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JP5991598B2 - データ処理装置及びデータ処理方法 - Google Patents

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Description

本開示は、映像データのデータパケットに付加する冗長パケット数を算出するデータ処理装置及びデータ処理方法に関する。
TV会議システム等のIPベースのリアルタイムコミュニケーションシステムにおいて、フルハイビジョン(Full HD)の映像伝送が既に可能となっている。IPネットワーク環境では数%程度のパケットロスが発生するため、再送(ARQ:Automatic Repeat reQuest)やパケット消失訂正(FEC:Forward Error Correction)機能を用いて映像又は音声の品質を確保している。リアルタイムでの映像伝送システムの場合、RTT(Round Trip Time)が短い環境ではARQが有効であり、RTTが長い環境やパケットロス率が高い環境ではFECが有効である。
近年、WiMAXやLTE(Long Term Evolution)といった無線回線の高速化に伴い、モバイル環境での映像伝送システムが登場してきている。無線環境では端末の移動による電波環境の変化やハンドオーバといった現象が頻繁に起こるため、パケットロス率やRTTは有線環境よりも悪くなりがちである。したがって、モバイル環境において映像又は音声の品質を確保する方法としてはFECが適している。FECでは、映像や音声のデータパケットから冗長パケット(「パリティ」ともいう)を生成し、データパケットと一緒にネットワーク上に送信する。しかしながら、伝送帯域が限られる無線環境では冗長パケットのオーバヘッドによりデータパケットの伝送帯域が圧迫され、映像又は音声の品質に悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、冗長量を抑えつつ、ある程度の品質を確保するようなシステム設計が必要となる。
特許文献1には、映像伝送システムにおける送信側の構成が示される。図17は、特許文献1に示された通信システムを構成する送信装置と受信装置の構成例を示すブロック図である。送信装置500が備えるレート制御部501は、RTCP部211から通知されるネットワーク情報(パケットロス率、RTTなど)より総伝送レートを決定し、冗長度決定部503に通知する。また、RTCP部211は、受信装置300からのNACK情報をARQ部210に通知する。冗長度決定部503は、レート制御部501から通知される総伝送レートと、ARQ部210より通知される再送データサイズから、実際のデータ送信に使用可能な調整レートを算出し、符号化部202に通知する。また、冗長度決定部503は、総伝送レートから再送データレートを引いた調整レートとRTTとから構成される図18に示した冗長度テーブルを用いて冗長パケット数を決定し、FEC符号化部205に通知する。
日本国特許第4513725号公報
上記説明した特許文献1では、図18に示した冗長度テーブルを用いて冗長パケット数を決定する際に、総伝送レートから再送データレートを引いた調整レートがパラメータとして利用される。この調整レートは、図19に示すように、FECによる冗長パケットのデータレート(以下「FECレート」という)を含むレートである。図18に示した冗長度テーブルによれば、例えば、調整レート(=総伝送レート−再送データレート)が2Mbpsのときの冗長パケット数がRTTに応じて0〜7個に設定されている。このため、再送を考慮しない場合に付加される冗長パケット数の最大値は7個である。一般的なネットワークのパケットサイズが1200byteであることを想定すると、総伝送レートが2Mbpsのときに送信可能なパケット数は208パケットである。なお、当該送信可能なパケット数には、FECによる冗長パケット数も含まれる。
映像データが伝送される場合、FECの符号化単位は映像のフレーム毎であるため、図20に示すように、フレームレートが高くなると総伝送レートに対するFECレートの割合が高くなる。例えば、フレームレートが20fpsのとき、冗長パケット数は140パケット(=7個×20フレーム)であり、総伝送レートに占めるFECレートは60%を超える。さらに、フレームレートが30fpsのとき、冗長パケット数は210パケット(=7個×30フレーム)となり、総伝送レートに占めるFECレートは100%を超えてしまう。
このように、上記説明した冗長パケット数の算出方法では、符号化部202に通知される調整レートにFECレートが考慮されていない。このため、映像データを伝送する際に、映像のフレームレートが高くなるにつれ、映像コンテンツに係るデータ本体を送信できなくなる。
また、上述したように、FECの符号化単位はフレーム毎のため、冗長パケット数とフレームレートよりFECレートを算出することができる。FEC符号化部205は、FECレートに応じた冗長パケットを生成して、映像の各フレームに付与する。
符号化部202が映像データを符号化すると、フレーム内符号化を用いたフレーム(Iフレーム)と、フレーム間予測符号化を用いたフレーム(Pフレーム)とが生成される。1秒あたりに含まれる各フレームの数は、Iフレームが例えば1秒あたり数フレームである一方、Pフレームは例えば1秒あたり数十フレームと多い。また、1枚のフレームを表すために必要なパケット数は、PフレームよりもIフレームの方が多い。
したがって、FEC符号化部205が、FECレートに応じた冗長パケットを映像データの各フレームに付与すると、図21に示すように、映像の各フレームにはフレームの種類にかかわらず同数の冗長パケットが付与される。しかし、上述したように、Iフレームのパケット数はPフレームのパケット数よりも多いため、1枚のフレームを構成するパケット数とそのフレームに付与される冗長パケット数とのバランスがIフレームとPフレームとでは異なってしまう。その結果、伝送中におけるIフレームのパケットロス耐性が低下し、受信側における伝送された映像データの再生品質が劣化してしまう。
当該状態は、映像のフレームレートが低ければFECレートを上げることによって改善できる。しかし、フレームレートが高いときには、図20に示したように、FECレートをできる限り抑えた方が良いため、FECレートを上げる方法は得策ではない。
