Distributing Layered Encoded Video through Caches
如何解决计算机视觉任务中的噪声和模糊问题
如何解决计算机视觉任务中的噪声和模糊问题在计算机视觉任务中,噪声和模糊是常见的问题,会影响图像的质量和准确性。
因此,解决计算机视觉任务中的噪声和模糊问题是非常重要的。
本文将介绍一些常用的方法和技术,帮助解决这些问题。
首先,我们来讨论噪声问题。
噪声可以由多种因素引起,例如图像采集过程中的传感器噪声、压缩算法引起的压缩噪声等等。
以下是一些处理噪声的常用方法。
首先,滤波是一种有效的方法来减少噪声。
常见的滤波器包括均值滤波器、中值滤波器和高斯滤波器。
均值滤波器采用像素周围邻域的平均值来替代原始像素值,中值滤波器则采用邻域像素值的中值来进行替代,高斯滤波器则采用邻域像素值的加权平均值进行替代。
通过选择合适的滤波器和参数,可以有效地降低噪声。
其次,图像增强技术可以帮助改善受噪声影响的图像。
例如,直方图均衡化可以通过重新分配像素的灰度级分布来增强图像的对比度。
这种方法在背景噪声较小的情况下效果较好,但在存在强噪声的情况下可能会引入一些不良效果。
另外,小波变换也是一种广泛应用的降噪技术。
小波变换可以将信号分解成多个不同的频率分量,可以对每个频率分量进行独立处理。
通过去除高频分量中的噪声,再将处理后的频率分量进行逆变换,可以降低噪声并保持图像的细节。
接下来,我们来讨论模糊问题。
图像模糊通常是由于摄像机移动、物体运动或者镜头失焦等因素造成的。
以下是一些处理模糊问题的技术。
首先,运动模糊是在图像捕捉过程中由相机或物体的移动引起的,可以通过运动去模糊技术进行补偿。
运动去模糊技术有多种方法,如逆滤波、盲去卷积等。
逆滤波是通过估计运动模糊核并进行逆滤波来还原清晰图像。
而盲去卷积是在不知道运动模糊核的情况下,通过估计模糊核和原始图像来还原清晰图像。
其次,失焦模糊是由于摄像机未能聚焦到正确的焦平面引起的。
为了解决这个问题,可以使用图像聚焦技术。
其中一种方法是在频域中计算图像的傅里叶变换,通过在频域中选择高频分量进行滤波,然后进行反变换,可以提高图像的清晰度。
如何应对计算机视觉中的图像失真与噪声问题
如何应对计算机视觉中的图像失真与噪声问题图像失真和噪声是计算机视觉领域中经常遇到的问题。
图像失真是指在图像的采集、传输、存储或显示过程中所引入的数据错误,导致图像质量的降低。
噪声是指图像中无关信息或干扰信号的存在,使得图像变得模糊或者包含不必要的细节。
在计算机视觉中,图像失真和噪声会对图像处理、分析和识别等任务造成不良影响。
因此,我们需要采取措施来应对这些问题,以提高图像质量和准确度。
下面将介绍一些常见的方法,可以帮助我们应对计算机视觉中的图像失真和噪声问题:1. 图像增强算法图像增强算法旨在改善图像的质量,减少图像失真和噪声对视觉任务的干扰。
其中,常用的方法包括:- 空域滤波:通过使用滤波器,对图像进行平滑、增强边缘或者去除噪声,常见的滤波器包括均值滤波、中值滤波和高斯滤波等。
- 频域滤波:通过将图像转换到频域进行处理,可以利用频域滤波器进行噪声抑制、细节增强等操作。
常见的频域滤波器有快速傅里叶变换(FFT)和小波变换等。
- 程序增强:通过调整图像的对比度、亮度和色彩平衡等参数,可以改善图像的视觉效果,减少失真和噪声的影响。
2. 噪声抑制算法针对图像中存在的噪声问题,可以采用以下方法进行抑制:- 统计滤波:通过对图像中的像素进行统计分析,利用概率模型估计噪声分布,并基于估计结果进行滤波处理。
- 自适应滤波:通过自适应调整滤波器的参数,根据图像的内容和复杂度来选择合适的滤波算法进行噪声抑制。
- 图像降噪神经网络:利用深度学习技术,训练神经网络模型来学习图像噪声的特征,进而实现图像降噪。
3. 图像恢复算法当图像受到严重失真或损坏时,我们需要恢复图像的信息和内容。
常见的图像恢复算法包括:- 图像插值:通过对图像采样点周围的像素值进行插值计算,恢复丢失的像素信息。
- 图像复原:通过数学模型和算法,对受损图像进行修复,恢复图像的细节和结构。
- 图像补全:通过在图像中缺失区域中利用周围的信息进行填充,还原图像的完整性。
基于深度学习的视频图像降噪技术研究
基于深度学习的视频图像降噪技术研究一、引言在当今数字化时代,图像处理技术已经发展到了一个前所未有的高度。
在实际应用中,可能会遇到一些因为环境噪声、设备失真、传输中的干扰等问题导致的图像质量下降的情况。
因此,如何有效地去除这些噪声对于图像处理来说就显得尤为重要。
视频图像作为其中一种,也面临着同样的问题。
本文旨在探讨基于深度学习的视频图像降噪技术。
二、方法与模型在图像降噪的领域中,基于深度学习的方法已经成为了一种主流技术。
与传统的方法相比,基于深度学习的方法往往可以更加准确地去除噪声,并且在处理速度上也有着显著的提升。
以视频图像降噪为例,一种基于深度学习的常见方法是使用卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)来对视频帧进行降噪处理。
这种方法的一大优点在于它可以同时处理多个帧,并基于它们之间的关系来去除噪声,从而获得更好的处理结果。
具体而言,这种方法一般分为两步。
首先,利用CNN对每帧图像进行单独的降噪处理。
然后,将所有已处理过的帧按照其时间顺序进行整合,最终得到一张清晰的视频图像。
除此之外,还有另外一种基于深度学习的方法,即使用循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)对视频图像进行处理。
这种方法一般只考虑相邻帧之间的关系,而不是同时考虑多个帧。
在某些情况下,这种方法可以得到更好的结果。
但与此同时,由于RNN一般比CNN更加复杂,因此处理速度会更加缓慢。
三、实验与结果针对基于深度学习的视频图像降噪技术,已经开展了大量的实验研究。
其中,比较典型的一组研究成果是2017年发表的一篇文章《Deep Video Deblurring for Hand-held Cameras》。
在这个研究中,研究者们使用了一种改进的CNN模型,将其应用于手持摄像机拍摄的视频图像降噪。
具体而言,他们使用了一种名为“去模糊流程”的预处理技术,将原始图像分成多个子块,并对每个子块进行预处理。
2024 机器视觉帧率与模糊
2024 机器视觉帧率与模糊2024年,机器视觉帧率与模糊近年来,机器视觉技术在各个领域得到广泛应用,例如自动驾驶、工业自动化、医疗诊断等。
在机器视觉中,帧率是一个非常重要的性能指标,它决定了系统对图像的处理速度。
而模糊则是一个常见的图像质量问题,它会影响机器视觉系统对图像的识别和分析。
帧率即每秒显示的图像帧数,通常用单位“帧/秒”(fps)来表示。
提高机器视觉的帧率,可以增加系统对实时场景的响应能力,从而提高其应用的效率和准确性。
然而,要在保持高帧率的同时保证图像质量并不容易。
因为图像质量是在有限的时间内捕捉、处理和显示的,高帧率可能会导致图像模糊或丢失细节。
因此,机器视觉系统需要在保持较高帧率的前提下减少图像模糊。
有几种方法可以实现这一目标。
首先,可以通过优化图像采集设备的物理参数来减少图像模糊,例如调整曝光时间、增加光源亮度等。
其次,可以使用图像处理算法来提高图像的清晰度,例如锐化算法、去噪算法等。
此外,对于一些特殊的应用场景,还可以使用高帧率相机或者多相机系统来实现高质量的图像采集。
需要注意的是,在使用高帧率的同时,机器视觉系统还需要考虑实际应用场景对帧率的要求。
例如在自动驾驶领域,系统需要以非常高的帧率获取路况图像,以便及时做出应对;而在一些工业自动化场景中,较低的帧率可能已经足够满足要求。
因此,针对不同的应用场景,机器视觉系统需要进行帧率调整和优化,以达到最佳的性能和效果。
综上所述,机器视觉帧率与图像模糊是一个相互关联的问题。
在追求高帧率的同时,我们也需要关注图像的质量和清晰度。
通过合理选择图像采集设备、优化图像处理算法和调整帧率,机器视觉系统可以达到高效、准确和清晰的图像处理效果,满足不同领域的应用需求。
另外,除了帧率和图像模糊之间的关系,机器视觉系统还面临着其他挑战和限制。
例如,图像的分辨率、动态范围和色彩准确度等都会对系统的性能产生影响。
高分辨率图像可以提供更多的细节信息,从而增强系统对物体的识别和分析能力。
视频图像去噪与增强技术研究
视频图像去噪与增强技术研究摘要:随着科技的不断进步和图像视频应用的广泛应用,图像视频的质量需求也越来越高。
然而,由于传感器设备等原因,图像视频中常常存在各种噪声和失真。
针对这个问题,研究者们提出了许多图像去噪和增强技术,旨在提高图像视频的质量。
介绍:随着图像和视频技术的快速发展,人们对图像视频的质量有了更高的要求。
然而,在图像视频采集过程中往往会受到各种噪声和失真的干扰,这些噪声和失真对图像视频的质量产生了巨大影响。
因此,研究人员开始致力于图像去噪和增强技术的研究,以提高图像视频的质量。
一、视频图像去噪技术1. 传统去噪方法传统的图像视频去噪方法主要包括均值滤波、中值滤波、高斯滤波等。
这些方法基于像素的邻域信息,通过滤波操作来减少噪声。
然而,传统的去噪方法往往无法很好地保留图像细节,且对图像视频的整体质量提升效果有限。
2. 基于深度学习的图像去噪方法近年来,基于深度学习的图像去噪方法逐渐兴起。
这些方法利用深度神经网络模型对图像进行学习和重建,从而实现有效的去噪效果。
例如,基于卷积神经网络的图像去噪方法可以通过学习大量的图像样本,建立高效的噪声模型,提高去噪效果,并保持图像的细节信息。
二、视频图像增强技术1. 图像增强方法图像增强方法旨在通过一系列的处理操作,改善图像的视觉效果,提高图像的质量。
常见的图像增强方法包括直方图均衡化、对比度增强、边缘增强等。
这些方法可以通过增加图像的对比度、增强细节等方式,提高图像的质量。
2. 视频增强方法相对于图像增强,视频增强方法主要关注连续帧之间的一致性。
一种常用的视频增强方法是基于帧间差分原理进行增强。
通过比较相邻帧之间的差异,将差异传递到目标帧上,从而改善视频的质量。
此外,还有一些视频增强算法采用深度学习等方法,通过对视频进行学习和重建,来提高视频质量。
三、技术研究进展与应用目前,图像视频去噪和增强技术在多个领域得到了广泛应用。
