● 摘要
目前，对等网络(Peer-to-Peer, 简称P2P)技术已经被普遍认为是可能在整个Internet范围内提供低成本、高质量视频流媒体服务的有效途径。然而，正是由于视频流媒体数据所具有的传输码率高、抗丢失能力差和实时性要求高等特点，以及P2P网络所具有的内在的动态性、异构性和高传输延迟，实现高质量的P2P视频流媒体服务依然是一件极富挑战性的工作。本文围绕P2P视频流媒体系统的体系结构、视频码流的自适应码率调整以视频码流在P2P网络中的自适应传输等关键技术进行了深入的研究，取得的主要的研究成果及创新点如下：（1）针对P2P网络所具有的高动态性和高异构性，以及多跳传输方式所引入的高传输延迟等问题，提出了一种基于多树结构的自适应P2P流媒体系统架构——MTAP2P。在MTAP2P中，对等节点被组织成多个组播树，视频流媒体数据被分割成多个子流分别通过不同的组播树以推的方式进行分发，从而在降低数据传输延迟的同时，增强了对节点动态加入、离开的容错能力。而且，MTAP2P中的源节点、中继节点和观看节点均采用不同的自适应机制，来实现对网络带宽异构性的自适应，以进一步提高网络资源的利用率，改善用户体验。（2）针对Internet链路带宽的异构性和动态性以及视频码流码率的不恒定性，为了避免视频码流传输过程中网络拥塞的发生，对视频数据包丢弃技术进行研究，提出了一种基于率失真优化的贪婪丢帧算法RDO-GFDA；为了克服丢帧算法中丢弃粒度过于粗糙和只能支持时间可扩展性的不足，将该算法进一步扩展应用到数据分割视频码流，提出了基于率失真优化的数据分割丢弃算法RDO-GDPDA，以增加对质量可扩展性的支持。仿真实验结果表明，与基于图像帧编码类型的丢帧算法相比，RDO-GFDA在视频码流的重建质量上实现了1.7到4.5dB的增益。而RDO-GDPDA则得益于更加精细的丢弃粒度，在实现视频重建质量明显提高的同时，相邻图像之间的质量也更为平滑。（3）针对现有的率失真优化丢帧算法由于采用固定的图像帧容错方法而不能精确刻画图像帧重要性的问题，提出了一种基于动态容错的率失真优化丢帧算法DCF-RDOFDA。在执行的过程中，DCF-RDOFDA会根据当前得到的信息动态决定图像帧之间的容错关系，并对各图像帧的重要性进行调整，然后再根据图像帧的重要性来选择要进行丢弃或者保留的图像帧，从而避免了事先人为地将一个固定的图像优先级强加于图像帧之上所带来的负面影响。仿真实验结果表明，与基于固定图像帧容错的丢帧算法相比，DCF-RDOFDA能够在码流重建质量上实现0.54到1.77dB的增益。（4）针对基于多树结构的P2P流媒体系统中一个节点同时向多个节点发送数据同时又从多个节点接收数据的传输模式，为了提高系统的传输效率，优化利用网络带宽资源，提出了一种用于对等节点的基于率失真优化的视频数据转发算法RDO-P2PFA。在视频分发过程中，事先生成的视频率失真辅助信息与视频数据一起传输，对等节点根据视频辅助信息和网络拓扑信息来对数据包对网络性能的影响系数进行计算，然后对影响系数高的数据包进行优先转发。仿真实验结果表明，与不对内容进行感知的传统对等节点视频数据转发算法相比，RDO-P2PFA可以显著提高系统中对等节点的整体视频质量，并能够缩短节点加入流媒体会话时的启动延迟，从很大程度上提高了用户体验。 （5）针对现有P2P流媒体系统中源节点并不对分发码流进行调整的不足，和被分发的视频码流的特性对整个系统的性能影响很大的事实，对源节点辅助的P2P流媒体自适应传输技术进行研究，以进一步提高P2P流媒体系统的整体质量。提出了面向实时编码视频码流多跳路径传输的码率控制方案MHP-RC，通过分别对视频码流和丢帧算法进行建模，将多跳路径上的码率控制问题形式化为一个带约束条件的优化问题，并提出采用二分法来对最优的编码参数进行确定。为了降低源节点进行码流调整的复杂度，提出了面向P2P流媒体系统的率失真优化的码流切换方案RDO-P2PBSS，源节点将P2P覆盖网模拟成一个线性多跳路径，将多个可用的候选视频码流分别进行模拟分发，最后再将模拟时性能最优的码流进行实际分发。仿真实验结果表明，与其他码流选择方案相比，RDO-P2PBSS明显提高了P2P网络中节点所观看到视频的整体质量。