摘 要: 在NS2平臺上仿真實(shí)現(xiàn)了多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸,,并在NS2-myEvalvid模型的基礎(chǔ)上通過比較PSRN值分析了壓縮量化參數(shù)、GOP類型、封包長度和封包錯(cuò)誤率對視頻流傳輸質(zhì)量的影響,。仿真實(shí)驗(yàn)表明,壓縮量化參數(shù),、GOP長度或封包錯(cuò)誤率取值越小,,視頻流的傳輸效果越好;而封包長度取值越小,,視頻流的傳輸效果越差,。
關(guān)鍵詞: 多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò);傳輸質(zhì)量,;性能評估,;PSNR;NS2-myEvalvid
多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MSNs(Multimedia Sensor Networks)是在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入了圖像,、聲音和視頻等多媒體信息感知處理功能的一種新型傳感器網(wǎng)絡(luò),。它結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體處理技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)更高精度的監(jiān)控,,從而使用戶更直觀,、更深入地了解觀測對象[1]。
在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)母鞣N多媒體數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量會因不同的壓縮參數(shù),、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)狀況而不同,。通常,對多媒體傳輸產(chǎn)生影響的因素主要有圖片組GOP(Group of Pictures)類型,、壓縮量化參數(shù)Q值(Quantization Value),、最大傳輸單元MTU(Maximum Transmission Unit)和封包錯(cuò)誤率PER(Packet Error Rate)??轮竞嗟萚2]設(shè)計(jì)了Evalvid在NS2下的接口myEvalvid,,并介紹了如何使用myEvalvid來仿真和評估多媒體圖像傳輸;廖勇等[3]在NS2-myEvalvid模型基礎(chǔ)上分析了量化因子對無線局域網(wǎng)傳輸圖像質(zhì)量的影響,。但是專門針對各種參數(shù)和MSNs傳輸質(zhì)量兩者間關(guān)聯(lián)性的研究很少,。本文在NS2平臺上仿真實(shí)現(xiàn)了多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸,并對MSNs中影響多媒體傳輸?shù)闹饕蛩剡M(jìn)行了量化分析,。本文首先介紹圖像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)PSNR和可解畫面比例分析模型,,并結(jié)合仿真軟件NS2對多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真,然后使用myEvalvid工具組對視頻流傳輸效果進(jìn)行了評估,,最后利用et程序和可解畫面比例分析模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,。
1 評估方法
1.1 PSRN
峰值信噪比PSNR(Peak to Signal Noise Ratio)是目前用于圖像質(zhì)量評價(jià)的最常用的客觀指針,其思想是比較原始圖像S和目的圖像D的亮度部分Y,,該值越大表示目的圖像與原始圖像差距越小,,也就是畫面的質(zhì)量越好。PSNR的定義如下[4]:
2 實(shí)驗(yàn)仿真和分析
2.1 實(shí)驗(yàn)步驟和參數(shù)設(shè)置
根據(jù)上面內(nèi)容提到的評估方法及模型,設(shè)計(jì)具體的仿真實(shí)驗(yàn)步驟如下:
?。?)仿真多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò),。
(2)向NS2平臺添加Evalvid工具組[6],。
?。?)添加myEvalvid、myEvalvid_Sink和my_UDP接口程序,,并修改多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)Tcl仿真腳本,。
(4)重新編譯并運(yùn)行,。
?。?)通過設(shè)置不同的GOP、Q值,、MTU和PER得到不同畫面質(zhì)量的重構(gòu)圖像,。
(6)使用myEvalvid工具組對多媒體傳輸效果進(jìn)行評估,,使用YUV Viewer觀察重建后的影片和原始影片的差別,。
(7)使用et程序和可解畫面比例分析模型進(jìn)行評估和驗(yàn)證,。
本文采用UCBerkeley開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真器NS2對多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真,,具體仿真環(huán)境如下:系統(tǒng)平臺為Windows XP Professional Service Pack 3;Unix仿真器為cygwin(一個(gè)在Windows平臺上運(yùn)行的Unix模擬環(huán)境),;網(wǎng)絡(luò)仿真器為NS2(ns-allinone-2.34),;相關(guān)工具有Gnuplot-3.8j、Nam-1.11,、Gawk,、Perl 5.8.2、cbrgen(產(chǎn)生數(shù)據(jù)流),、setdest(隨機(jī)產(chǎn)生仿真場景),、myEvalvid及Elecard YUV Viewer 2.1.81024。