例如,在监控领域,通过去除图像视频中的噪声,可以提高监控画面的质量,从而更好地满足安全监控的需求。
stable video diffusion原理
stable video diffusion原理
稳定视频扩散是一种视频传播的原理,旨在通过有效的策略和技术,确保视频
的广泛传播和良好的稳定性。
稳定视频扩散的原理主要包括以下几个方面:
1. 强大的服务器基础设施:稳定视频扩散需要有高度可靠和强大的服务器基础
设施来支持大量视频内容的存储和传输。
这些服务器可以分布在世界各地,以提供全球范围的视频扩散服务。
2. 内容传输网络(CDN):内容传输网络是实现稳定视频扩散的关键要素之一。
CDN通过将视频内容分发到位于不同地理位置的边缘服务器,可以缓解网络拥塞
问题,并提高视频的播放速度和质量。
3. 视频编码和压缩技术:稳定视频扩散还依赖于先进的视频编码和压缩技术。
这些技术可以将视频文件的大小减小到适合互联网传输的程度,同时保持较高的视觉质量,以确保视频的快速加载和流畅播放。
4. 高效的内容识别和推荐算法:稳定视频扩散需要利用先进的内容识别和推荐
算法来自动分析和推荐用户感兴趣的视频内容。
这些算法可以根据用户的历史观看记录、喜好和行为模式,提供相应的视频推荐,从而增加视频的曝光和传播。
5. 社交媒体和用户互动:稳定视频扩散还依赖于社交媒体平台和用户的互动。
通过在社交媒体上分享和评论视频,用户可以扩大视频的传播范围,并带动更多用户的注意和参与。
综上所述,稳定视频扩散的原理涉及服务器基础设施、内容传输网络、视频编
码和压缩技术、内容识别和推荐算法,以及社交媒体和用户互动等方面。
通过合理运用这些原理,可以实现视频的广泛传播和稳定的用户体验。
纹理物体缺陷的视觉检测算法研究--优秀毕业论文
摘 要
在竞争激烈的工业自动化生产过程中,机器视觉对产品质量的把关起着举足 轻重的作用,机器视觉在缺陷检测技术方面的应用也逐渐普遍起来。与常规的检 测技术相比,自动化的视觉检测系统更加经济、快捷、高效与 安全。纹理物体在 工业生产中广泛存在,像用于半导体装配和封装底板和发光二极管,现代 化电子 系统中的印制电路板,以及纺织行业中的布匹和织物等都可认为是含有纹理特征 的物体。本论文主要致力于纹理物体的缺陷检测技术研究,为纹理物体的自动化 检测提供高效而可靠的检测算法。 纹理是描述图像内容的重要特征,纹理分析也已经被成功的应用与纹理分割 和纹理分类当中。本研究提出了一种基于纹理分析技术和参考比较方式的缺陷检 测算法。这种算法能容忍物体变形引起的图像配准误差,对纹理的影响也具有鲁 棒性。本算法旨在为检测出的缺陷区域提供丰富而重要的物理意义,如缺陷区域 的大小、形状、亮度对比度及空间分布等。同时,在参考图像可行的情况下,本 算法可用于同质纹理物体和非同质纹理物体的检测,对非纹理物体 的检测也可取 得不错的效果。 在整个检测过程中,我们采用了可调控金字塔的纹理分析和重构技术。与传 统的小波纹理分析技术不同,我们在小波域中加入处理物体变形和纹理影响的容 忍度控制算法,来实现容忍物体变形和对纹理影响鲁棒的目的。最后可调控金字 塔的重构保证了缺陷区域物理意义恢复的准确性。实验阶段,我们检测了一系列 具有实际应用价值的图像。实验结果表明 本文提出的纹理物体缺陷检测算法具有 高效性和易于实现性。 关键字: 缺陷检测;纹理;物体变形;可调控金字塔;重构
Keywords: defect detection, texture, object distortion, steerable pyramid, reconstruction
II
stable video diffusion原理 -回复
stable video diffusion原理-回复稳定的视频传输亦称为稳定的视频扩散,是指在视频传输过程中保持画质和帧率稳定的技术。
这项技术在实时视频传输、视频会议以及流媒体等领域具有重要的应用价值。
稳定的视频传输可以通过多种技术来实现,其中包括分层编码、帧间编码以及错误修复等。
一、分层编码分层编码是实现稳定视频传输的一种常用方法。
该方法包括将视频数据划分为多个层,不同层次的数据对于画质和帧率的重要性不同。
在传输过程中,可以根据网络带宽和传输条件的变化,灵活地选择不同的层次进行传输,从而实现画质和帧率的稳定。
具体来说,分层编码将视频数据划分为基本层和增强层。
基本层包含了视频的基本信息,对于保证视频的基本质量起着重要作用。
增强层包含了视频的细节信息,对于提高视频的清晰度和细节展示具有重要作用。
在传输过程中,可以根据网络带宽和传输条件的变化,选择性地传输基本层和增强层,以达到稳定的视频传输效果。
二、帧间编码帧间编码是实现稳定视频传输的另一种常用方法。
该方法利用视频中相邻帧之间的相关性,通过压缩和预测来减少传输数据量。
帧间编码将视频帧划分为关键帧和预测帧。
关键帧是完整的帧,不依赖于其他帧进行解码。
预测帧则是根据前一帧或多帧来进行预测和重建。
在传输过程中,可以选择性地传输关键帧和预测帧,以适应网络带宽和传输条件的变化。
这样可以减少传输数据量,并提高整个系统的稳定性。
帧间编码在视频会议和流媒体等实时传输场景中具有广泛应用。
三、错误修复错误修复是保证稳定视频传输的另一个重要技术。
在视频传输过程中,由于网络干扰、传输错误或丢包等原因,传输数据可能会发生错误。
为了减少错误对视频画质和帧率的影响,可以采用错误修复技术来进行恢复。
一种常用的错误修复技术是冗余编码。
该技术通过在传输数据中增加冗余信息,以实现错误的检测和修复。
当传输数据出现错误时,接收端可以利用冗余信息对错误进行检测,并利用冗余信息进行数据恢复。
这样可以有效提高视频传输的稳定性。
stable video diffusion原理 -回复
stable video diffusion原理-回复稳定的视频扩散是一种技术,它旨在通过优化视频传输过程中的各个环节,提供更高质量的视频内容。
该技术的原理是通过减少网络延迟、提高带宽利用率和优化数据传输方式来实现。
在理解稳定的视频扩散原理之前,我们需要先知道视频扩散的概念。
视频扩散是指将视频内容从一个源端传输到多个接收端的过程。
在传统的视频扩散中,数据通常通过广播或点对点方式传输,但由于网络延迟、带宽限制和数据包丢失等问题,导致视频质量下降,甚至无法正常观看。
稳定的视频扩散通过对传输过程进行优化来解决这些问题,从而提供更好的用户体验。
稳定的视频扩散的原理主要有以下几个方面:1. 优化编码算法:视频编码是指将原始视频数据转换为数字数据的过程。
稳定的视频扩散通过优化编码算法,减少视频数据的冗余信息,并提高编码的效率。
这样可以降低数据的传输量,减少网络延迟,并提高视频传输的质量。
2. 使用自适应流媒体传输协议:自适应流媒体传输协议可以根据网络环境的实际情况,调整视频的码率和分辨率。
当网络带宽较低时,可以自动降低视频的码率和分辨率,以减少数据传输量,并避免视频卡顿和缓冲。
当网络带宽较高时,可以自动提高视频的码率和分辨率,以提供更清晰的视频质量。
这样可以提高视频流的稳定性和可靠性。
3. 实时监测网络情况:稳定的视频扩散需要实时监测网络的带宽、延迟和丢包率等参数。
通过对这些参数的监测和分析,可以及时调整视频的传输参数和发送策略。
例如,当网络延迟较高时,可以采用前向纠错和重传机制,以提高视频的可靠性;当网络带宽较低时,可以降低视频的码率和分辨率,以保证视频的流畅传输。
4. 使用缓存技术:为了降低视频的延迟和提高观看体验,稳定的视频扩散还可以利用缓存技术。
缓存技术可以将视频的部分数据提前下载到接收端的缓存中,并在播放时从缓存中读取数据。
这样可以解决网络延迟问题,并提高视频的响应速度和流畅度。
综上所述,稳定的视频扩散通过优化编码算法、使用自适应流媒体传输协议、实时监测网络情况和使用缓存技术等方式,提供了更高质量的视频内容。
unet生成噪声的原理
unet生成噪声的原理Unet是一种常用的神经网络模型,被广泛应用于图像分割任务中。
它的原理是基于编码器-解码器结构,并使用跳跃连接来提高图像分割的精度和准确性。
本文将介绍Unet生成噪声的原理及其应用。
噪声是指在图像中由于各种因素引起的不希望的干扰信号。
在图像处理领域,噪声会降低图像的质量和清晰度,影响图像的可视化效果和后续处理结果。
因此,去除噪声是图像处理的重要任务之一。
Unet生成噪声的原理是通过将噪声图像与原始图像进行输入,训练网络来学习噪声的特征,并生成一张去噪后的图像。
具体而言,Unet模型由编码器和解码器两部分组成。
编码器负责将输入图像逐步降采样,提取图像的高层次抽象特征,而解码器则将这些特征逐步上采样,生成与原始图像相同分辨率的输出图像。
在Unet中,跳跃连接起到了关键作用。
跳跃连接指的是将编码器中的特征图与解码器中的特征图进行连接,以保留更多的细节信息。
这样做的好处是可以提高分割的准确性,尤其是对于小目标或者细节丰富的区域。
对于噪声生成的任务,Unet模型将噪声图像和原始图像作为输入,并通过训练来学习噪声的特征。
训练数据集通常包括一组带有噪声的图像和对应的无噪声图像。
通过最小化生成图像与无噪声图像之间的差异,Unet模型可以学习到噪声的特征,并生成去噪后的图像。
在实际应用中,Unet生成噪声的方法具有很大的灵活性。
它可以用于去除各种类型的噪声,如高斯噪声、椒盐噪声等。
此外,Unet还可以通过调整网络结构和训练参数来适应不同噪声程度和图像复杂度的情况。
Unet生成噪声的应用场景广泛。
例如,在医学影像处理中,噪声是由于设备限制或其他干扰因素引起的,如CT图像中的斑点噪声。
通过使用Unet模型可以有效去除这些噪声,提高医学影像的质量和准确性。
另外,Unet生成噪声还可以应用于图像增强、图像复原、图像修复等领域,为后续的图像处理任务提供更好的输入。
Unet生成噪声的原理是通过编码器-解码器结构和跳跃连接来学习噪声的特征,并生成去噪后的图像。
卷积自编码器去噪的损失函数
卷积自编码器去噪的损失函数卷积自编码器(Convolutional Autoencoder)是一种神经网络模型,常用于图像去噪和特征提取任务。
对于卷积自编码器去噪任务,可以使用不同的损失函数来衡量生成图像和原始图像之间的差异。
常见的损失函数包括:1.均方误差(Mean Squared Error, MSE):计算生成图像和原始图像之间像素级别的平均差异。