本開示の目的は、映像のフレームレートが高くても、伝送レートに占める冗長パケットのデータレートを抑えつつ、パケットロス環境における受信側での映像データの再生品質を向上可能なデータ処理装置及びデータ処理方法を提供することである。
本開示は、無線ネットワークを介して送信する映像データを処理するデータ処理装置であって、前記無線ネットワークの伝送レートを推定する帯域推定部と、映像を構成するフレーム内符号化を用いたIフレームとフレーム間予測符号化を用いたPフレームの比であるフレーム構成比を導出するフレーム構成比導出部と、前記帯域推定部が推定した伝送レート及び前記フレーム構成比に基づいて仮の冗長パケット数を算出し、前記伝送レート及び前記仮の冗長パケット数から仮冗長パケットレートを算出する仮冗長パケットレート算出部と、前記伝送レート及び前記仮冗長パケットレートから、前記映像データを符号化する際のエンコードレートを算出するエンコードレート算出部と、前記エンコードレートで前記映像データを符号化してパケット化する映像データ処理部と、前記映像データ処理部における処理の結果得られた各フレームに付加する冗長パケット数を算出して、符号化された映像データのデータパケットに対して冗長符号化処理を行うことで得られる冗長パケットを各フレームに付加する冗長符号化処理部と、を備えたデータ処理装置を提供する。
また、本開示は、無線ネットワークを介して送信する映像データを処理するデータ処理方法であって、前記無線ネットワークの伝送レートを推定する帯域推定ステップと、映像を構成するフレーム内符号化を用いたIフレームとフレーム間予測符号化を用いたPフレームの比であるフレーム構成比を導出するフレーム構成比導出ステップと、前記帯域推定ステップで推定した伝送レート及び前記フレーム構成比に基づいて仮の冗長パケット数を算出し、前記伝送レート及び前記仮の冗長パケット数から仮冗長パケットレートを算出する仮冗長パケットレート算出ステップと、前記伝送レート及び前記仮冗長パケットレートから、前記映像データを符号化する際のエンコードレートを算出するエンコードレート算出ステップと、前記エンコードレートで前記映像データを符号化してパケット化する映像データ処理ステップと、前記映像データ処理ステップでの処理の結果得られた各フレームに付加する冗長パケット数を算出して、符号化された映像データのデータパケットに対して冗長符号化処理を行うことで得られる冗長パケットを各フレームに付加する冗長符号化処理ステップと、を有するデータ処理方法を提供する。
本開示に係るデータ処理装置及びデータ処理方法によれば、映像のフレームレートが高くても、伝送レートに占める冗長パケットのデータレートを抑えつつ、パケットロス環境における受信側での映像データの再生品質を向上できる。
映像に係るデータが送信側の端末から受信側の端末に無線ネットワークを介して伝送される一実施形態の映像伝送システムにおける各端末の動作を示す図 送信端末が行う冗長パケット数の算出方法を説明する図 送信端末が行う冗長パケット数の算出方法を説明する図 送信端末が行う冗長パケット数の算出方法を説明する図 第1の実施形態の送信端末の構成を示すブロック図 第1の実施形態の送信端末が備える再送/FEC部109の内部構成を示すブロック図 冗長パケット数算出テーブルの一例を示す図 データパケットから冗長パケットを生成する様子を示す図 第1の実施形態の受信端末の構成を示すブロック図 受信端末が備えるパケットロス回復部159の動作を示すフローチャート 第2の実施形態の送信端末の内部構成を示すブロック図 第2の実施形態の送信端末が備える再送/FEC部209の内部構成を示すブロック図 第2の実施形態の送信端末が備えた再送/FEC部209が有する予測結果比較部201が出力する修正予測データパケット数を決定する際のフローチャート 第3の実施形態の送信端末の内部構成を示すブロック図 第3の実施形態の送信端末が備えるエンコード部305の内部構成を示すブロック図 第3の実施形態の送信端末が備える再送/FEC部309の内部構成を示すブロック図 特許文献1に示された通信システムを構成する送信装置と受信装置の構成例を示すブロック図 特許文献1に示された冗長度テーブルの一例を示す図 総伝送レートと調整レートと再送データレートとFECレートとの関係を示す図 映像のフレームレート毎の総伝送レートに対するFECレートの割合を示す図 符号化後のフレームに対する冗長(FEC)パケットの付加
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、映像に係るデータが送信側の端末から受信側の端末に無線ネットワークを介して伝送される一実施形態の映像伝送システムにおける各端末の動作を示す図である。なお、通常の映像伝送システムの場合、伝送レートは映像レートと音声レートの合計値であるが、本実施形態では映像レートのみを対象に説明する。
送信側の端末(以下「送信端末」という)は、帯域推定されたネットワーク帯域(=エンコードレート)に基づいて、映像データをエンコードする。送信端末は、エンコードした映像データをパケット化し、再送に備えて送信バッファにコピーする。さらに、送信端末は、パケット化された映像データをFEC符号化する。送信端末は、通常は、映像データのデータパケットとFECパケットを映像パケットとしてネットワーク上に送信する。なお、送信端末は、受信側からの再送要求があった場合は、新規のデータパケットを送信するのではなく、送信バッファに格納されているデータパケットを送信する。
エンコードレートを導出するための帯域推定は、RTT、パケットロス率といったフィードバックパケット情報に基づいて行われる。但し、初回送信時はフィードバックパケットが存在しないため、送信端末は初期帯域推定を行う。また、帯域推定時には、FECパケット分のFECレートを除いたレートがエンコードレートとして導出される。
受信側の端末(以下「受信端末」という)は、映像パケットを受信後、受信処理を行い、データパケットの抽出とヘッダ部分に記載される送信時刻からRTTを計算する。受信端末は、受信パケットにパケットロスを検出した場合、パケットロス率を算出し、RTTとパケットロス率から再送判定を行い、再送判定結果を通知する。RTTが大きく再送が不可能な場合、受信端末は、パケットロス回復処理としてFEC復号化を行い、ロスパケットを回復後、符号化された映像データのデコードを行い、映像データを出力する。