在120 m×120 m的矩形區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)包括10個(gè)多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)的仿真網(wǎng)絡(luò),。網(wǎng)絡(luò)采用DSDV協(xié)議,,該協(xié)議可以讓每個(gè)送出去的封包立刻得知到達(dá)目的地的路徑,而不會出現(xiàn)太大延遲,。在DSDV中,,每一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)必須存儲并持續(xù)更新一個(gè)路由表,這個(gè)路由表中會記錄著目的地址,、下一跳節(jié)點(diǎn),、路徑節(jié)點(diǎn)數(shù),、循序號碼以及上一次相連時(shí)間。而路由表內(nèi)的每筆記錄所包含的循序號碼,,可用來判斷是否有些路徑比較老舊,,以避免循環(huán)路由的產(chǎn)生。仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要配置如表1所示,。
2.2 多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡?/strong>
本文以環(huán)境監(jiān)測為應(yīng)用背景,,多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全網(wǎng)檢測,節(jié)點(diǎn)間周期性的交互低流量環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),,源節(jié)點(diǎn)對興趣目標(biāo)進(jìn)行細(xì)節(jié)監(jiān)測,產(chǎn)生高流量視頻數(shù)據(jù),,多跳傳輸給目的節(jié)點(diǎn),。網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳輸多媒體和普通數(shù)據(jù),在滿足實(shí)時(shí)性,、可靠性等QoS需求的同時(shí),,盡量高效地利用網(wǎng)絡(luò)資源,減少能量消耗,。
根據(jù)表1所列參數(shù)可以得到如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)?。圖中居于場景中心的比較大的節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn),用數(shù)字編號0表示,;剩下的彼此相鄰的9個(gè)節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn),,用數(shù)字編號1到9表示,它們在120 m×120 m區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布,。為了研究方便,,本文假設(shè)這9個(gè)普通節(jié)點(diǎn)既可以采集外部數(shù)據(jù)又可以將數(shù)據(jù)以多跳形式轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。
為了分析和評估仿真效果,,任意選取兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸,,本實(shí)驗(yàn)選擇節(jié)點(diǎn)2與6進(jìn)行YUV視頻流的傳輸。為了簡化分析過程,,將節(jié)點(diǎn)6設(shè)置為發(fā)送端,,將節(jié)點(diǎn)2設(shè)置為接收端(此處兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)既作發(fā)送端又作接收端)。YUV視頻流采用參考文獻(xiàn)[7]處提供的suzie_qcif.yuv視頻文件,。模擬結(jié)束后,,會得到視頻流的傳送端記錄文件sd和接收端記錄文件rd,以及仿真過程記錄文件out.tr和nam記錄文件a.nam,。
2.3 仿真結(jié)果分析
本部分分析各參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸效果的影響,,橫坐標(biāo)代表參數(shù)的取值,縱坐標(biāo)PSRN對應(yīng)的是圖像的傳輸質(zhì)量,,這個(gè)值越大表示目的圖像與原始圖像差距越小,,也就是畫面的質(zhì)量越好,。對引起多媒體傳輸效果變化的各因素進(jìn)行逐一分析,在分析某一因素時(shí),,其他因素設(shè)置相同,,即有相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
2.3.1 GOP類型對圖像質(zhì)量的影響
GOP類型對圖像質(zhì)量的影響如圖2所示,??梢悦黠@地看出,使用GOP長度較短的圖像,,其質(zhì)量比使用GOP長度較長的圖像好,,這主要是因?yàn)樵谝粋€(gè)GOP中,如果I幀的封包在傳送過程中遺失,,其后所有的P幀與B幀就都沒有辦法進(jìn)行解碼操作,,這將導(dǎo)致所有GOP里的畫面都是無用的,會因此導(dǎo)致整個(gè)圖像質(zhì)量有明顯降低,,而較長的GOP會使得I幀丟失的概率增大,,從而導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差;另外,,在GOP長度比較長的圖像中,,如I幀遺失則必須等待較長的時(shí)間直到下一個(gè)I幀的到來,此時(shí)圖像才會恢復(fù)成原來的圖像畫面,。而使用GOP長度較短的圖像,,其等待下一個(gè)I幀到的時(shí)間會比較短,因此恢復(fù)的時(shí)間會比較短,,可以得到較好的質(zhì)量,。
在圖3中,只取出其中一個(gè)幀去做比較,,其中,,圖3(a)為原始圖像,圖3(b)~圖3(h)是在經(jīng)過量化處理并且經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送后在接收端得到的重建圖像,,由圖3可以明顯看到,,隨著GOP的增大,圖像的質(zhì)量越來越差,。
2.3.2 Q值對圖像質(zhì)量的影響
Q值對圖像質(zhì)量的影響如圖4所示,。由圖4可知,在對視頻流進(jìn)行壓縮時(shí),,隨著壓縮量化參數(shù)Q值的增大,,圖像質(zhì)量會變得越來越差,這主要是因?yàn)閴嚎s量化參數(shù)值越大,,圖像壓縮后失真的程度也就越高,,進(jìn)而在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,,圖像經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)接收端時(shí),相對于壓縮量化參數(shù)較小的情形,,其質(zhì)量就會越差,。但是選用比較大的量化標(biāo)準(zhǔn)雖然會讓編碼出來的圖像質(zhì)量變得較差,其所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量會較??;相反,選用較小的量化標(biāo)準(zhǔn)時(shí),,雖然會讓編碼出來的圖像質(zhì)量變得比較好,,但是其所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量會比較大。