损失函数可以定义为每个像素位置的差的平方的总和除以像素数量,即:MSE = (1/N) * Σ(I - I')^2其中,N表示像素的总数量,I是原始图像的像素值,I'是生成图像的像素值。
2.交叉熵损失(Cross-Entropy Loss):一种常用的分类损失函数,在图像去噪任务中可以用于测量生成图像和原始图像之间的差异。
交叉熵损失可以定义为:CrossEntropy = -Σ(I * log(I') + (1 - I) * log(1 - I'))其中,I是原始图像的像素值在0到1之间的范围,I'是生成图像的像素值。
3.结构相似性损失(Structural Similarity Loss, SSIM):衡量生成图像和原始图像之间的结构相似性,包括亮度、对比度和结构。
SSIM损失可以定义为:SSIM = (2μ_Iμ_I' + C1) * (2σ_I_I' + C2) / (μ_I^2 + μ_I'^2 + C1) *(σ_I^2 + σ_I'^2 + C2)其中,μ_I和μ_I'是原始图像和生成图像的亮度的均值,σ_I和σ_I'是原始图像和生成图像的亮度的标准差,C1和C2是常数用于稳定计算。
这些仅仅是一些常见的损失函数示例,实际使用时可以根据具体的任务和需求进行选择和调整。
需要注意的是,生成图像和原始图像的像素值范围会影响损失函数的选择和设定。
paddledetection剪裁+蒸馏训练
PaddleDetection剪裁+蒸馏训练PaddleDetection是飞桨开源框架PaddlePaddle中的一个视觉任务开发套件,它提供了一整套丰富的目标检测模型以及训练、评估和部署的工具,方便用户快速构建和训练目标检测任务。
剪裁(pruning)和蒸馏(distillation)是目标检测领域中常用的模型优化技术,可以通过减少模型参数数量和模型大小来加速推理速度,并提高模型的泛化能力。
本文将介绍PaddleDetection中剪裁和蒸馏的基本原理和实践方法。
1. 剪裁(pruning)剪裁技术旨在通过剪除冗余参数和连接来减小模型的体积,并提高模型的推理效率。
PaddleDetection中提供了基于敏感度剪裁和迭代剪裁两种剪裁方式。
敏感度剪裁是一种基于参数重要性评估的剪裁方法,它通过计算参数的梯度或Hessian矩阵等信息来评估参数的重要性,并删除相对不重要的参数。
PaddleDetection中提供了prune模块,可以实现对模型的敏感度剪裁操作。
迭代剪裁是一种迭代优化的剪裁方法,它通过重复迭代剪裁和微调的过程来逐步削减模型的参数量。
PaddleDetection中的prune模块也提供了对模型的迭代剪裁功能。
2. 蒸馏(distillation)蒸馏技术是一种模型压缩和知识蒸馏的方法,它通过使用一个较大的“教师模型”来指导一个较小的“学生模型”来进行训练,从而提高学生模型的泛化能力和推理速度。
PaddleDetection中提供了基于蒸馏的模型训练和压缩技术。
蒸馏训练分为两个阶段:首先使用一个较大的模型来进行训练,并将其视为“教师模型”,然后使用该“教师模型”来指导一个较小的模型进行训练,从而提高学生模型的性能。
PaddleDetection中的distillation模块提供了这种基于蒸馏的训练和优化方式。
3. PaddleDetection中的剪裁和蒸馏在PaddleDetection中,剪裁和蒸馏技术可以非常方便地应用于模型的训练和优化过程中。
unet能够降噪的原理
unet能够降噪的原理UNet能够降噪的原理UNet是一种常用于图像处理中的神经网络模型,其在降噪图像上的应用非常广泛。
本文将从浅入深地解释UNet降噪的原理。
什么是降噪降噪是指通过处理图像,去除其中的噪声信号,以使图像更加清晰、细节更加突出。
传统降噪方法的不足传统的降噪方法通常基于滤波器或统计学方法,但这些方法往往不能很好地处理复杂的图像结构和噪声类型。
UNet的基本原理UNet是一种基于卷积神经网络(CNN)的端到端模型。
它具有自编码器(encoder-decoder)的结构,并且在编码器和解码器之间加入了跳跃连接(skip connections)。
编码器编码器负责将输入图像逐渐降维,提取图像的特征信息。
UNet采用了类似于VGGnet的卷积层结构,并使用ReLU激活函数。
每经过一层卷积,图像的尺寸减小一半,通道数也增加一倍。
这样的设计可以帮助模型更好地理解图像的结构与内容。
解码器解码器的任务是将编码器提取的特征信息恢复到原始图像的尺寸。
UNet使用了反卷积层(也称为转置卷积层),将图像进行上采样,使其尺寸逐渐增大。
同时,解码器也会插入一些卷积层来提取更高级别的特征。
跳跃连接跳跃连接是UNet的关键特性之一。
它将编码器中的某一层与解码器中对应层进行连接,以帮助解码器更好地恢复细节信息。
这种连接能够跨越多个分辨率,使解码器能够利用来自不同尺度的特征信息。
跳跃连接有助于避免信息丢失和模糊,提高模型的性能。
UNet降噪的具体过程使用UNet进行降噪的过程如下:1.准备训练数据集,包含噪声图像和对应的清晰图像。
2.构建UNet模型,并将噪声图像输入编码器。
3.通过前向传播计算损失函数,衡量噪声图像与清晰图像之间的差异。
4.使用反向传播更新模型参数,优化模型的降噪性能。
5.重复步骤3和4,直到达到一定的训练轮次或损失函数收敛。
6.对测试图像进行降噪,将降噪后的图像输出作为最终结果。
UNet降噪的优势相对于传统的降噪方法,UNet具有以下优势:•对含有复杂结构的图像具有更强的噪声去除能力。
如何处理计算机视觉技术中的图像噪声问题
如何处理计算机视觉技术中的图像噪声问题图像噪声是计算机视觉技术中常见的问题之一。
在图像采集、传输和处理的过程中,图像可能会受到各种影响,导致图像中出现噪声。
噪声会降低图像的质量,影响计算机视觉算法的准确性和性能。
因此,如何处理计算机视觉技术中的图像噪声问题是非常重要的。
为了处理图像噪声问题,首先需要了解图像噪声的来源。
图像噪声可以来源于图像采集设备、传感器、传输过程以及图像处理算法等。
根据噪声的类型,可以将其分为高斯噪声、椒盐噪声、泊松噪声等。
理解噪声的类型和来源有助于选择合适的处理方法。
一种常见的处理图像噪声问题的方法是使用滤波器。
滤波器可以通过去除高频噪声或者减少噪声的影响来改善图像质量。
常用的滤波器包括均值滤波器、中值滤波器、高斯滤波器等。
均值滤波器通过计算像素周围邻域像素的均值来减少噪声。
中值滤波器则通过计算像素周围邻域像素的中值来消除噪声。
高斯滤波器是一种常用的线性滤波器,可以通过加权平均邻域像素来降低噪声。
除了滤波器,另一种处理图像噪声问题的方法是使用图像增强技术。
图像增强技术旨在增强图像的细节和对比度,同时减少噪声的影响。
常用的图像增强技术包括直方图均衡化、去噪算法、小波变换等。
直方图均衡化可以通过重新分配灰度级来增强图像的对比度,改善噪声影响。
去噪算法可以通过模型建立和优化来减少图像中的噪声。
小波变换可以提取图像的局部特征并消除噪声。
此外,还可以使用深度学习方法来处理图像噪声问题。
深度学习技术在计算机视觉领域取得了很大的突破。
可以使用深度学习模型来训练图像去噪网络,通过学习大量的图像样本来减少噪声的影响。
深度学习模型具有强大的非线性建模能力,能够更好地捕捉图像中的细节和特征,从而有效地处理图像噪声问题。
除了以上方法,还可以采取一些预处理措施来减少图像噪声问题。
例如,在图像采集的过程中,可以使用高质量的摄像头和传感器来获得更好的图像质量;在图像传输过程中,可以使用压缩算法来减少数据传输的量,从而减小噪声的影响;在图像处理的过程中,可以使用合适的算法参数和技术方法来降低噪声的影响。
使用卷积神经网络进行音频识别的教程(Ⅱ)
卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)是一种广泛应用于图像识别领域的深度学习模型,但它同样可以用于音频识别。
本文将介绍如何使用CNN进行音频识别,并提供一个基本的教程,帮助读者快速入门。
一、音频数据的预处理在进行音频识别之前,首先需要对音频数据进行预处理。
这包括将原始音频信号转换为频谱图,以便于CNN的输入。
通常可以使用短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)或梅尔频率倒谱系数(Mel-Frequency Cepstral Coefficients,MFCC)来将音频数据转换为频谱图。
对于STFT,可以使用Python中的Librosa库来实现。
首先,需要安装Librosa库,然后可以使用以下代码将音频文件转换为频谱图:```pythonimport librosaimportimportas plt# 读取音频文件y, sr = ('')# 计算短时傅里叶变换D = (y)# 将幅度谱转换为分贝谱DB = _to_db(D, ref=)# 显示频谱图(DB, sr=sr, x_axis='time', y_axis='log')()()```对于MFCC,同样可以使用Librosa库来实现。
以下是将音频文件转换为MFCC特征的示例代码:```pythonimport librosaimportimportas plt# 读取音频文件y, sr = ('')# 计算MFCC特征mfccs = (y=y, sr=sr, n_mfcc=13)# 显示MFCC特征(mfccs, x_axis='time')()()```二、构建卷积神经网络模型在对音频数据进行预处理后,接下来需要构建CNN模型。
CNN通常由卷积层、池化层和全连接层组成。
对于音频识别任务,可以使用一维卷积层来提取频谱图或MFCC特征的时序信息。
如何应对计算机视觉中的失真问题(七)
在当今信息化社会,计算机视觉技术已经得到了广泛的应用,包括图像处理、视频监控、人脸识别等方面。
然而,由于各种因素的影响,计算机视觉中的失真问题一直是一个比较棘手的难题。
本文将从图像失真、视频失真和人脸识别三个方面进行探讨,分析并提出应对失真问题的方法和建议。
图像失真是计算机视觉中常见的问题之一,主要包括噪声、模糊和失真等。