一方、再送が可能な場合、受信端末は、送信端末に再送要求を行う。送信端末が帯域推定やFEC符号化を行うために、受信端末で算出されたRTTやパケットロス情報はフィードバックパケットとして送信端末に通知されるが、受信端末が送信端末に再送を要求する場合には、再送要求もフィードバックパケットに含まれる。受信端末が再送パケットを受信し、受信パケットにパケットロスがなければ、受信端末は、符号化された映像データのデコードを行い、映像データを出力する。
次に、図2〜図4を参照して、送信端末が行う冗長パケット数の算出方法について説明する。
送信端末は、初めに、映像符号化区間あたりの利用可能なネットワーク帯域を示す伝送レートを推定する。図2に示した例では、ネットワークの伝送レートが2Mbpsと推定されている。次に、送信端末は、推定伝送レートと映像のフレームレートに基づいて、フレーム内符号化を用いたIフレームとフレーム間予測符号化を用いたPフレームのフレーム構成比を予測する。
フレーム構成比は、Iフレーム及びPフレームを構成する各パケット数を予測することで求まる。図2に示した例では、1パケットのデータサイズを1200byte=9.6kbitとした場合、推定伝送レート2Mbpsで1秒間に伝送可能なパケット数は208パケットであることを示す。仮に、フレームレートを30fps、すなわち、1秒あたりのフレーム数が30であるとする。このとき、送信端末は、Pフレームあたりのパケット数(図2では5パケット)と、1秒あたりのIフレーム数(図2では2フレーム)とを予測することで、IフレームとPフレームの各パケット総数の予測値を算出できる。また、送信端末は、Iフレームあたりのパケット数の予測値(図2では34フレーム)も算出できる。なお、Pフレームあたりのパケット数及び1秒あたりのIフレーム数の予測方法については後述する。
次に、送信端末は、図3に示すように、仮(temporary)の冗長パケット数を算出する。すなわち、送信端末は、各フレームのデータパケット数に対して、所要の映像品質に対応するパケットロスまたはフレームロス以下となるように、FEC方式の理論式から各フレームの仮冗長パケット数を算出する。当該FEC方式の理論式については後述する。
次に、送信端末は、推定伝送レートに対応するパケット数と仮冗長パケット数より、予測FECレートを算出する。図3に示した例では、推定伝送レート2Mbpsに対応するパケット数208と仮冗長パケット数96(=6×2+3×28)との合計パケット数304(=208+96)に対する仮冗長パケット数96の割合(=96/(208+96))を推定伝送レート2Mbpsに乗算した0.63Mbpsが予測FECレートとして算出される。
次に、送信端末は、推定伝送レートと予測FECレートよりエンコードレートを求め、映像データをエンコードする。なお、図3に示した例では、予測FECレート0.63Mbpsを推定伝送レート2Mbpsから減算した1.37Mbpsが、映像データのエンコードレートである。エンコードレート1.37Mbpsに対応するパケット総数は143パケットであり、送信端末における映像データのエンコードの結果、エンコードレートに近いパケット数が出力される。図4に示した例では、Iフレーム数2、Pフレーム数28のフレーム構成であり、143パケットのうちIフレーム分が59パケット、残り84パケットがPフレーム分である。
最後に、送信端末は、各フレームのデータパケット数に対して、FEC方式の理論式から各フレームの冗長パケット数を算出し、映像データのデータパケットに付加する。なお、冗長パケット数の算出方法は図3に示した仮冗長パケット数の算出方法と同じである。図4に示した例では、68個(=6×2+2×28)の冗長パケットが生成され、映像データのエンコードレートが1.37Mbpsであるため、FECレートは0.66Mbpsとなる。したがって、エンコードレートとFECレートを合計した実伝送レートは2.03Mbpsであるため、この実伝送レートは推定伝送レート2Mbpsにほぼ沿うものとなっている。
以上説明した方法によれば、伝送レートに占めるFECレートを予測した上で算出されるエンコードレートで映像データをエンコードするため、映像のフレーム構成(Iフレーム及びPフレームの各データパケット数)に応じた適切な数の冗長パケットが付加される。このため、映像のフレームレートが高い場合でも、冗長パケットのデータレートを抑えつつ、映像データの帯域は確保される。その結果、無線通信ネットワークを介した映像データの伝送といったパケットロス環境における受信側での映像データの再生品質を改善できる。
図5は、第1の実施形態の送信端末の構成を示すブロック図である。なお、図5中の記号(1)〜(6)は、図2〜図4に示した各動作の番号を示す。図5に示すように、送信端末は、RTCP受信部101と、帯域推定部103と、エンコード部105と、パケット化部107と、再送/FEC部109と、RTP送信部111とを備える。
RTCP受信部101は、受信端末から送信されたフィードバックパケットを受信し、ネットワークのパケットロス率、RTT、再送要求に係る情報を抽出する。パケットロス率、RTT、再送要求に係る情報は、帯域推定部103と再送/FEC部109に入力される。
帯域推定部103は、パケットロス率とRTTから推定したネットワーク帯域を推定伝送レート情報として再送/FEC部109に入力する。また、再送/FEC部109から再送レート、予測FECレートを受け取り、推定伝送レートから再送レート及び予測FECレートを除いたレートをエンコードレートとしてエンコード部105に入力する。
エンコード部105は、映像データの符号化処理を行う。具体的には、エンコード部105は、帯域推定部103より通知されるエンコードレートに応じて映像データをh.264等の符号化方式を用いて圧縮符号化し、Iフレーム及びPフレームによって表される映像の符号化データをパケット化部107に入力する。また、エンコード部105は、映像のフレームレート情報を再送/FEC部109に入力する。
