要作 上昇的動作，其上昇時間與頻寬上昇 bit-rate，與後 續頻寬變化息息相關，其中經過長期實驗觀察得 知，得知：1.) 當 loss frame rate > 20%時，會作下降 bit rate 的 動作，其下降多少 bit rate 如公式 3 所示。
2.) 當 5%>=loss frame rate >= 20%時，維持目前 bit- rate 不作任何變化。
3.) 當 loss frame rate < 5%時，會作上昇 bit rate 動 作，其上昇多少 bit-rate 如下公式 7 所示：
………..………公式 7 我們定義實驗環境皆與 3.2 章節一樣，頻寬環 境由 1200k bit 下降至 1000k bit，固定調降頻寬公 式 X 參數＝3 與上昇頻寬的 limit 幅度，limit 為 Gap 的 60%;我們只修改調昇曲線如公式 7。
在現實中實際網路的變化不致於大幅度變化，
但也不會一直穩定不變，所以為了讓曲線上昇的速 度可以用在實際網路上，針對頻寬 bit rate 變化曲 線又不致於太快，經實驗由 Z=1～9 時，當得到 Z
＝6 時，所得到的頻寬 bit rate 曲線變化較佳。如下 圖 13 所示。
對於 bit-rate 曲線的 Z 參數我們選擇 Z＝6，主 要是因為上昇時間太久會浪費頻寬資源利用，上昇 時間太快 Auto bit-rate 變化幅度又較大，所以我們 將實驗參數 Z 值定義為 6。
圖 13. Z=6 的 Auto bit-rate 頻寬變化曲線
3.4 Auto bit-rate 實驗結論
對於 3.1、3.2、3.3 章節所做的測試，可以發 現不管是在下降曲線或上昇曲線中，可發現到上升 或下降曲線對時間部份很敏感，為了讓曲線的幅度 更為柔和避免過於震盪，所以我們使用 3.1、3.2、
3.3 章節的方法來讓曲線更加柔和，又因我們並無 法得知網路上實際的頻寬，所以我們使用的方法是 以逼近的方式來讓頻寬的利用獲得最大效益。
運用 RTP、RTCP、RTSP 之協定機制後，不難 發現其機制中部分機制還欠缺滿多項功能，不過這 些機制的親和性能便於使用者追加功能，如資料加 密、頻寬偵測、傳輸的服務品質與 Auto bit-rate…
等，也促成近年來網路多媒體影音發展如 VOD、
MOD，最有名的就屬網路上的 Youtube.com 以及 一些線上影音視訊網路的蓬勃發展。
4.結論
在實際網路中，網際網路多媒體不管是會議上 的運用或者是 media 運用如 VOD、MOD 與 IP STB，皆可從實驗可以得知，Auto bit-rate 對其重要 性。並且具備許多特色與優點如下：
z 適合用運用在即時性 media 的產品上。
z 讓畫面移動更順暢。
z 頻寬部分能更有效利用。
z 讓畫面解析度可以保持在較佳的狀態。
本次的研究方向對於此部份的網路 Auto bit- rate 機制傳輸來說有相當的助益，實際上網路頻寬 一直不斷的在更新變化，如果運用我們所提出的 Auto bit-rate 機制讓系統做自動調整最穩定的品質 與當時網路可以輸出的最高解析度來做更靈活的運 用，讓使用者能不用煩惱頻寬的變化，只要一開機 就能即時獲得最佳的解析度品質及最好的畫面順暢 度，讓 H.264 影像傳輸功能頭透過 Auto bit-rate 機 制的調整下，更完善的表現出影像的順暢度與解析
度，親近融入我們的日常生活裡。
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