噪声是由于图像采集过程中的干扰导致的,常见的噪声类型包括椒盐噪声和高斯噪声。
解决噪声问题的方法主要包括滤波和降噪算法,例如中值滤波、均值滤波和小波降噪等。
模糊是由于图像采集设备的成像系统和环境条件等因素引起的,常见的模糊类型包括运动模糊和散焦模糊。
解决模糊问题的方法主要包括图像复原和图像增强算法,例如逆滤波、Wiener滤波和锐化算法等。
失真是由于图像压缩和编码过程中的信息丢失引起的,常见的失真类型包括块效应和压缩伪影。
解决失真问题的方法主要包括图像压缩和编码优化算法,例如JPEG2000、和HEVC等。
视频失真是计算机视觉中另一个比较困扰的问题,主要包括运动模糊、帧间预测和失真传播等。
运动模糊是由于视频采集过程中的相机运动和目标运动等因素引起的,常见的运动模糊类型包括匀速运动模糊和加速度运动模糊。
解决运动模糊问题的方法主要包括视频稳定和帧间补偿算法,例如视频去模糊和视频去抖动等。
帧间预测是由于视频编码过程中的运动估计和运动补偿等因素引起的,常见的帧间预测类型包括帧间预测残差和帧间预测模式等。
解决帧间预测问题的方法主要包括视频压缩和编码改进算法,例如运动矢量预测、变换编码和熵编码等。
失真传播是由于视频传输过程中的信道噪声和丢包错误等因素引起的,常见的失真传播类型包括块丢失和帧丢失。
解决失真传播问题的方法主要包括视频传输和重传协议优化算法,例如RTMP、RTSP和RTP等。
人脸识别是计算机视觉中另一个比较重要的问题,主要包括光照变化、姿态变化和表情变化等。
光照变化是由于人脸采集过程中的光照条件和环境因素等引起的,常见的光照变化类型包括阴影光照和逆光照。
如何应对计算机视觉中的失真问题(九)
计算机视觉技术是人工智能领域的一个重要分支,它通过计算机对图像和视频进行识别、分析和处理。
然而,在实际应用中,计算机视觉技术也面临着一些失真问题,如图像噪声、失真、模糊等。
这些失真问题会对计算机视觉系统的性能和准确性产生负面影响,因此如何应对计算机视觉中的失真问题成为了一个重要课题。
首先,对于图像噪声的问题,我们可以通过滤波算法来进行处理。
滤波算法是一种常见的图像去噪方法,它可以通过对图像像素进行平滑或者锐化处理,从而减少图像中的噪声。
常见的滤波算法包括均值滤波、中值滤波、高斯滤波等,可以根据具体情况选择合适的算法来对图像进行去噪处理。
此外,我们还可以利用深度学习技术来训练神经网络模型,从而实现对图像噪声的自动检测和去除,提高图像质量和准确性。
其次,针对图像失真的问题,我们可以采用图像复原技术进行处理。
图像复原技术是一种通过对图像进行修复和重建来减少图像失真的方法,它可以帮助我们找到并修复图像中的瑕疵和缺陷,提高图像的质量和清晰度。
常见的图像复原技术包括基于模型的方法、基于学习的方法、基于变分方法等,可以根据具体情况选择合适的技术来对图像进行复原处理。
此外,针对图像模糊的问题,我们可以利用图像增强技术进行处理。
图像增强技术是一种通过对图像进行局部增强或全局增强来提高图像的对比度和清晰度的方法,它可以帮助我们从模糊的图像中提取出更多的细节和信息,从而提高图像的质量和识别准确性。
常见的图像增强技术包括直方图均衡化、对比度增强、锐化增强等,可以根据具体情况选择合适的技术来对图像进行增强处理。
最后,为了更好地应对计算机视觉中的失真问题,我们还可以结合多种方法进行综合处理。
例如,可以将图像去噪、复原和增强等技术结合起来,形成一个完整的图像处理流程,从而最大程度地提高图像的质量和准确性。
同时,还可以利用大规模的图像数据集进行训练和优化,从而不断改进和提升计算机视觉系统的性能和稳定性。
综上所述,应对计算机视觉中的失真问题是一个复杂而重要的课题,需要我们结合滤波、复原、增强等多种技术手段进行综合处理。
基于深度学习的视频风格迁移算法研究与应用
基于深度学习的视频风格迁移算法研究与应用摘要:随着深度学习技术的发展,视频风格迁移成为了一种非常有趣且有潜力应用的研究方向。
本文旨在研究基于深度学习的视频风格迁移算法,并探讨其在实际应用中的潜力。
引言:视频风格迁移是指将源视频的风格转换为目标风格,从而使得转换后的视频看起来具有目标风格的特点。
传统的视频风格迁移算法通常基于基于图像的方法,但这些方法无法直接应用于视频。
随着深度学习技术的兴起,基于深度学习的视频风格迁移算法逐渐成为研究的热点。
一、基于深度学习的视频风格迁移算法的原理基于深度学习的视频风格迁移算法主要基于卷积神经网络(CNN)和循环神经网络(RNN)。
算法主要分为两个阶段,分别是训练阶段和迁移阶段。
在训练阶段,算法通过大量的训练数据学习源视频和目标风格视频之间的风格差异。
通过搭建一个CNN网络对源视频进行特征提取,然后将提取的特征输入到RNN网络中进行学习。
RNN网络通过不断迭代的方式学习源视频和目标风格视频之间的对应关系,从而捕捉到视频的风格信息。
在迁移阶段,算法将训练得到的模型应用于待转换的视频。
首先,将待转换的视频输入到CNN网络中进行特征提取。
然后,通过RNN网络将提取的特征与目标风格视频的特征进行连接,从而生成转换后的视频。
最后,将生成的视频进行后期处理,如去噪、调色等。
二、基于深度学习的视频风格迁移算法的应用基于深度学习的视频风格迁移算法具有广泛的应用潜力。
1. 影视娱乐产业:基于深度学习的视频风格迁移算法可以将电影或电视剧中的不同风格进行转换,从而使得影片具有不同的视觉体验。
这对于影视娱乐产业来说,可以提供更多的创作可能性。
2. 广告行业:通过使用基于深度学习的视频风格迁移算法,广告商可以将广告中的商品或者服务的风格与目标观众喜好的风格进行匹配,从而提高广告的吸引力和影响力。
3. 虚拟现实与增强现实:基于深度学习的视频风格迁移算法可以用于虚拟现实和增强现实应用中,通过将现实世界中的视频转换为特定风格的视频,增强用户体验。
视频图像去噪与增强算法研究与实现
视频图像去噪与增强算法研究与实现大量的视频和图像数据在我们的日常生活中得到了广泛应用,但由于采集环境的限制以及设备的限制,这些数据中常常包含着各种噪声和失真。
因此,去噪和增强算法显得尤为重要,它们能够提高图像和视频的质量,使得观察者能够更加清晰地感知图像和视频中的细节。
为了解决这个问题,研究者们提出了许多有效的算法。
其中,最常见的方法是基于传统的数学模型和信号处理技术,如中值滤波、高斯滤波、小波变换等。
这些算法具有一定的效果,但仍然难以满足高清视频和高质量图像的需求。
随着深度学习的发展,神经网络模型在图像处理领域取得了显著的进展。
尤其是卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)在图像的去噪和增强任务上表现出了优秀的性能。
CNN能够从大量的训练样本中学习到图像中的特征,并能够自动学习到图像的噪声分布,从而更好地去除噪声。
视频图像的去噪和增强主要有两个方面的挑战:时间域和空间域。
在时间域上,视频图像通常存在着序列相关性,之前的帧可以作为参考来提高当前帧的去噪效果。
在空间域上,视频图像中的噪声往往是不规则的,并且在不同的图像区域具有不同的分布特点。
因此,针对视频图像的去噪和增强需要考虑到这两个方面的问题。
为了解决时域问题,可以采用基于帧间差值(Frame Difference)的方法。
帧间差值方法利用视频序列中两帧之间的差异来估计噪声并去除。
此外,自适应帧间差值方法可以根据图像的动态变化调整帧间差值的参数,从而提高去噪的准确性。
在空域上,常用的方法是基于块的图像去噪算法。
这些算法将图像分解为不同的块,并对每个块进行独立的去噪处理。
常见的方法包括基于小波变换的去噪算法和基于稀疏表示的去噪算法。
小波变换在图像处理中得到了广泛应用,其通过将图像分解成不同尺度的频率分量来提取图像的特征。
小波去噪算法利用小波变换的多尺度分解能力来处理图像的噪声,并通过阈值处理来实现图像的去噪。
vggish 原理
vggish 原理
VGGish是一个基于卷积神经网络(CNN)的音频特征提取器,主要用于将音频信号转换为具有语义含义的特征向量。
VGGish 的设计灵感来源于 VGG 网络,它采用了类似的卷积层和池化层结构,并使用了预训练的权重来加速训练过程。
VGGish 的输入是一个 1 维音频信号,它首先被分帧为长度为0.96 秒的片段,每个片段包含 64ms 的音频数据。
每个片段被转化为一个频谱图,然后通过一个由多个卷积层和池化层组成的深度神经网络进行处理。
这个网络的输出是一个 128 个元素的特征向量,其中每个元素代表一个特定的声学属性,如音高、音量、谐波等。
在训练过程中,VGGish 使用了一个标记为 AudioSet 的数据集,这个数据集包含了大量的音频文件和对应的标签,用于训练VGGish 网络提取具有语义含义的音频特征。
同时,VGGish 也可以通过迁移学习的方式,将已经训练好的权重应用到其他任务中,如音频分类、音频检索等。
总的来说,VGGish 是一种基于深度学习的音频特征提取器,可用于将音频信号转换为具有语义含义的特征向量,为音频分类、检索等任务提供有力支持。