パケット化部107は、エンコード部105から入力される符号化データを規定のパケットサイズにパケット化し、映像データのデータパケットとして再送/FEC部109に入力する。このとき、パケット化部107は、各フレームのデータパケット数も再送/FEC部109に通知する。
再送/FEC部109は、受信端末から再送要求があった場合、格納していた再送データをRTP送信部111に出力する。再送要求がなかった場合、再送/FEC部109は、RTTに基づいて、パケットロス回復手段として、再送のみを行うか、再送とFECのハイブリッドで行うか、FECのみを行うかを判断する。再送のみを行うと判断した場合、再送/FEC部109は、データパケットを送信バッファに格納するとともにRTP送信部111へ出力する。再送とFECのハイブリッドで行うと判断した場合またはFECのみを行うと判断した場合、再送/FEC部109は、フレーム毎のデータパケット数とパケットロス率から算出した数の冗長パケットを生成し、生成した冗長パケットを映像データのデータパケットに付加して、符号化パケットとしてRTP送信部111に入力する。なお、再送とFECのハイブリッドで行うと判断した場合、再送/FEC部109は、上記パケットロス率として、再送によってある程度回復されたあとのパケットロス率を使用する。また、再送/FEC部109では、帯域推定部103から入力される推定伝送レート情報と、エンコード部105から入力されるフレームレート情報より算出する予測FECレート情報と、再送要求から算出する再送レート情報とを算出し、帯域推定部103に入力する。
RTP送信部111は、入力される符号化パケットや再送パケットにヘッダ情報を付加して、RTPパケットとしてネットワークに送信する。
以下、再送/FEC部109について、図6を参照して詳細に説明する。図6は、第1の実施形態の送信端末が備える再送/FEC部109の内部構成を示すブロック図である。図6に示すように、再送/FEC部109は、フレーム構成比予測部121と、冗長パケット数算出部123と、予測FECレート算出部125と、FEC符号化部127と、再送部129とを有する。
フレーム構成比予測部121は、帯域推定部103からの推定伝送レート情報とエンコード部105からの映像のフレームレート情報に基づいて、各フレームの予測データパケット数を算出して、フレーム構成比を予測する。推定伝送レートをR[Mbps]、1パケットのデータサイズをS[byte]、フレームレートをfR[fps]とおく。映像符号化区間あたりのIフレーム数予測値をNIframe、Pフレームあたりのパケット数予測値をNpacket_Pとおくと、Pフレームのパケット総数Ppacketは式(1)から求められる。
Figure 0005991598
一方、Iフレームのパケット総数Ipacketは、推定伝送レートR、1パケットのデータサイズS、式(1)で求めたPフレームのパケット総数Ppacketより、式(2)から求められる。
Figure 0005991598
なお、フレーム構成比予測部121が式(1)よりPフレームのパケット総数Ppacketを算出する際には、Iフレーム数予測値NIframeとPフレームあたりのパケット数予測値Npacket_Pを決定する。
Pフレームのパケット総数PpacketとIフレームのパケット総数Ipacketを映像データのデータパケット数として、冗長パケット数算出部123は、所要の映像品質に対応するパケットロス率(FEC後パケットロス率)を満たす冗長パケット数を、演算用冗長パケット数情報として算出する。リードソロモン符号を例にとると、FEC前のパケットロス率をp、データパケット数をK、冗長パケット数をL、FEC後のパケットロス率をPとおくと、FEC後のパケットロス率Pは式(3)から求められる。
Figure 0005991598
FEC後のパケットロス率P、FEC前のパケットロス率pは既知情報であり、データパケット数Kも冗長パケット数算出部123に入力されるので、式(3)より所要の映像品質を満たす冗長パケット数の最適値Loptを式(4)から求めることができる。
Figure 0005991598
式(4)のデータパケット数KにPフレームのパケット総数PpacketとIフレームのパケット総数Ipacketをそれぞれ代入することで、演算用冗長パケット数が求まる。演算用冗長パケット数の最適値Loptは、予測値であるPpacket、Ipacketが変われば変化するので、以下に示す式(5I),(5P)によって表される。
Figure 0005991598
本実施形態では、総伝送レートに占めるFECレートが最小となるように冗長パケット数を決める。このため、式(5I),(5P)に示す演算用冗長パケット数の最適値Loptが最小となるように、予測値であるPフレームのパケット総数PpacketとIフレームのパケット総数Ipacketを決定する。Pフレームのパケット総数PpacketとIフレームのパケット総数Ipacketは、式(1),(2)より映像符号化区間あたりのIフレーム数予測値NIframe、Pフレームあたりのパケット数予測値Npacket_Pから求まる値であるので、言い換えれば、式(5I),(5P)に示す演算用冗長パケット数の最適値Loptが最小となるように、Iフレーム数予測値NIframeとPフレームあたりのパケット数予測値Npacket_Pを決定する。以上より、Iフレーム数予測値NIframeの最適値NIframe_optとPフレームあたりのパケット数予測値Npacket_Pの最適値Npacket_P_optは、式(6)より求めることができる。
Figure 0005991598
冗長パケット数算出部123は、データパケット数とパケットロス率より、所望の映像品質を満たす各フレームの冗長パケット数の最適値を算出する。また、冗長パケット数算出部123は、予測FECレートの算出に必要な仮冗長パケット数を決定するため、フレーム構成比予測部121に対して、予測データパケット数が入力されれば演算用冗長パケット数を返す。
初めに、仮冗長パケット数の算出方法について説明する。フレーム構成比予測部121によってFECレートを最小とする予測データパケット数の最適値Ppacket_opt,Ipacket_optが求まるので、式(5I),(5P)にこれを代入することで、冗長パケット数算出部123は、仮冗長パケット数を求めることができる。仮冗長パケット数をLopt_tempとおくと、仮冗長パケット数Lopt_tempは式(7)より求められる。