2.3.3 MTU對圖像質(zhì)量的影響
MTU對圖像質(zhì)量的影響如圖5所示,??梢钥闯觯S著MTU的增大,,圖像的質(zhì)量越來越好。造成這種情況的原因是:在同一個(gè)圖像中,,MTU越大,,圖像被分割成的封包數(shù)量就會越少,進(jìn)而在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下封包遺失的數(shù)量就會越少,,此時(shí)由于封包錯(cuò)誤率和Q值固定不變,,可解碼的畫面比例會相對比較大,從而導(dǎo)致MTU較大的圖像傳輸質(zhì)量會比較好,。
2.3.4 PER對圖像質(zhì)量的影響
PER對圖像質(zhì)量的影響如圖6所示,,可以看出,隨著封包錯(cuò)誤率的增大,,圖像的質(zhì)量會變得越來越差,,這主要是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)封包采用廣播的方式傳送,如果封包在傳送過程中發(fā)生遺失,,傳送端并不會重新傳送遺失封包,,而是直接傳送下一個(gè)封包,當(dāng)封包錯(cuò)誤率增大時(shí),,封包遺失的概率也隨著增大,,導(dǎo)致在接收端可被正確地解碼的畫面數(shù)越少,進(jìn)而影響到圖像的顯示效果,。
同樣,,當(dāng)使用 MyEvalVid去驗(yàn)證Q值、MTU長度和PER對視頻流傳輸效果的影響時(shí),,除了直接計(jì)算出重建后影片的PSNR值外,,也可以使用YUV Viewer程序去觀察重建后的影片及原始影片的差別,,效果與圖4類似(方法見2.3.1)。
3 評估與驗(yàn)證
使用et程序評估多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻流的傳輸效果,,采用的GOP類型是G(12,,3)。et程序是利用仿真過程中所得到的發(fā)送端記錄文件sd,、接收端記錄文件rd和視頻記錄文件suzie_qcife.st進(jìn)行比較,,得到各類型幀的可解畫面數(shù)量和整個(gè)圖像的可解畫面比例,如圖7所示,。
該值在數(shù)值上較好地逼近了表2中可解畫面比例的模擬值R′=0.837 5,,說明實(shí)驗(yàn)中用到的評估方法對圖像質(zhì)量的刻畫比較可靠,同時(shí)也說明該模型可以被用來進(jìn)行多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸效果的驗(yàn)證,。
本文在NS2平臺上仿真實(shí)現(xiàn)了多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸,,并對影響多媒體信息傳輸?shù)闹饕蛩兀ㄈ鏠值、GOP類型和MTU等)進(jìn)行了量化分析,。仿真實(shí)驗(yàn)表明,,當(dāng)GOP長度、壓縮量化參數(shù)或封包錯(cuò)誤率取較小值時(shí),,有利于改善視頻流的傳輸質(zhì)量,,而封包長度取值越小時(shí),圖像的傳輸效果越差,。運(yùn)用該結(jié)論,,可以為多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量優(yōu)化和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署優(yōu)化提供依據(jù),并能有效地為協(xié)議參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),。在未來的工作中,,將對多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間多路徑傳輸效果進(jìn)行評估;對影響多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的因素進(jìn)行進(jìn)一步分析,,建立網(wǎng)絡(luò)的傳輸效果與影響因素之間的擬合函數(shù),。
參考文獻(xiàn)
[1] 王汝傳,孫力娟.無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,,2011.
[2] 柯志亨,,程榮祥,鄧德雋.NS2仿真實(shí)驗(yàn)——多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信[M].北京:電子工業(yè)出版社,,2009.
[3] 廖勇,,楊士中.量化因子在IEEE 802.11b/e無線局域網(wǎng)視頻流傳輸中的圖像質(zhì)量性能仿真研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010,,37(6):36-39.
[4] KIM I M,, KIM H M. A new resource allocation scheme based on a PSNR criterion for wireless video transmission to stationary receivers over Gaussian channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communication, 2002,, 1(3):393-401.
[5] LOMBARDO A,, SCHEMBRA G. Performance evaluation of an adaptive-rate MPEG encoder matching intServ traffic constraints[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking,, 2003,11(1):47-65.
[6] KLAUE J,, RATHKE B,, WOLISZ A. EvalVid-A framework for video transmission and quality evaluation[C]. Proceeding of 13th International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation, Urbana,,Illinois,, USA,2003:255-272.
[7] YUV video sequences. http://trace.eas.asu.edu/yuv/suzie/suzie_qcif.7z,, 2006-03-01.