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Distributing Layered Encoded Video throughCachesJussi Kangasharju,Felix Hartanto,Martin Reisslein,Keith W.RossInstitut Eurecom,GMD FOKUSAbstract—The efficient distribution of stored information has become a major concern in the Internet which has in-creasingly become a vehicle for the transport of stored video. Because of the highly heterogeneous access to the Internet, researchers and engineers have argued for layered encoded video.In this paper we investigate delivering layered en-coded video using caches.Based on a stochastic knapsack model we develop a model for the layered video caching problem.We propose heuristics to determine which videos and which layers in the videos should be cached.We evalu-ate the performance of our heuristics through extensive nu-merical experiments.We also consider two intuitive exten-sions to the initial problem.Keywords—Proxy Caching,Streaming Layered Video, Utility Heuristics,Stochastic KnapsackI.I NTRODUCTIONIn recent years,the efficient distribution of stored in-formation has become a major concern in the Internet.In the late1990s numerous companies-including Cisco,Mi-crosoft,Netscape,Inktomi,and Network Appliance-be-gan to sell Web caching products,enabling ISPs to deliver Web documents faster and to reduce the amount of traffic sent to and from other ISPs.More recently the Internet has witnessed the emergence of content distribution network companies,such as Akamai and Sandpiper,which work directly with content providers to cache and replicate the providers’content close to the end users.In parallel to all of this caching and content distribution activity,the Inter-net has increasingly become a vehicle for the transport of stored video.Many of the Web caching and content distri-bution companies have recently announced new products for the efficient distribution of stored video.Access to the Internet is,of course,highly heteroge-neous,and includes28K modem connections,64K ISDN connections,shared-bandwidth cable modem connections, xDSL connections with downstream rates in100K-6M range,and high-speed switched Ethernet connections at10 Mbps.Researchers and engineers have therefore argued that layered encoded video is appropriate for the Internet. When a video is layered encoded,the number of layers that are sent to the end user is a function of the user’s down-stream bandwidth.An important research issue is how to efficiently dis-tribute stored layered video from servers(including Web servers)to end users.As with Web content,it clearly makes sense to insert intermediate caches between the servers and clients.This will allow users to access much of the stored video content from nearby servers,rather ac-cessing the video from a potentially distant server.Given the presence of a caching and/or content distribution net-work infrastructure,and of layered video in origin servers, a fundamental problem is to determine which videos and which layers in the videos should be cached.Intuitively, we will want to cache the more popular videos,and will want to give preference to the lower base layers rather than to the higher enhancement layers.In this paper we present a methodology for selecting which videos and which layers should be stored at afinite-capacity cache.The methodology could be used,for ex-ample,by a cable or ADSL access company with a cache at the root of the distribution tree.Specifically,we sup-pose that the users have high-speed access to the cache, but the cache has limited storage capacity and a limited bandwidth connection to the Internet at large.For exam-ple,the ISP might have a terabyte cache with a45Mbps connection to its parent ISP.Thus,the video caching prob-lem has two constrained resources,the cache size and the transmission rate of the access link between the ISP and its parent ISP.Our methodology is based on a stochastic knapsack model of the2-resource problem.We suppose that the cache operator has a good estimate of the popu-larities of the the video layers.The problem,in essence, is to determine which videos and which layers within the video should be cached so that customer demand can best be met.This paper is organized as follows.In Section II we present our layered video streaming model.In Section III we present our utility heuristics and evaluate their perfor-mance.Section IV extends our caching model by adding the possibility to negotiate the delivered stream quality. Section V considers a queueing scheme for managing client requests.Section VI considers the usefulness of par-tial caching.Section VII presents an overview of related work and Section VIII concludes the paper.Fig.1.Architecture for caching and streaming of layered en-coded video.II.M ODEL OF L AYERED V IDEO S TREAMING WITHP ROXYFig.1illustrates our architecture for continuous me-dia streaming with proxy servers.Wefirst give a rough overview of