Figure 0005991598
次に、冗長パケット数の算出方法であるが、FEC前のパケットロス率pとデータパケット数Kが入力され、FEC後のパケットロス率Pも映像品質目標に応じて設定される値なので、冗長パケット数算出部123は、式(4)にそれぞれの値を代入することで冗長パケット数を算出する。なお、再送部129より再送時パケットロス率が入力される場合、FEC前のパケットロス率pに代わって再送時パケットロス率が使用される。
なお、冗長パケット数の算出に関して、映像品質に対応するFEC後パケットロス率が固定値であれば、あらかじめ式(4)の値を計算して冗長パケット数算出テーブルとして保持しておいても良い。この場合、冗長パケット数算出部123は、データパケット数とパケットロス率が入力された際に、冗長パケット数算出テーブルを参照して冗長パケット数を返すことができる。式(4)においてP=0.1%とした場合の冗長パケット数算出テーブルの一例を図7に示す。
予測FECレート算出部125は、帯域推定部103から通知される推定伝送レート情報と冗長パケット数算出部123が算出した仮パケット数情報より、予測FECレートを算出する。予測FECレートは再送部129からの再送レートと合計され、再送/予測FECレート情報として帯域推定部103に通知される。
推定伝送レート情報をR[Mbps]、1パケットのデータサイズをS[byte]、仮冗長パケット数をLopt_tempとおくと、予測FECレートRFEC[Mbps]は式(8)より求められる。
Figure 0005991598
FEC符号化部127は、データパケットと冗長パケット数算出部123が算出した冗長パケット数に基づいてデータパケットから冗長パケットを生成し、データパケットと合わせて符号化パケットとして出力する。データパケット数をK、冗長パケット数Lをとしたとき、(K+L,K)がFEC符号化パラメータとして通知されてもよい。データパケットから冗長パケットを生成する様子を図8に示す。図8に示すように、データパケットを一度に符号化処理することはできず、符号化単位毎に1パケット分の処理を繰り返すことで、冗長パケットが生成される。図8は、FECパラメータ(6,4)の符号化の様子を示している。
再送部129は、受信端末からの再送要求があった場合に、再送部129内の図示しない送信バッファに格納されるデータパケットを再送データとしてRTP送信部111に出力する。さらに、再送部129は、再送データ量から再送レート情報を算出して出力する。また、再送部129は、パケットロス回復手段として再送を行うかどうかの可否をRTTより判断し、再送を行う場合の再送時パケットロス率を算出して冗長パケット数算出部123に出力する。
再送回数をNARQ、受信許容遅延時間をtadm[ms]、RTTをtRTT[ms]とおくと、再送回数をNARQは式(9)より求められる。
Figure 0005991598
なお、受信許容遅延時間tadmはシステムによりあらかじめ設定される値である。
また、再送時パケットロス率をp’とおくと、再送回数NARQとパケットロス率pより、再送時パケットロス率p’は式(10)より求められる。
Figure 0005991598
また、再送レートは、予測FECレートを算出する単位と同じ単位で計算する必要があるので、映像符号化区間ごとに計算される。再送レートをRARQ[Mbps]、再送要求の合ったパケット数をNpacket_ARQとおくと、1パケットのデータサイズS[byte]に対して、1パケットのデータレートは8S/10[Mbps]より求められ、再送レートRARQは式(11)より求められる。
Figure 0005991598
図9は、第1の実施形態の受信端末の構成を示すブロック図である。図9に示すように、受信端末は、RTP受信部151と、パケットロス検出部153と、フィードバックパケット生成部155と、再送判定部157と、パケットロス回復部159と、デパケット化部161と、デコード部163と、RTCP送信部165とを備える。
RTP受信部151は、RTPパケットを受信し、ヘッダ情報からRTTを抽出する。FECパケットが付加されている場合は、データパケット数と「データパケット数+冗長パケット数」を示すFECパラメータを抽出する。RTP受信部151で受信された符号化パケット又は再送パケットはパケットロス検出部153に入力される。
パケットロス検出部153は、パケットヘッダのシーケンス番号よりロスパケットを検出し、パケットロス数を算出し、パケットロス回復部159とフィードバックパケット生成部155に入力するとともに、パケットロス率を計算する。パケットロス率の計算は映像符号化区間において、「ロスしたパケット数/総送信パケット数」より求められる。但し、受信パケット数が少なく、パケットロス率の粒度が荒くなる場合、パケットロス検出部153は、複数の区間にわたる平均パケットロスを使用することもできる。パケットロス率は、フィードバックパケット生成部155へ入力される。また、パケットロス検出後の符号化パケットや再送パケットは、パケットロス回復部159へ入力される。さらに、再送パケットにロスがあった場合、フィードバックパケット生成部155に対して再送パケットのロス情報が通知される。
フィードバックパケット生成部155は、フィードバックパケットを生成し、RTCP送信部165へ入力する。フィードバックパケットに含まれる情報として、RTT、パケットロス率、再送要求がある。再送要求は、再送が可能であるかを示す再送判定結果とパケットロス数より生成される。フィードバックパケットはRTCP送信部165より送信される。
再送判定部157は、パケットロス発生時に再送が可能であるかをRTTより判定し、再送判定結果をパケットロス回復部159とフィードバックパケット生成部155に通知する。式(9)に示すように、受信許容遅延時間とRTTより再送回数を求めることができ、再送判定部157は、再送回数が1以上の場合には「再送あり」、それ以外の場合には「再送なし」の再送判定結果を生成する。
パケットロス回復部159は、パケットロス検出部153から通知されるパケットロス数が1以上である場合にパケットロス回復処理を行い、ロスパケットを回復したデータパケットを出力する。デパケット化部161は、データパケットをフレームに変換し、デコード部163へ出力する。デコード部163は、デパケット化部161から入力されるフレームをデコードし、映像データを出力する。
