RNS在流媒体技术中的应用

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.99MB 47 页 15积分

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摘要

RNS 在流媒体中的应用

摘要

流媒体技术通过数据压缩技术，将连续的图像信息和声音信息上传到服务器，

使用户在客户端能够边下载边接收信息，不需要等待全部压缩文件完全下载到本

地。流媒体在进行数据传输的过程中，所传输的文件须按照流媒体格式制作成适

合其传输的文件。但是，这种格式存储的文件容量依然比较大，遇到网络繁忙易

引起传输中断。所以尽可能的提高视频音频的压缩比，获得尽可能小的数据量，

并且保证较高的视频音频质量的研究成了当代信息化中的热点。

本文针对流媒体数据传输速率问题，基于 H.264/AVC 视频压缩标准，研究余

数数制系统 RNS 在视频压缩和解压缩中的应用。给出了具体的实现方案，并论证

了实现方案的可行性和由此带来利弊分析，为进一步研究 RNS 在流媒体中的应用

打下了研究基础。RNS(余数数制系统)可以将数位较大的整数转换为相互独立的数

位较少的整数，不仅减少系统处理的数据位数，而且 RNS 余数数制的并行特性和

无进位处理，一定程度上会提高数据处理的速度。通过选择合适模组以及运用二

进制-RNS 的前向和后向转换算法，在不改变 H264 原有传输层结构的前提下，提

出两种解决方案：方案一对 H.264/AVC 中熵编码码流进行 RNS 压缩，通过添加

标记位的方式区分数据实现 NAL 层打包；方案二对 H.264/AVC 的视频图像直接

进行 RNS 压缩，获得 RNS 格式数据块，再经熵编码实现 NAL 层打包。两个方案

都可以实现数据的压缩，方案一由于需要添加数据区分的标记而产生数据冗余，

且数据区分标记容易被误解压成数据信息，方案二直接对原始图像进行 RNS 压缩，

形成余数数据块，再借助熵编码实现数据打包，则不存在数据冗余问题，具有较

好的适用性。

本文有关 RNS 在流媒体技术中应用的创新之处在于：

（1）分析 H.264/AVC 中数据传输过程，利用 RNS 压缩二进制数据形成余数

熵编码码流，大大减少比特位数量。

（2）RNS 余数数制系统对压缩数据进行的分通道传输，保障数据信息的安全

性。目前，国内外针对 RNS 在流媒体技术中的应用还没有相关应用报道。

关键词：RNS H.264/AVC 熵编码流媒体

ABSTRACT

The streaming media technology is a transmission technology that can provides the

continuous video and audio information compressed on the server for the client

watching and listening without the compressed file being fully downloaded. But the

capacity of such multimedia file is still so large that the interruption of transmission can

be caused when the network is busy. Improving the video and audio compression rate as

far as possible to get a smaller amount of data with a high quality of audio and video has

become a hot topic in the contemporary course of information construction.

Based on the H.264/AVC video compression standard, compress and decompress

video data based on RNS (remainder system). Gives the concrete implementation plan,

and demonstrates the feasibility of the implementation scheme and the analysis of

advantages and disadvantages as a result, RNS for further research on the application of

streaming media research laid the foundation. RNS system can convert large digital

integer to less integer, not only can reduce the system to deal with data bits, but RNS’s

parallel and no carry features will increase the speed processing. By choosing the

appropriate modules, without changing the H.264/AVC original structure, realizing data

compressed and decompressed. In this paper, puting forward two solutions: one is

compressing H.264/AVC entropy coding based on RNS, by adding a tag distinguish

between data, then packaging data into NAL layer. Another is compressing original

image based on RNS directly, obtaining RNS format data block, then entropy coding it,

packaging data into NAL layer. Thesse can compress data, but first solution increases

the data redundancy and the distinguish marks are easy to be mistakenly extracted into

data, the second compress original image based on RNS directly and entropy coded data

package for tranmission. In this paper, the RNS applicated in streaming media of

innovation lies in: (1) Analysis the data transmission process H.264/AVC standard,

using RNS compress the binary data stream, greatly reduce the needed number of bits.

(2) RNS (Remainder system )transmiss the compressed data on subchannel, ensure the

security of data information. At home and abroad at present, the RNS applicated in

streaming media has not been reported.