our streaming architecture and then discuss each component in detail.All available continuous me-dia objects are stored on the origin servers.Popular streams are cached in proxy servers.The clients direct their streaming requests to the appropriate proxy server. If the requested stream is cached in the proxy,it is directly streamed over the local access network to the client.If the requested stream is not cached in the proxy,it is streamed from the origin server over the wide area network to the proxy.The proxy forwards the stream to the client.yered VideoThe continuous media objects available on the origin servers are prerecorded audio and video objects,such as CD–quality music clips,short video clips(e.g.,news clips, trailers or music videos)or full–length movies or on–line lectures.Our focus in this study is on video objects that have been encoded using layered(hierarchical)encoding techniques[1–3].With hierarchical encoding each video object is encoded into a base layer and one or more en-hancement layers.The base layer contains the most es-sential basic quality information.The enhancement layers provide quality enhancements.A particular enhancement layer can only be decoded if all lower quality layers are available.Therefore,an enhancement layer is useless for the client if the corresponding lower quality layers are not available.Layered video allows service providers to offerflexible streaming services to clients with vastly different reception bandwidths and decoding capabilities.Typically,wireless clients and clients with modem–speed wireline Internet ac-cess will request only the base layer stream.Clients with high–speed ADSL or cable modem access,on the other hand,may wish to receive higher quality streams consist-ing of base layer as well enhancement layers.Furthermore, layered video allows forflexible pricing structures.A ser-vice provider may offer the base layer stream at a basic rate and charge a premium for the enhancement layers. In other words,clients are charged more when receiving more layers(i.e.,higher quality streams).Such a pricing structure might prompt clients to request the cheaper base layer–only stream of a news clip or talk show,say,while requesting the more expensive high quality stream of an entertainment movie.To make the notion of layered video objects more pre-cise,suppose that there are video objects.We assume that the video objects are encoded into Constant Bit Rate (CBR)layers,which is a reasonablefirst approximation of the output of hierarchical codecs.For notational simplicity we assume that all video objects are encoded into lay-ers.(Our model extends to video objects that differ in the number of layers in a straightforward manner.)Let denote the rate(in bit/sec)of layer,of video object.We define a–quality stream as a stream consisting of layers.Let,denote the length(in seconds)of video object.Let denote the revenue accrued from providing a–quality stream of object.B.Proxy ServerThe proxy server is located close to the clients.It is connected to the origin servers via a wide area network (e.g.,the Internet).We model the bandwidth available for streaming continuous media from the origin servers to the proxy server as a bottleneck link offixed capacity (bit/sec).The proxy is connected to the clients via a local access network.The local access network could be a LAN running over Ethernet,or a residential access network us-ing xDSL or HFC technologies.For the purpose of this study we assume that there is abundant bandwidth for con-tinuous media streaming from the proxy to the clients.We model the proxy server as having a storage capacity of (bytes).We assume that the proxy storage has infinite stor-age bandwidth(for reading from storage).We note that the proxy storage is typically a disk array with limited storage bandwidth due to the limited disk bandwidths and seek and rotational overheads.Our focus in this study,however,is on gaining a fundamental understanding of the impact of the two basic streaming resources(bottleneck bandwidth and cache space)on the proxy performance.We refer the interested reader to[4–6]for a detailed discussion of the disk array limitations as well as discussions on replica-tion and striping techniques to mitigate these limitations. We consider a caching scenario where the cache con-tents are updated periodically,say every