図10は、受信端末が備えるパケットロス回復部159の動作を示すフローチャートである。パケットロス回復部159は、はじめに入力されるパケットの種別をパケットヘッダより判別する(ステップS101)。受信パケットが再送パケットの場合、再送パケットの受信によりパケットロスは回復されるので、パケットロス回復部159は、受信端末でバッファされているデータパケットと再送パケットを合わせて出力する(ステップS103)。受信パケットがデータパケットの場合、ステップS105における再送判定の結果、再送を行う場合はロスしていないパケットを受信バッファに格納し、受信許容遅延時間の間再送パケットの到着を待つ(ステップS107)。ステップS109における判断で受信許容遅延時間を超えた場合、パケットロス回復部159は、ロスしていないデータパケットのみデパケット化部161へ出力する(ステップS111)。受信パケットがデータパケットで、再送をしない場合、FECパケットがデータパケットに付加されていれば、パケットロス回復部159は、FEC復号によるパケットロス回復処理を行う。ステップS113における判定でFECパラメータより算出される冗長パケット数がロスしたパケット数以上の場合、パケットロス回復部159は、受信符号化パケットとFECパラメータよりFEC復号化を行い、ロスパケットを回復し、回復されたパケットを含むデータパケットのみをデパケット化部161へ出力する(ステップS115)。冗長パケット数がロスパケット数未満の場合(FECパケットが付加されなかったケースも含まれる)、FECでの回復は不可能なので、パケットロス回復部159は、ロスしていないデータパケットのみデパケット化部161へ出力する(ステップS117)。
このように、映像データのエンコードレートを決定する際に、総伝送レートに占める再送レート、FECレートが通知されているので、フレームレートが高い場合でも映像データの帯域は確保される。また、エンコード後のフレーム構成に即して、IフレームとPフレームに対してそれぞれ適切な数の冗長パケットが付加される。したがって、冗長パケットのデータレートを抑えつつ、パケットロス環境における受信端末での映像データの再生品質を改善できる。
(第2の実施形態)
図11は、第2の実施形態の送信端末の内部構成を示すブロック図である。第2の実施形態の送信端末が第1の実施形態の送信端末と異なる点は、再送/FEC部209である。この点以外は第1の実施形態と同様であり、図11において、図5と共通する構成要素には同じ参照符号を付して、第1実施形態の送信端末と同一又は同等部分の説明は簡略化又は省略する。
第1の実施形態では、エンコード部105より再送/FEC部209にフレームレート情報が通知されていたが、本実施形態では、直前のエンコード結果を示すコーデック情報がエンコード部105から再送/FEC部209に通知される。コーデック情報には、Iフレーム数、Pフレーム数、Iフレーム情報量及びPフレーム情報量が含まれる。
図12は、第2の実施形態の送信端末が備える再送/FEC部209の内部構成を示すブロック図である。図12に示すように、本実施形態の再送/FEC部209は、第1の実施形態の再送/FEC部109が有する構成要素に加えて、予測結果比較部201を有する。
予測結果比較部201は、上記説明したコーデック情報とフレーム構成比予測部121より入力される予測データパケット数より、修正予測データパケット数を出力する。1パケットのデータサイズをS[byte]、コーデック情報に含まれるIフレーム数をNcodec_Iframe、Pフレーム数をNcodec_Pframe、Iフレーム情報量をDIframe[byte]、Pフレーム情報量をDPframe[byte]とおくと、過去情報であるエンコード後のIフレームのデータパケット数Icodec_packetとPフレームのデータパケット数Pcodec_packetは式(12I),(12P)より求められる。
Figure 0005991598
図13は、第2の実施形態の送信端末が備えた再送/FEC部209が有する予測結果比較部201が出力する修正予測データパケット数を決定する際のフローチャートである。図13に示すように、予測結果比較部201は、式(12I),(12P)より算出されるデータパケット数Icodec_packet,Pcodec_packetと、フレーム構成比予測部121が式(1),(2)から算出した予測データパケット数Ipacket,Ppacketとを比較し、修正予測データパケット数Ipacket_rev,Ppacket_revを出力する。推定伝送レートの変動が閾値以上の場合やコーデック情報から算出可能なシーンチェンジ情報が検出された場合、予測結果比較部201は、過去のエンコード結果との比較は行わず、フレーム構成比予測部121が算出した予測データパケット数Ipacket,Ppacketを修正予測データパケット数Ipacket_rev,Ppacket_revとして出力する。
一方、推定伝送レートの変動が閾値未満かつシーンチェンジが検出されなかった場合、予測結果比較部201は、過去情報との比較を行う。データパケット数を比較した結果、過去情報であるエンコード後のIフレームのデータパケット数Icodec_packetやPフレームのデータパケット数Pcodec_packetの方が予測データパケット数Ipacket,Ppacketより大きかった場合(Iフレーム、Pフレーム個別に判断)、予測結果比較部201は、予測データパケット数Ipacket,Ppacketに一定の補正値ΔI,ΔPを加算した修正予測データパケット数を出力する。なお、補正値ΔI,ΔPはシステムで設定される値である。一方、エンコード後のIフレームのデータパケット数Icodec_packetやPフレームのデータパケット数Pcodec_packetの方が予測データパケット数Ipacket,Ppacketより小さかった場合、予測結果比較部201は、予測データパケット数Ipacket,Ppacketに一定の補正値ΔI,ΔPを減算した修正予測データパケット数を出力する。なお、両者が等しかった場合、予測結果比較部201は、補正を加えず予測データパケット数Ipacket,Ppacketを修正予測データパケット数Ipacket_rev,Ppacket_revとしてそのまま出力する。
