成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.44 No.1 (2007) pp.45--48

ユーザ視聴品質劣化を回避するストリーミング配信
パケット転送方式の評価
黒田広樹＊1，畠山 賢一＊1，栗林 伸一＊2

Evaluation of the influence of packet discarding pattern on the perceptual video quality in streaming
media distribution services
Hiroki KURODA＊1, Kenichi HATAKEYAMA＊1 and Shin-ichi KURIBAYASHI＊2,ABSTRACT：When temporary network congestion occurs while movies or TV programs are being
delivered in streaming media distribution over an IP-based network, packets may be discarded, resulting
in the deterioration in perceptual video quality. In a network where resources are shared but cannot bereserved, it is difficult to prevent temporary congestion from occurring, and so packet transfer forstreaming delivery must take occasional occurrences of packets being discarded into consideration.
In this paper, we propose a packet discarding method that minimizes the deterioration in the perceived
video viewing quality in the event of temporary network congestion. Specifically, we assume aUDP-based MPEG2 streaming video, evaluate the relationship between packet discarding patterns andperceptual video quality, and, based on the results of this evaluation, present an optimum packet
discarding method that does not cause deterioration in perceptual video quality.
Keywords：streaming, perceptual video quality, packet loss.
（Received March 5, 2007）
め，一時的なネットワーク輻輳時には送信側の転送レー

１．まえがきトを落としたり，映像レートそのものを落とす，などのＡＤＳＬ，光ファイバ等の高速アクセス網の普及に伴方法が提案されている(5)。また，ユーザ視聴品質劣化をい，映画や音楽番組などをネットワーク経由で視聴する

事前に予測し劣化を回避することを狙った検討も行われストリーミング配信サービスが普及してきている。ている。例えば，文献(6)はＵＤＰベースのＭＰＥＧ２ス

Youtube (1)などユーザが爆発的に急増しているのはそのトリーミング配信を前提にネットワーク側で主観品質典型例である。今後は映像レートの高速化，次世代ネッ（DMOS 値）(8)を推定する方法を評価している。文献(7)

トワーク（ＮＧＮ）やＩＰＴＶの本格導入などが想定さはＴＣＰベースのＭＰＥＧ２ストリーミング配信を前提(2)

れ ，サービス品質の維持がサービス提供上ますます重要になってくると考えられる(3),(4)。に品質劣化予兆を検出し劣化を事前に回避する方法を提案している。しかし，これら方式は制御が効くまでに一インターネットなどＩＰ技術を前提としたネットワ

定時間がかかる，映像レートを落とすこと自体品質劣化

ークでは帯域を複数のユーザで共用しかつサービス要求となる，予測は必ずしもうまくいかない，ことから，一毎に帯域を予約しないことを基本としているため，一時時的に視聴品質の劣化をどうしても避けることができな的な輻輳によりパケット廃棄が発生し，結果としてサーいという課題がある。

ビス品質が劣化してしまう可能性がある。ストリーミン

本論文では，ストリーミング配信におけるパケット廃

グ配信においては，画面チラツキ，コマ飛び，画面停止

棄パターンとユーザ視聴品質の関係を評価することによなどのユーザ視聴品質劣化として影響を与える。このたり，一時的なネットワーク輻輳時にもユーザ視聴品質を極力劣化させないパケット廃棄方法とその実現条件を明*1：成蹊大学工学部物理情報工学科

学生*2：成蹊大学理工学部情報科学科
教授 (Professor, Dept. ofComputer and Information Science, e-mail：kuribayashi@st.
seikei.ac.jp)

らかにする。まず２章では，ＵＤＰベースのＭＰＥＧ２ストリーミング配信を前提に，パケット廃棄パターンと−45−ユーザ視聴品質の関係を評価する。次に３章では，２章

2．2 パケット廃棄パターンと視聴品質評価の評価結果に基づき，ユーザ視聴品質に影響を与えない評価で使用するパケット廃棄パターンを図２に示す。

パケット廃棄方法ならびにその実現条件を明らかにする。

これは，ｍ個連続でパケット廃棄が発生し，その後ｎ個４章はまとめである。なお，本論文で提案する手法はＭ連続で転送する，という繰り返しを示す。ｍ，ｎを振らＥＰＧ２以外の他の映像符号化方式にも適用できるものせることにより，数多くの廃棄パターンを疑似することである。

