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主 要 研 究 方 向

  • 資訊網路
  • 分散式多媒體系統
  • 虛擬實境
  • 無線視訊錯誤控制機制
  • 車用無線網路行動串流調適機制

實 驗 室 介 紹

 

隨著多媒體與網路傳輸技術在過去十年內蓬勃地發展,許多先進的網路多媒體應用系統也應運而生,如:隨選視訊、遠距教學、遠端醫療,數位圖書館、網路購物等,而在這些應用系統中,視訊媒體 (video)的呈現是不可或缺的要項,然而由於視訊媒體有別於一般傳統的靜態資料(如:文字、影像、圖片等),它會產生龐大的資料量,壓縮後又出現劇烈的流量變動,播放時必須保持資料的連續性,因此如何針對這些特性,設計特殊的「視訊串流調適」與「視訊錯誤控制」機制,以應付視訊媒體的需求,就成了最重要的關鍵技術之一。本實驗室在過去之研究主要環繞在此主軸下進行,而有關的研究成果說明

(一) 視訊流量控制:


在大多數過去的相關研究中,皆將網路傳輸獨立討論;然而在隨選視訊的應用中,資料在視訊伺服器、網路、與用戶端等三個子系統中常以不同的資料型態被處理(如:data block、packet、video frame),而在整個資料的遞送過程中,這些因素影響了子系統彼此之間資料正常供給,所以應被整體考慮,才能有效發揮整體資源使用效率,因此我們在期刊論文[1]中,提出了一套分析模式,來分析此三個子系統之間的資料供給關係,透過這個分析模式,設計了一套流量控制機制,此機制主要述諸於對視訊畫面資料量大小與視訊伺服器特性的前置分析,透過兩階段的資源預留分析:端點暫存區預留(peer-buffer reservation)與網路頻寬預留(network- bandwidth reservation),推導出端點主機所需要的最小暫存區空間與網路所消耗的固定頻寬,使得在實際資料傳輸中,暫存區資料滿溢或不足的現象得以避免。我們也將這個流量控制機制,整合前述的視訊伺服器,實踐在一套稱之為「網路影音俱樂部Network Audio/Video Online Club (Neon Club)」的VOD 系統中,實際驗證了它的可行性。


(二) DiffServ-QoS 群播:


RSVP 的per-flow QoS 控制所帶來的網路複雜化一直是大家所詬病的焦點,而差異化服務(DiffServ)的概念,就是針對這個問題,希望將控制簡化為per-class QoS,以便提供一個可擴充的網路環境;然而IP multicast 的路由設計是以判讀整個IP 為主,在先天上就存在著擴充性欠佳的缺點,因此如果想在multicast 中提供DiffServ QoS 就會出現理念互相矛盾的窘境,為了解決這個問題,我們在研討會論文[3][7][8]中提出 Harmonic DiffServ 的創新觀念,原則上我們將群播樹集結在幾個有限的群播通道上來傳送資料,如此限制了路由表的成長,同時為了區別在同一群播通道內不同QoS class,我們將一小部份的DSCP 預留作為判別資料的QoS class 之用,路由器依照此值來控制資料輸出排程,我們證明如果妥善安排群播通道和DSCPs,路由器中的繞送資訊可有效率的被分享利用,進而顯著的改善系統的擴充性。有關此研究的完整期刊論文業[3]已發表於Computer Communications。


(三) 無線行動視訊傳送:


隨著無線網路連線(如: IEEE 802.11, UMTS, and CDMA2000)與手持式行動設備的技術不
斷提升,行動使用者藉由無線網路連上Internet 收取視訊資訊已日漸普及,然而目前Internet 的網路服務仍以best effort 為主,因此傳送品質與頻寬皆不甚穩定,以致於視訊接收品質仍十分不理想。針對這個問題,以前的研究中所常採用的補救方案就是設置視訊代理伺服器(video proxy),提供區域用戶們一個對外擷取資料的共同窗口,proxy 會暫存部分的資料,藉以提供用戶們彼此共享資料,如此可有效降低Internet 上重複的資料傳輸、阻隔Internet 網路服務品質不穩定的問題、並提升回應速度。然而這些方法最大的缺點在於,用戶端必須配合相當大的暫存區才能發揮資訊共享的效果,而這樣的資源在目前手持式行動設備中是稀有且昂貴的。因此特別針對這樣的環境,我們在研討會論文[10]中,提出一套創新的proxy caching 策略—「suffix-window caching」,基本原理就是在proxy 中暫存兩種影片片段:開頭片段(prefix)與最近播放過之片段(suffix window)。利用這兩種片段,我們可以藉由提高LAN 的頻寬使用,有效的提升proxy 中資料共享的效率,更重要的是能更有彈性地包容具有不同暫存區大小的用戶,此篇論文也被評選為TANET2003 最佳論文獎,隨後轉載於Journal of Internet Technology (期刊論文[2])。以此caching 架構為基礎,我們進一步在研討會論文[11]中,將這個概念延伸至多部影片同時存在的情況,提出一套調適性的suffix window 配置演算法,藉以獲致最大的經濟效益。接著我們在研討會論文[15]中,進一步討論當有多個proxy 同時存在的情況,運用影片串連(segment chaining)的概念,將proxy 資源有效地整合起來,發揮更大的資料共享效果。在行動環境中接收視訊,另一個重要的議題就是「視訊換手」,也就是用戶會隨著自身的移動,變更他的無線網路擷取點(AP)接收視訊,然而由於換手時信號往往會有短暫中斷,且不同AP 之間視訊接收可能出現不同步的現象,因此容易造成視訊的中斷。因此我們在研討會論文[4][13]中,將這個問題用一套數學模型來表達,透過對此模型的分析,提出了一套預熱式熱區流量控制(proactive hot-zone flow control)機制,此機制可有效將視訊中斷的機率降至最低。同時有關此研究的完整論文業已發表於IEEE Transactions on Wireless Communications (期刊論文[4])。此外敝人在無基礎無線網路架構(MANET)與地理位置導向資訊系統也略有涉略,其中探討了adaptive QoS、broadcast storm、Grid與collaborative caching 等議題,相關內容由於篇幅關係不在此詳述,請參考研討會論文[9][12][14]。


(四 ) 串流代理伺服器系統開發:


由於目前WAN 的頻寬有限、傳輸延遲過長,且多為best-effort 服務,因此在下載連續媒體(continuous media/CM)(如:影音)時,往往必須忍受冗長的啟始等待與不穩定的串流品質。為了改善此一問題,我們執行國科會自由軟體計畫,依據先前提出suffix-window caching 演算法,開發完成一套支援Internet video streaming 的streaming proxy server 平台[16][17],來降低用戶端暫存區消耗量與提升網路頻寬的使用效率。具體而言本平台有以下特色:(1) 後端server 以web server 為平台,server 與streaming proxy 之間通訊協定遵照Http1.1 標準開發,因此我們提出了Adaptive TCP-Trunking Flow Control Scheme與現有web 環境完全相容[6];(2) 為了方便實踐各種
segment-based caching 演算法,proxy 架構上採用通用式(generic)物件模組設計,並加以參數化;(3) 由於WAN 與LAN 的網路特性不同,因此在流量控制上特別採用LAN-stream/WAN-segment 的混合模式,來確保播放品質的穩定性[18];此計畫同時榮獲95、96兩年「國科會自由軟體計畫績優團隊」殊榮,並獲得「教育部97年全國校園軟體設計創意競賽 電腦系統類 佳作」與「教育部96年全國校園軟體設計創意競賽 電腦系統類 第二名」,目前此系統已上傳至open source software foundry以供下載(下載網址 http://140.127.22.90/u-project/project/ )。


(五) 無線視訊錯誤控制機制:


行動網路將與Internet緊密結合,形成一個無縫銜接的all-IP網路環境,在此環境下使用手持式行動設備擷取動態影片將是主要的殺手應用服務之一,然而欲達成此目標之前尚有許多有關視訊傳輸的技術必須克服,其中最棘手的議題之一為「訊號干擾」(如:path-loss, shadow fading, multi-path and Doppler fading等效應),因此嚴重影響傳輸品質,針對這個問題我們提出了「Staggered Channel Cluster」 、「Replicate Multiple Descriptor」等機制,來提升錯誤修復能力,相關內容由於篇幅關係不在此詳述,請參考研討會論文[5][19][20][21][22]。