few hours,daily, or weekly.The periodic cache updates are based on es-timates of the request pattern of the proxy’s client com-munity.A service provider may estimate the request pat-tern from observations over the last couple of days or weeks.Suppose that the requests for video streams arrive according to a Poisson process with rate(requests/sec). Let denote the popularity of the–quality stream of object,that is,is the probability that a re-quest is for the–quality stream of object.These pop-ularities could be estimated from the observed requests using an exponential weighted moving average.As a proper probability mass distribution the’s satisfy.Also,note that the arrival rate of requests for the–quality stream of object is given by.Our focus in this study is on caching strategies that cache complete layers of video objects in the proxy.Our goal is to cache object layers so as to maximize the rev-enue accrued from the streaming service.When updating the cache our heuristics give layers of very popular objects priority over layers of moderately popular objects.More-over,lower quality layers are given priority over higher quality layers(as these require the lower quality layers for decoding at the clients).To keep track of the cached object layers we introduce a vector of cache indicators,withfor.The indicator is set to if layers1through of object are cached.Note that indicates that no layer of object is cached.With the cache indicator notation the cache space occupied by the cached object layers is given by(1)C.Stream DeliveryThe client directs its request for a–quality stream of a video object to its proxy server(for instance by us-ing the Real Time Streaming Protocol(RTSP)[7]).If all the requested layers are cached in the proxy(),the requested layers are streamed from the proxy over the lo-cal access network to the client.If layers are missing in the proxy(),the appropriate origin server attempts to establish a connection for the streaming of the missing layers at rate over the bot-tleneck link to the client.If there is sufficient bandwidth available,the connection is established and the stream oc-cupies the link bandwidth over the life-time of the stream.(The layers are streamedfrom the proxy directly to the client.)We assume that theclient watches the entire stream without interruptions,thusthe bandwidth is occupied for sec-onds.In the case there is not sufficient bandwidth availableon the bottleneck link,we consider the request as blocked.(In Section IV we study a refined model where clients maysettle for a lower quality stream in case their original re-quest is blocked.)Formally,let denote the blocking probability of the request for a–quality stream of object,given the cache configuration.Clearly,there is no blocking when all requested layers are cached,that is,for .If the request requires the streaming of layers over the bottleneck link(),blocking occurs with a non–zero probability.We calculate the block-ing probabilities using results from the analy-sis of multiservice loss models[8].An overview of the relevant loss modeling is provided in the Appendix.In summary,we model the bottleneck link as a stochastic knapsack of capacity.Requests for–quality streams ()of object are modeled as a distinct class of requests,thus there is a total of distinct classes of requests.The load offered by requests for–quality streams of object is.The blocking probabilities for the request classes can be calculated using the recursive Kaufman–Roberts algo-rithm[8,p.23]with a time complexity of.The expected blocking probability of a client’s request is given byThe service provider should strive to keep the expected blocking probability acceptably small,say,less than5%. The throughput of requests for–quality streams of object ,that is,the long run rate at which these requests are granted and serviced is.The long run rate of revenue accrued from the serviced–quality streams of object is the revenue per served request, ,multiplied by the throughput.Thus,the long run total rate of revenue of the streaming service is(2)Our goal is to cache object layers so as to maximize the total revenue rate.III.O PTIMAL C ACHINGIn this section we study optimal caching strategies.Sup-pose that the stream popularities()and the streamcharacteristics(layer rates and lengths)are given.The question we address is how to best utilize