ができる。ｍ個連続廃棄，ｎ個連続転送をＬ回まで繰り返しても品質劣化せず，かつＬ＋１回繰り返した段階で２．パケット廃棄パターンとユーザ視聴品質の関係始めて品質劣化する場合に，品質劣化しない最大廃棄パ評価ケット数をｍ・Ｌ個として算出する。ＭＰＥＧ２には，Ｉ，Ｂ，Ｐの３種類の画像（Picture）タイプがあるが（６），2．1 評価条件

ここでは図２のパケット開始位置をＩ，Ｂ，Ｐと変化さ

１) ＵＤＰベースのＭＰＥＧ２ストリーミング配信（６せた場合の影響を評価する。さらに，動きの激しい場面Ｍbps）を前提とする。つまり，パケット廃棄が発生しならびに動きが少ない場面を選択し，その影響も評価すた場合パケットは回復されない。

る。

２) 図１に示すように，サーバから送出されたＵＤＰパケットから任意のパケットをフィルタツール（ソフトウエア）で廃棄し，その後クライアント端末で再生してユーザ視聴品質を評価する。なお，フィルタツールは予め設定されたＲＴＰパケット(９）のシーケンス番号に該当するパケットだけを廃棄し，それ以外は通過させるものである。
３) ユーザ視聴品質は本来主観評価（ＤＭＯＳ値）など

図２ 評価に用いるパケット廃棄パターン

正式な評価手法を用いて実施すべきであるが，今回は2．3 評価結果と考察(10)基本的な評価を行うことを目的にしているため，数名の試験者が眼と耳で視聴品質を評価する。今回は，画廃棄開始時点がＩ画像タイプでかつ動きの激しい場面面または音声に１秒以上影響が出た場合（画面であれを前提とした評価結果を図３(1)に示す。
図３は横軸に間ば，チラツキ，コマ飛び，画面停止など）に品質劣化

隔ｎ，縦軸に最大廃棄数（ｍ・Ｌ）をプロットしたものと判断することとする。

である。ｍの値によって最大廃棄数は異なるため，図３は複数のグラフを含む。図３(1)を前提にすると，
例えば，パケットを５０個廃棄しても品質劣化しない廃棄パター
ンは｛ｍ＝９，ｎ＝１｝，｛ｍ＝10，ｎ＝４｝，｛ｍ＝14，ｎ＝４｝，｛ｍ＝14，ｎ＝８｝，｛ｍ＝14，ｎ＝16｝の５つ存在する。廃棄は出来るだけ早く実施することが望ましいため（今後さらに混雑する可能性があるため），{ｍ＝９，ｎ＝１}を最適廃棄パターンとする。図３(2)は廃棄開始時点がＢ画像タイプでかつ動きの激しい場面を前提とした評価結果，図３(3)は廃棄開始時点がＰ画像タイプでかつ動きの激しい場面を前提とした評価結果，をそれぞれ示す。なお，廃棄開始時点に関係なく，動きの少な

図１ 評価システムの概要

い場面を前提とした場合は動きの激しい場面を前提とした場合に比べ廃棄条件が緩やかになったため，本章では動きの激しい場面を前提とした評価結果のみを示す。

−46−

３. ユーザ視聴品質に影響を与えないパケット廃棄方法
２章で述べた評価結果（図３（1）〜(3)）をもとに，最適廃棄パターンをまとめたものを表１に示す。この表を用いることにより，(1) 例えば，50 個程度パケット廃棄が必要な一時的なネットワーク輻輳が発生した場合には，廃棄開始時点がＩ画像タイプであれば｛ｍ＝９，ｎ＝１｝，廃棄開始時点がＢ画像タイプであれば｛ｍ＝11，ｎ＝１｝，に従ってパケット廃棄を行うことにより品質劣化を回避できることがわかる。
(2) また，表１では廃棄できるパケット数の上限は６０個程度であるが，これは２秒間に転送されるパケット総数の４％程度である。つまり，これ以上のパケット廃棄が必要な輻輳が発生した場合には品質劣化を回避することはできない。
なお，今回は，ＵＤＰベースで６Ｍbps のＭＰＥＧ２ストリーミングを前提とした評価を行った。符号化速度が６Ｍbps 以外の場合，あるいは符号化装置が異なるメーカの場合，など条件が変われば表１に示した数値そのものは変化すると考えられる。しかし，今回提案した最適廃棄パターンの求め方はそのまま適用可能と考えられる。
表１ パケット廃棄数と最適な廃棄パターン
パケット
廃棄数ｋ
1〜9