(六) 車用無線網路行動串流調適機制:


隨著行動通訊網路的普及與蓬勃發展,在行車環境下使用手持式行動設備擷取串流影片已經是非常普遍的應用服務之一。但是行動網路品質容易異動,因此如何依實際網路狀況與系統資源提供一個具有「調適性(adaptive)」的串流傳輸服務,以提供相對穩定、不中斷的視訊接收,來滿足最接近使用者所訂閱的品質服務,就成為一項非常重要的課題。因此我們提出了「Frame Trimming」、「Gap-based ARQ」等機制,來針對網路情況做micro-adaptation和macro-adaptation的調適。Micro-adaptation主要是依據近期的網路或系統狀況的觀察,處理暫時性的調整;而macro-adaptation主要是依據較長期的系統硬體資源與網路傳輸狀況觀察後,做出常態的調整。相關內容由於篇幅關係不在此詳述,請參考研討會論文[23]。

(七) 國科會計畫:

【98/8-100/7】國科會國家型科技計畫—為車用多媒體通訊而設計之調適性行動視訊串流技術之設計與實作 (I&II):
主要是針對 home (roadside)-to-vehicle 的行動網路環境,為行動中的車輛接收視訊串流設計一套高效率視訊串流調適機制(streaming adaptation),使行動用戶端(mobile host/ MH)隨著網路環境的變動或是可用的 MH 硬體資源,隨時依據 frame type 的重要性調整視訊的傳送與播放,希望藉由此機制系統各部分能儘速達到穩定且最佳的效能平衡,避免bottleneck 的產生,使視訊品質調適的過程能即時且順暢。我們將遵照 light-weight CMMI 的規範,以開放嵌入式系統(例如 embedded Linux 或 Android)為開發平台,且提供以 UDP 為基礎之 H.264調適性串流傳輸服務,以支援上層應用系統的行動視訊傳輸需求,在設計上我們希望能達到以下目標:調適策略應針對各種環境狀況的變異來設計(例如:封包遺失率、收端 CPU 處理速度、電力、記憶體等資源、影片格式、網路可用頻寬、使用者 QoS、行動模式等),藉此避免殘影、停格現象,以達到 graceful adaptation 與省電的目標。最後測試各種嵌入式平台(例如:手機、PDA、Multi-coreembedded board 或軟、硬體視訊解壓縮)與各種行動網路(如 UMTS (2.5G、3G、3.5G)或 WiMAX)的組合環境,驗證設計本身的正確性與可行性,計畫為期二年(98~99 年)進行。第一年的重點放在 micro-adaptation 的相關設計與驗證;而第二年的重點放在macro-adaptation 的相關設計與驗證,以下針對各年內容與成果做一簡述。   

為 車 用 多 媒 體 通 訊 而 設 計 之 調 適 性 行 動 視 訊 串 流 技 術 之 設 計 與 實 作 (I) (NCS98-2220-E-020-003):主要達成Micro-adaptation的功能,依據即時的MH資源或是串流接收的狀況,packet-based的角度調整串流不同frame type封包的傳送,完成了:

  • Adaptive mobile video streaming adaptor(AMVSA)端:
  • 設計與開發 System status monitor:Power、SNR、Buffer。
  • 設計與開發 Frame trimmer 機制。
  • 修改 H.264 decoder 以符合本系統需求。
  • Adaptive mobile video streaming gateway (AMVSG)端:
  • 設計與開發 H.264 video parser。
  • 設計與開發 packet-based rate adaptation 機制。
  • 研討會論文(國外1篇、國內1 篇)
  • Sheau-Ru Tong and Yuan-Tse Yu, “An Adaptive Suffix-Window Caching Scheme for CM Proxy Server,” International Conference on Network-Based Information Systems,Takayama, Gifu, Japan, Sep. 2010. (NSC 98-2220-E-020-003)
  • 童曉儒, 余遠澤, 林祐沁, 陳志明“行動網路中調適性行動視訊串流機制之設計與實作”, CREDIT 數位生活科技研討會2009, 台南成大, May. 2009. (NCS 98-2220-E-020-003)
  • 專利:1 篇
  • 童曉儒、余遠澤、林祐沁。2010。異質網路傳輸之流量控制方法。(99)五高專字第999號。(NSC98-2220-E-020-003)(審查中)