以上説明したように、本実施形態では、Iフレーム、Pフレームのデータパケット数のレベルに応じてフレーム構成比の予測値を調整するので、予測精度を高めることができ、IフレームとPフレームに対して適切な数の冗長パケットが付加される。その結果、冗長パケットのデータレートを抑えつつ、パケットロス環境における受信端末での映像データの再生品質をさらに改善できる。
(第3の実施形態)
図14は、第3の実施形態の送信端末の内部構成を示すブロック図である。第3の実施形態の送信端末が第1の実施形態の送信端末と異なる点は、エンコード部305及び再送/FEC部309である。この点以外は第1の実施形態と同様であり、図14において、図5と共通する構成要素には同じ参照符号を付して、第1実施形態の送信端末と同一又は同等部分の説明は簡略化又は省略する。
第1の実施形態では、エンコード部105より再送/FEC部109にフレームレート情報が通知されていたが、本実施形態ではフレーム構成比が通知される。
図15は、第3の実施形態の送信端末が備えるエンコード部305の内部構成を示すブロック図である。図15に示すように、本実施形態のエンコード部305は、映像符号化部311と、フレーム構成比算出部313と、リセット情報生成部315と、平均値算出部317とを有する。
映像符号化部311は、帯域推定部103から通知されたエンコードレートで映像データの圧縮符号化を行い、フレームとして出力する。映像符号化部311は、符号化結果のフレームを参照することで、フレームレート情報や、Iフレーム数、Pフレーム数、Iフレーム情報量及びPフレーム情報量含むコーデック情報を生成することができる。
フレーム構成比算出部313は、符号化結果のフレームを参照し、Iフレーム情報量とPフレーム情報量より瞬時フレーム構成比を求める。Iフレーム情報量をIinfo[byte]、Pフレーム情報量をPinfo[byte]とおくと、瞬時フレーム構成比FRisntは「FRisnt=Iinfo/Pinfo」の計算式から求まる。フレーム構成比算出部313が算出した瞬時フレーム構成比は、平均値算出部317に入力される。また、フレーム構成比算出部313は、Iフレーム数やPフレーム数といったフレーム構成を示すGOP(Group Of Picture)情報の変化よりシーンチェンジを検出し、検出結果に基づく映像切替情報をリセット情報生成部315に出力する。
リセット情報生成部315は、エンコードレートが一定以上変化したか映像切替情報が入力された場合にリセット情報を生成し、平均値算出部317に入力する。
平均値算出部317は、映像符号化単位毎に出力される瞬時フレーム構成比FRisntを一定時間蓄積し、その平均値を計算し、フレーム構成比として出力する。瞬時フレーム構成比FRisntの平均値が出力されるまでの間又はリセット情報が入力された場合、平均値算出部317は、あらかじめ設定した初期値をフレーム構成比として出力する。なお、平均値を算出する瞬時値のサンプル数をNsとおくと、フレーム構成比FRaveは式(13)より求められる。
Figure 0005991598
図16は、第3の実施形態の送信端末が備える再送/FEC部309の内部構成を示すブロック図である。図16に示すように、本実施形態の再送/FEC部309は、フレーム構成比予測部121を有さず、冗長パケット数算出部323の動作が第1の実施形態の冗長パケット数算出部123とは異なる。すなわち、本実施形態の冗長パケット数算出部323は、エンコード部305より通知されるフレーム構成比を用いて、仮冗長パケット数を算出する点が、第1の実施形態と異なる。
本実施形態における仮冗長パケット数の算出方法について説明する。エンコード部305より通知されるフレーム構成比をFRave、推定伝送レート情報をR[Mbps]、1パケットのデータサイズをS[byte]とおくと、Pフレームのパケット総数Ppacket、Iフレームのパケット総数Ipacketは式(14P),(14I)より求められる。
Figure 0005991598
式(14P),(14I)のPフレームのパケット総数Ppacket、Iフレームのパケット総数Ipacketを第1の実施形態で説明した式(7)に代入することで、仮冗長パケット数Lopt_tempが求まる。冗長パケット数の算出方法は第1の実施形態と同じである。
以上説明したように、本実施形態では、実際のエンコード結果をフレーム構成比の予測に活用することで、予測精度を高めることができ、IフレームとPフレームに対して適切な数の冗長パケットが付加される。その結果、冗長パケットのデータレートを抑えつつ、パケットロス環境における受信端末での映像データの再生品質をさらに改善できる。また、シーンチェンジにも対応することで、予測精度の劣化を予防できる。
上記各実施形態では、本開示をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本開示はハードウェアとの連携においてソフトウェアでも実現することも可能である。
また、上記各実施形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるLSIとして実現される。これらは個別に1チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように1チップ化されてもよい。ここでは、LSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩又は派生する別技術によりLSIに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
本開示を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本開示の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2011年9月28日出願の日本特許出願(特願2011-212916)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本開示に係るデータ処理装置は、映像データのデータパケットに適切な数の冗長パケットを付加して伝送する映像伝送システムの送信端末等として有用である。
101 RTCP受信部
103 帯域推定部