廃棄開始地点（ＩまたはＢまたはＰ）｛
ｍ=ｋ，ｎ=0｝

10〜15

廃棄開始地点（Ｉ）｛
ｍ=ｋ，ｎ=0｝

16〜20

廃棄開始地点（Ｉ）の時 {ｍ=9，ｎ=1｝
または廃棄開始地点（Ｂ）の時 ｛
ｍ=11，n=1｝
または廃棄開始地点（Ｐ）の時 ｛ｍ=4，n=1｝

21〜54

廃棄開始地点（Ｉ）の時 ｛ｍ=9，ｎ=1｝
または廃棄開始地点（Ｂ）の時 ｛
ｍ=11，n=1｝

55

廃棄開始地点（Ｉ）の時 ｛
ｍ=14，n=4｝
または廃棄開始地点（Ｂ）の時 ｛
ｍ=11，n=1｝

56

廃棄開始地点（Ｉ）の時 ｛
ｍ=14，n=4｝
または廃棄開始地点（Ｂ）の時 ｛
ｍ=15，n=2｝

図３ パケット廃棄パターン（ｍ，n）による最大廃棄パケット数の評価結果

57〜60

−47−

最適廃棄パターン

廃棄開始地点（Ｂ） ｛ｍ=15，n=2｝

(4) Y. Nagafuchi, K. Yanagimoto, N. Takagi and４．むすび

S. Kuribayashi, Perceptual video quality management
system for streaming media distribution

本論文は，ＵＤＰベースのＭＰＥＧ２ストリーミング

APCC2003 (2003)

配信を前提に，パケット廃棄パターンとユーザ視聴品質(5) C.Huang, L.Xu,の関係を評価し，その評価結果に基づきユーザ視聴品質

SRC: Stable Rate Control for

Streaming Media GLOBECOM2003.

を劣化させない最適なパケット廃棄方法とその実現条件を明らかにした。これにより，全転送パケット数の数％(6) S.Hazama, M.Watanabe, K.Yanagimoto,and Y.

程度以下のパケット廃棄が必要な一時的なネットワーク

Katayama, A Method for perceptual video quality

輻輳であれば，パケット廃棄の仕方により品質劣化を回

measurement of MPEG-2 stream using UDP

避することが可能となる。なお，今回の評価は符号化速

layer information , B-11-5 2005 IEICE society

度６Ｍbps，特定メーカの符号化を前提に評価を実施した

conference (Japanese)(7) S.Kuribayashi and M.Tanabe,

ため，これら条件が変われば最適な廃棄パターンの数値

theperceptual

Method ofも変化すると考えられるが，今回提案した最適廃棄パタ

preventing

videoquality

ーンの求め方ならびにその傾向は他にも流用可能である。

deterioration in streaming media distribution

今後，主観評価を用いた評価を進める予定である。

services based on the detection of deterioration
sign , J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ. Vol.42, No.2
(2005) pp.7-17. (Japanese)＜参考文献＞(8)(1) http://www.youtube.com/(2) M. Montpetit and S. Ganesan,tutorial T03

ITU-R

Rec.500-10,

Methodology

forthesubjective assessment of the quality of television2007 CCNCIPTV architecture and deployment

pictures , Mar.2000.
,(9) RFC3550 RTP:A transport protocol for real-time

2007.1(3) Zamora, J., Jacobs, S., Eleftheriadis,applications
A., Chang,

RFC2250

RTP payload format for

MPEG1/MPEG2 video

S.F. and Anastassiou, D, A Practical methodology(10) 黒田， ストリーミング配信におけるパケット廃棄

for guaranteeing quality of service for video-on-

パターンとユーザ視聴品質の関連評価 成蹊大学工demand , IEEE Trans. Circuit and Systems for

学部卒業論文(2007.1)

Video Technology. Vol.10, No.1, pp.167-178 (2000)−48−