Keywords: RNS, H.264/AVC, entrocy coding, streaming media

technology

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论......................................................................................................................1

1.1 课题来源与研究意义..........................................................................................1

1.2 国内外研究现状..................................................................................................2

1.2.1 流媒体的研究现状....................................................................................2

1.2.2 RNS 的研究现状........................................................................................3

1.3 论文研究内容及结构..........................................................................................5

第二章 RNS 余数数制系统..............................................................................................8

3
上海理工大学研究生毕业论文
1 RNS 余数数制系统概述......................................................................................8
2 模组选择..............................................................................................................8
3 RNS 与二进制数据相互转换的算法实现..........................................................9
3.1 二进制数据—RNS 转换算法....................................................................9
3.2 RNS—二进制数据转换算法....................................................................9
3.3 算法证明..................................................................................................10
4 小结.....................................................................................................................11
第三章 H.264/AVC 视频编解码技术.............................................................................12
1 视频编解码背景................................................................................................12
2 H.264/AVC 视频编码标准概述.........................................................................13
3 编解码原理........................................................................................................14
4 H.264/AVC 的NAL 层处理...............................................................................17
5 小结....................................................................................................................20
第四章 RNS 在流媒体传输中的应用............................................................................21
1 RNS 在流媒体传输中应用原理........................................................................21
2 RNS 在H.264/AVC 中的应用方案一...............................................................21
3 RNS 在H.264/AVC 中的应用方案二...............................................................27
4 小结....................................................................................................................31
第五章 算法应用的性能分析及测试环境搭建............................................................32
1 图像数据处理....................................................................................................32
2 结果分析............................................................................................................35
3 测试环境搭建....................................................................................................40
4 小结....................................................................................................................42
第六章 总结和展望........................................................................................................43
1 总结....................................................................................................................43
2 未来工作展望....................................................................................................43
参考文献.........................................................................................................................44