105,305 エンコード部
107 パケット化部
109,209,309 再送/FEC部
111 RTP送信部
121 フレーム構成比予測部
123,323 冗長パケット数算出部
125 予測FECレート算出部
127 FEC符号化部
129 再送部
151 RTP受信部
153 パケットロス検出部
155 フィードバックパケット生成部
157 再送判定部
159 パケットロス回復部
161 デパケット化部
163 デコード部
165 RTCP送信部
201 予測結果比較部
311 映像符号化部
313 フレーム構成比算出部
315 リセット情報生成部
317 平均値算出部

Claims (12)

  1. 無線ネットワークを介して送信する映像データを処理するデータ処理装置であって、
    前記無線ネットワークの伝送レートを推定する帯域推定部と、
    映像を構成するフレーム内符号化を用いたIフレームとフレーム間予測符号化を用いたPフレームの比であるフレーム構成比を導出するフレーム構成比導出部と、
    前記帯域推定部が推定した伝送レート及び前記フレーム構成比に基づいて仮の冗長パケット数を算出し、前記伝送レート及び前記仮の冗長パケット数から仮冗長パケットレートを算出する仮冗長パケットレート算出部と、
    前記伝送レート及び前記仮冗長パケットレートから、前記映像データを符号化する際のエンコードレートを算出するエンコードレート算出部と、
    前記エンコードレートで前記映像データを符号化してパケット化する映像データ処理部と、
    前記映像データ処理部における処理の結果得られた各フレームに付加する冗長パケット数を算出して、符号化された映像データのデータパケットに対して冗長符号化処理を行うことで得られる冗長パケットを各フレームに付加する冗長符号化処理部と、
    を備えたことを特徴とするデータ処理装置。
  2. 請求項1に記載のデータ処理装置であって、
    前記フレーム構成比導出部は、前記帯域推定部が推定した伝送レート及び映像のフレームレートに基づいて、前記フレーム構成比を導出することを特徴とするデータ処理装置。
  3. 請求項2に記載のデータ処理装置であって、
    前記フレーム構成比導出部は、前記伝送レートに占める前記仮冗長パケットレートの割合が最小となるフレーム構成比を導出することを特徴とするデータ処理装置。
  4. 請求項2に記載のデータ処理装置であって、
    前記映像データ処理部による符号化の結果得られた前記映像の各フレームのデータパケット数と、前記フレーム構成比導出部が導出したフレーム構成比及び前記伝送レートから得られる各フレームのデータパケット数とを比較する比較部を備え、
    前記仮冗長パケットレート算出部は、前記比較部による比較結果に応じて前記フレーム構成比を調整することを特徴とするデータ処理装置。
  5. 請求項1に記載のデータ処理装置であって、
    前記フレーム構成比は、前記映像データが過去に符号化した結果から算出したフレーム構成比の平均値であることを特徴とするデータ処理装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載のデータ処理装置であって、
    前記フレーム構成比導出部は、前記伝送レート及び1パケットのデータサイズに基づいて、前記伝送レートで単位時間に伝送可能なパケット数を算出することを特徴とするデータ処理装置。
  7. 無線ネットワークを介して送信する映像データを処理するデータ処理方法であって、
    前記無線ネットワークの伝送レートを推定する帯域推定ステップと、
    映像を構成するフレーム内符号化を用いたIフレームとフレーム間予測符号化を用いたPフレームの比であるフレーム構成比を導出するフレーム構成比導出ステップと、
    前記帯域推定ステップで推定した伝送レート及び前記フレーム構成比に基づいて仮の冗長パケット数を算出し、前記伝送レート及び前記仮の冗長パケット数から仮冗長パケットレートを算出する仮冗長パケットレート算出ステップと、
    前記伝送レート及び前記仮冗長パケットレートから、前記映像データを符号化する際のエンコードレートを算出するエンコードレート算出ステップと、
    前記エンコードレートで前記映像データを符号化してパケット化する映像データ処理ステップと、
    前記映像データ処理ステップでの処理の結果得られた各フレームに付加する冗長パケット数を算出して、符号化された映像データのデータパケットに対して冗長符号化処理を行うことで得られる冗長パケットを各フレームに付加する冗長符号化処理ステップと、
    を有することを特徴とするデータ処理方法。
  8. 請求項7に記載のデータ処理方法であって、
    前記フレーム構成比導出ステップでは、前記帯域推定ステップで推定した伝送レート及び映像のフレームレートに基づいて、前記フレーム構成比を導出することを特徴とするデータ処理方法。
  9. 請求項8に記載のデータ処理方法であって、
    前記フレーム構成比導出ステップでは、前記伝送レートに占める前記仮冗長パケットレートの割合が最小となるフレーム構成比を導出することを特徴とするデータ処理方法。
  10. 請求項8に記載のデータ処理方法であって、
    前記映像データ処理ステップでの符号化の結果得られた前記映像の各フレームのデータパケット数と、前記フレーム構成比導出ステップで導出したフレーム構成比及び前記伝送レートから得られる各フレームのデータパケット数とを比較する比較ステップを有し、
    前記仮冗長パケットレート算出ステップでは、前記比較ステップでの比較結果に応じて前記フレーム構成比を調整することを特徴とするデータ処理方法。
  11. 請求項7に記載のデータ処理方法であって、
    前記フレーム構成比は、前記映像データが過去に符号化した結果から算出したフレーム構成比の平均値であることを特徴とするデータ処理方法。
  12. 請求項7〜11のいずれか一項に記載のデータ処理方法であって、
    前記フレーム構成比導出ステップでは、前記伝送レート及び1パケットのデータサイズに基づいて、前記伝送レートで単位時間に伝送可能なパケット数を算出することを特徴とするデータ処理方法。
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