為車用多媒體通訊而設計之調適性行動視訊串流技術之設計與實作 (II) (NCS99-2220-E-020-002): 主要達成Macro-adaptation的功能,依據一段時間內所測得的有效頻寬,以frame-based的角度改變影片傳送的frame rate,目前已完成:

  • Adaptive mobile video streaming adaptor(AMVSA)端:
    • 設計與開發 System status monitor:RTT、Effective Throughput、Buffer。
    • 設計與開發 Gap-based ARQ。
  • Adaptive mobile video streaming gateway (AMVSG)端:
    •   設計與開發 Packet Transmit Rate。
    •   設計與開發 Frame-based rate adaptation 機制。
    •   與後端 home video server(proxy)整合測試。
  • 期刊論文(SCI 1 篇)
    • Yuan-Tse Yu and Sheau-Ru Tong, “Adaptive Transmission Control Protocol-trunking flow control mechanism for supporting proxy-assisted video on demand system,” International Journal of Communication Systems, Vol. 24 Issue 12, 2011. (NSC 99-2220-E-020-002)
  • 研討會論文(國外1 篇)
    • Sheau-Ru Tong, Yuan-Tse Yu, and Che-Min Chen, “Application-Layer Error Resilience for Wireless IP-based Video Broadcasting,” Proceedings of The 2011 IEEE International Conference on Multimedia and Expo, pp. 1-6, Barcelona, Spain, 11-15 July, 2011. (NCS 99-2220-E-020-002)
  • 專利:2 篇
    • 童曉儒、陳志明、陳煥文。2011。為加速H.264/SVC解碼而設計之網路封包過濾機制。 (NSC99-2220-E-020-002)(送審中)
    • 童曉儒、許益晨、吳政霖。2011。同儕網路之調適視訊傳送機制。(NSC 99-2220-E-020-002-)(送審中)

綜合了這兩年的研究成果,有4 名碩士班學生畢業。同時以提出的理論為基礎,實做出多項應用系統,參與全國競賽發表如下:

  • 執行98 年度國科會自由軟體研發專案,計畫題目:為車用多媒體通訊而設計之調適性行動視訊串流技術之設計與實作,榮獲98年度自由軟體研發專案計畫績優團隊獎。
  • 參加教育部98 年全國大學校院嵌入式系統設計競賽 ,以題目:行動網路中調適性行動串流機制之設計與實作 ,榮獲自由軟體組 佳作。

【101/8-104/7】國科會自由軟體研發專案計畫—車載網路下輔助雲端運算之行動P2P串流傳輸機制之設計與實作(I-III):
主要採用P2P的設計概念,針對使用者的點播行為設計系統,來提升車輛之間影片的分享,並輔助雲端影音服務的提供。整個計劃架構共分成: 「P2P串流傳輸」與「隨選新聞廣播服務系統(News Broadcast on Demand (NBOD)) 」兩部分。關於P2P串流傳輸部分,主要探討在行動車載網路環境中,因為無線訊號的干擾,網路節點更動頻繁,容易造成產生叢集錯誤等問題,改善P2P串流傳輸效能, 101 年完 成 執 行 Cloud-to-Vehicle(C2V) 的 研 發 設 計 , 102 年完 成 執 行Vehicle-to-Vehicle(V2V)的研 發 設 計。今年(103年)正在執行隨選新聞廣播服務系統部分,我們主要一方面考慮到使用的便利性與安全性,提供多樣性的主題式輪播服務;另一方面希望能提升影片分享效率,故將設計一套可動態調整server端影片排程與peer端緩衝範圍之機制,來提供新聞廣播服務,以達到資料分享最佳化與播放彈性化的目的。以下針對I與II年內容與成果做一簡述。

車載網路下輔助雲端運算之行動P2P串流傳輸機制之設計與實作(I )」(NSC 101-2221-E-020-026):
Cloud-to-Vehicle(C2V)主要是探討雲端伺服器與車輛之間的串流傳輸議題,我們將利用雲端的強大運算能力,先進行影片資料的Unequal Error Protection/ forward error correction (UEP/FEC)編碼,然後將資料封裝成descriptor packets,分送給使用者,我們了設計一套適用此環境的UEP/FEC編碼方法,來克服資料容易遺失的問題,並提供穩定的品質影片。完成了:

  • 完整的系統架構規劃
  • 系統模組功能與界面定義。
  • 設計並開發完成Error Recover Mechanism (ER)
  • 設計並開發完成Buffer Map Control Mechanism (BMC)
  • 設計並開發完成Cache Management Control Mechanism (CMC)
  • 系統測試報告
  • 串流調適: 等量錯誤保護的FEC交錯( EEP/FEC Interleaving)策略
  • 串流調適: 非等量錯誤保護的FEC交錯( UEP/FEC Interleaving)策略
  • 多重來源串流下載(multisource streaming)策略
  • 期刊論文(SCI 1 篇)
  • Sheau-Ru Tong and Yuan-Tse Yu “Adaptation of Near-Perfect Packet-Level FEC Interleaving in Mobile Media Streaming,” The Computer Journal 2013, Volume 56 Issue 12 December 2013。(SCI) (NSC 101-2221-E-020-026)
  • 研討會論文(國外2 篇、國內3 篇)
  • Sheau-Ru Tong, Cheng-Lin Wu, Pilaiwan Phupattanasin, and Szu-Hung Lin, “Multisource FEC Interleaving for Mobile P2P Streaming”, 2013 IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME 2013), San Jose, California, USA, July 15 to 19, 2013。(NSC 101-2221-E-020-026)
  • Sheau-Ru Tong, Huan-Wen Chen and Cheng-Han Yang, “Profile-based Scalable Video Adaptation Employing MD-FEC Interleaving over Loss-Burst Channels,” The 38th Annual International Computers, Software & Applications Conference (COMPSAC 2014), July 2014, Sweden. (NSC 101-2221-E-020-026)
  • 童曉儒, 張益瑞, 吳政霖, 陳煥文“在無線網路下應用於媒體串流之FEC交錯策略研究”, 2011年全國計算機會議, 國立嘉義大學, December 2011。(NSC 101-2221-E-020-026)
  • 童曉儒, 陳志明,“為H.264/SVC傳輸而設計之編碼相依性導向優先化策略”, 2011年全國計算機會議, 國立嘉義大學, December 2011。(NSC 101-2221-E-020-026)
  • 專利:2 篇
  • 童曉儒、陳煥文、林坤成。2011。為行動多媒體串流而設計之UEP-FEC交錯調適策略。 (NSC101-2221-E-020-026)(送審中)
  • 童曉儒、吳政霖、林思宏。2011。在行動P2P網路下應用於媒體串流之FEC交錯策略。 (NSC101-2221-E-020-026)(送審中)

   綜合了這一年的研究成果,已有2名碩士班學生畢業,5名大學部學生參與計畫。同時以提出的理論為基礎,實做出多項
應用系統,參與全國競賽發表如下:

  • 執行100 年度國科會自由軟體研發專案,計畫題目:「車載網路下輔助雲端運算之行動P2P串流傳輸機制之設計與實作(I),榮獲100年度自由軟體研發專案計畫績優團隊獎
  • 參加100學年度大學校院網路通訊軟體與創意應用競賽,以題目:不等量錯誤保護行動視訊串流技術之實作,榮獲系統設計組 值得注目獎
  • 參加2012第十七屆全國大專院校資訊應用服務創新競賽,以題目:智慧雲綠能植物工廠生態環監系統,榮獲資訊技術應用組 第三名及雲端x生活創新應用組 第二名
  • 參加101大專校院網路通訊軟體與創意應用競賽,以題目:結合雲端運算之行動P2P-VOD影音串流系統,榮獲雲端軟體組入選複賽

車載網路下輔助雲端運算之行動P2P串流傳輸機制之設計與實作(II)」(NSC 102-2221-E-020-003-):Vehicle-to-Vehicle(V2V)主要接續探討如何有效達成車輛之間的串流分享,我們藉用Peer-to-peer (P2P) 的傳輸概念,建構一個private cloud,使peer之間進行封包的分享(sharing),以減少從雲端伺服器下載量。設計多來源影音下載的傳輸協定與快取管理機制,以克服資料容易遺失、網路頻寬與行動設備資源有限等問題,並達到資料分享最佳化與影片品質的調適性。完成了:

  • 設計並完成Multiple stop-and-wait protocol (MSW)
  • 設計並完成Statistic Download(SD)
  • 設計並完成Blockless-interleaving Scheduling(BI)
  • 與Cloud-to-Vehicle傳輸機制結合,完成二階式的傳輸架構
  • 系統測試報告。
  • 研討會論文(國內2 篇)
  • 童曉儒, 許益晨,“為無線P2P-UEP串流而設計之傳輸與快取策略”, 2011年全國計算機會議, 國立嘉義大學, December 2011。(NSC102-2218-E-020-003-) (最佳論文獎)
  • 童曉儒, 林思宏,“應用於行動P2P串流網路之統計式多來源資料下載策略”, 2013臺灣網際網路研討會(TANET), 國立中興大學, October 2013。 (NSC NSC102-2218-E-020-003-)
  • 專利:1篇
  • 應用於行動P2P串流網路之統計式多來源資料下載策略(NSC 102-2218-E-020-003)-審查中。

   綜合了這一年的研究成果,有1名碩士班學生畢業,2名大學部學生參與計畫。同時以提出的理論為基礎,實做出多項應用系統,參與全國競賽發表如下:

  • 教育部通訊科技人才培育計畫-數位匯流中心,2013數位匯流專題競賽與觀摩: SV-SPIDER (Scalable Video Streaming service ProvIDER- a P2P-based approach) (一種以同儕網路為基礎之調適性影音串流服務)-聯網電視應用組特優獎
  • 2013電信創新應用大賽: 行動即時影音新聞台系統-雲端軟體組入選複賽
  • 2013台北國際發明技術交易展參展:行動即時影音新聞台系統。

(八) 教育部計畫:

 

【100/8/01~102/7/31] 】教育部顧問室『網路通訊科技人才培育先導型計畫』-數位匯流教學推動聯盟中心『匯流串流技術基礎暨實務』教材製作:主持人將數年來在多媒體串流方面的研究心得與教學經驗編纂成冊,在教育部100學年度網路通訊人才培育先導型計畫-數位匯流「視訊串流技術與實務」教材編撰中獲選為佳作,以及教育部101學年度網路通訊人才培育先導型計畫-數位匯流「視訊串流技術與實務」中榮獲優良教材獎-特優。在這些既有的理論與實務基礎上,相信本計畫之執行定可獲致相當豐碩的成果,同時將研究成果落實於ICT產業之中。

  • 教育部100學年度網路通訊人才培育先導型計畫-數位匯流「視訊串流技術與實務」教材編撰獲選為佳作。
  • 教育部101學年度網路通訊人才培育先導型計畫-數位匯流「視訊串流技術與實務」榮獲優良教材獎特優。
  • 2013數位匯流專題競賽與觀摩:SV-SPIDER-聯網電視應用組特優。

(九)產學合作計畫:

【103/7/1~103/12/31】支援行動網路影音廣播之混合雲架構­­­- 先導測試合作計畫:
合作廠商:愛爾達科技股份有限公司
目的: 以Mobile Peer-to-Peer (MPPS)雛型系統為基礎,提出一種混合雲(hybrid cloud) 的整合方案,希望能解決cloud server效能瓶頸與行動網路穩定性不足的問題,以滿足提供大量行動用戶穩定的Internet影音廣播服務的需求。執行項目: 混合雲影音廣播實驗平台之建置與系統壓力測試、效能評估報告與可行性分析、技術交流。
執行時間: 2014/7/1-2014/12/31,為期6個月。
總經費: 250,000元。

  • 2014雲端創新競賽- NewsRacker新聞史瑞克-以自主式新聞廣播服務為例之行動影音廣播雲服務,進入『雲端創新應用組』複賽。

(十)自由軟體:

軟體鑄造廠http://www.openfoundry.org/

開放原始碼

1

元件名稱:cloudp2pstream
下載次數: 18
計畫年度:101
計畫名稱:車載網路下輔助雲端運算之行動P2P串流傳輸機制之設計與實作( NSC 101-2221-E-020-026)

2

元件名稱:cloudp2pstream
下載次數: 89
計畫年度:102
計畫名稱:車載網路下輔助雲端運算之行動P2P串流傳輸機制之設計與實作( NSC 102-2218-E-020-003-)

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