第一章绪论

1.1 课题来源与研究意义

20 世纪 90 年代以来互联网的飞速发展，宽带互联网技术的应用遍及到生活

的方方面面，网上教育、远程医疗、网上证券和电子商务等如雨后春笋，视频通信

应用越来越引人注目。在宽带互联网的发展和建设过程中，人们渐渐认识到宽带

的应用才是支撑宽带互联网网络发展的真正动力，也是宽带互联网网络经营者效

益的来源。因此，中、高速互联网的流媒体技术诞生，进而推动互联网网络整体架

构的改革创新，于此同时宽带应用（尤其在娱乐性和互动性方面）被发掘并产生

经济效益。目前国内互联网市场中基于不同压缩编码标准的流媒体技术产品，渐

渐受到人们关注，成为宽带互联网的崛起新势力[1-5]。

流媒体技术通过数据压缩，将连续的图像信息和声音信息上传到服务器，使

得用户在客户端能够边下载边接收信息，不需要等待全部数据压缩文件下载到本

地即可播放。流媒体在进行数据传输的过程中，所传输的文件须按照流媒体格式

制成适合其传输的文件。但是，这种格式存储的文件容量依然会比较大，网络繁

忙易引起传输中断。所以尽可能的提高视频音频的压缩比，获得尽可能小的数据

量，并且保证较高的视频音频质量的研究成了当代信息化中的热点。基于可变带

宽技术，流媒体数据在网络上按一定格式打包封装，依据时间先后顺序实现视频

图像数据的传输和播放。在播放前，流媒体不是下载整个文件而是对文件的部分

内容进行缓存。数据传送时，用户可在客户端利用相关的软硬件，即可对压缩的

流媒体文件进行解压播放。通过以上方式节省了下载等待时间、本地存储空间，流

媒体文件的剩余部分在后台的服务器上仍在继续下载。流媒体技术对于网络信息

的传播（包括新闻发布、互联网广告、视频在线直播、实时会议等），企业单位内

部交流（包括采用点播和流媒体介绍公司、发布信息、培训员工等互动），商业用

网站更是离不开流媒体（包括基于流媒体打造播放平台、提供视频点播、直播服务

等等）。流媒体的广泛应用促使传统影视媒体市场与宽带互联网网络应用服务的

结合，改变了传统互联网呆板的内容表现形式，同时在线music、远程教育、宽带

TV 等实际的网络应用也应运而生。基于流媒体技术的多媒体互动成了人们对宽带

网络未来发展的共同期待，同时流媒体技术中存在的技术问题也成了新的研究热

点。

由于视频图像信息通常包含的信息量很大，因而对传输网络的带宽要求也相

对较高。例如，一路会议电视或可视电话信号，虽然其动态动内容相对较少，因

此会想到所需的带宽可以窄一些。但在不压缩的情况下，大约需要若干 Mbit/s 的

带宽才能达到较好的视频效果，即使是在数据压缩后的情况下也是需要 384kbit/s

的带宽来支持数据传输。又比如一路高清晰电视信号，在不压缩的情况下可能需

要1Gbit/s，在使用 MPEG-2 压缩后也大概需要 20Mbit/s。因此，视频信息虽然具

有直观性、确定性等优点，但要传输视频信息往往需要较高的网络带宽作为支持。

上海理工大学研究生毕业论文

因此，在相同网络宽带的情况下，如何提高视频数据的压缩一直以来都是人们研

究的一个热点。

本文总结当下流行的视频压缩技术，针对 H.264/AVC 视频压缩标准和 RNS

余数数制算法原理，提出了 RNS 在流媒体中的应用方案。利用 RNS(余数数制系

统)将数位大的整数转换为相互独立的数位少的整数，不仅减少系统需要处理的数

据位数，而且由于进行并行处理、无进位处理，所以处理数据的速度大大提高[6-

9]，对视频数据的压缩和图像加密方面有一定的创新作用和指导意义。未来十年是

移动互联网快速发展的时期，以视频数据传输为基础必然会开拓出新的网络应用

视频、多媒体业务等互联网的需求量将大大增加，高效的视频编解码技术研究已

成为视频与多媒体通信领域中的热点，本文在改善流媒体视频数据压缩技术方面

和数据传输安全提供一种新的研究方法。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 流媒体的研究现状

在流媒体格式的媒体出现前，用户如果从网络上获得视频音频信息（比如影

片、音乐），需要先将相关资料下载至本地储存后才可以播放。不仅耗费下载时间

占用硬盘空间，而且无法满足用户即时需求，流媒体技术的改善了这些问题并带

来更好的用户体验。流媒体技术通过数据压缩技术，将连续的图像信息和声音信

息上传到服务器，使用户在客户端能够边下载边接收信息，不需要等待全部压缩

文件完全下载到本地，只需要安装相应播放软即可实时播放文件。在经济快速发

展的背景下，大众需要一种实现远程信息便捷沟通网络技术，流媒体技术的出现

缓解了这种需求。1994 年，美国Progressive Net Works 的成立宣告流媒体技术在

互联网上的正式登场。1995 年，Progressive Net Works 推出了 Client/Server 架构的

音频接收系统（ Real Audio ）引领了网络流式技术的汹涌潮流。 1997 年，

Progressive Networks 更名 Real Networks，并接连发布多款应用广泛的流媒体播放

器Real Player 系列。Real Networks 公司在鼎盛时期一度占据超过85%的市场份额，

称得上是流媒体真正意义上的始祖。随后Microsoft 和Apple 等公司看到流媒体技

术的发展前景，从而开始市场资源的争夺。形成的强大竞争攻势推进了流媒体技

术的发展和革新，流媒体得以广泛进入人们的生活并为大众所知所用。早期，由

于受带宽条件限制，流媒体技术主要应用在窄带互联网上，直到 1999 年mini 视

频播放窗口才出现在的互联网上为大众使用。自2000 年开始，随着全球互联网的

高速发展，宽带互联网进入人们的生活。流媒体技术倡导者和发起者（包括Real

Networks、Microsoft、Apple 等科技公司）几乎同时向世界发布各自新的流媒体技

术的宽带解决方案，使得该技术在短时间里实现飞跃性发展。今天用户通过互联

网网络，享受全方位的视听接触，可谓独坐一室，纵观天下。

国际制作视频编码标准的两大组织：ITU-T 和ISO/IEC，针对不同的视频应

用领域制定了不同的编解码标准，包括MPEG 系列、H.261、H.263+等。H.264/AVC

是这两大组织联合制定的高级视频编解码标准，该标准开源的编码工程有

JM、x264、T264 。随着移动互联网、4G 和下一代宽带无线的发展，对视频、多媒体

业务等互联网的需求量将大大增加，高效的视频编解码技术研究已成为视频与多

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1摘要RNS在流媒体中的应用摘要流媒体技术通过数据压缩技术，将连续的图像信息和声音信息上传到服务器，使用户在客户端能够边下载边接收信息，不需要等待全部压缩文件完全下载到本地。流媒体在进行数据传输的过程中，所传输的文件须按照流媒体格式制作成适合其传输的文件。但是，这种格式存储的文件容量依然比较大，遇到网络繁忙易引起传输中断。所以尽可能的提高视频音频的压缩比，获得尽可能小的数据量，并且保证较高的视频音频质量的研究成了当代信息化中的热点。本文针对流媒体数据传输速率问题，基于H.264/AVC视频压缩标准，研究余数数制系统RNS在视频压缩和解压缩中的应用。给出了具体的实现方案，并论证了实现方案的可行性...

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