the streaming resources—bottleneck bandwidth and cache space—in order to maximize the revenue.Our focus in this study is on optimal caching strategies,that is,we focus on the question:which objects and which layers thereof should be cached in order to maximize the revenue?For-mally,we study the optimization problem sub-ject to.Throughout this study we assume the complete sharing admission policy for the bottleneck link, that is,a connection is always admitted when there is suf-ficient bandwidth.We note that complete sharing is not necessarily the optimal admission policy.In fact,the op-timal admission policy may block a request(even when there is sufficient bandwidth)to save bandwidth for more profitable requests arriving later.We refer the interested reader to[8,Ch.4]for a detailed discussion on optimal admission policies.Our focus in this study is on the im-pact of the caching policy on the revenue;we assume com-plete sharing as a baseline admission policy that is simple to describe and administer.The maximization of the long run revenue rateover all possible caching strategies(i.e.,cache configu-rations)is a difficult stochastic optimization problem, that—to the best of our knowledge—is analytically in-tractable.To illustrate the problem consider a scenario where all video layers have the same rate and length, i.e.,and for all,and all.In this scenario all object layers have the size.Thus,we can cache up to object layers (which we assume to be an integer for simplicity).Sup-pose that during the observation period used to estimate the stream popularities,the proxy has recorded requests for distinct objects from its client community.Thus, there are a total of object layers to choose from when filling the cache(with“hot”new releases there might even be more objects to consider).Typically,the cache can ac-commodate only a small subset of the available object lay-ers,i.e.,.For an exhaustive search there are possibilities tofill the cache completely;a prohibitively large search space even for small. Recall that with layered encoded video a particular en-hancement layer can only be decoded if all lower quality layers are available.Therefore,a reasonable restriction of the search space is to consider a particular enhancement layer for caching only if all lower quality layers of the corresponding object are cached.Even the“reasonable”search space,however,is prohibitively large for moderate ;with=50,=2,=20,for instance,there are possibilities tofill the cache completely.TABLE IU TILITY DEFINITIONS.Popularity utilityRevenue utilityRevenue density utilityBecause the maximization problem subject to is analytically intractable and exhaustive searches over are prohibitive for realistic problems,we propose heuristics forfinding the optimal cache composi-tion.A.Utility HeuristicsThe basic idea of our utility heuristics is to assign each of the object layers a cache utility.The object layers are then cached in decreasing order of utility,that is,first we cache the object layer with the highest utility,then the object layer with the next highest utility,and so on.If at some point(as the cachefills up)the object layer with the next highest utility does notfit into the remaining cache space, we skip this object layer and try to cache the object layer with the next highest utility.Once a layer of an object has been skipped,all other layers of this object are ignored as we continue“packing”the cache.We propose a number of definitions of the utility of an object layer;see Table I for an overview.The popularity utility is based exclusively on the stream popularities;it is defined by.This definition is based on the decod-ing constraint of layered encoded video,that is,an object layer is required(i.e.,has utility)for providing–quality streams(consisting of layers1through),–quality streams,,and–quality streams.Note that is the probability that a request involves the streaming of layer of object.Also,note that by definitionfor.This,in conjunction with our pack-ing strategy ensures that a particular enhancement layer is cached only if all corresponding lower quality layers are cached.B.Evaluation of HeuristicsIn this section we present some numerical results from both analytical and simulation experiments to evaluate var-ious aspects of the heuristics algorithms.The analytical experiments based on exhaustive optimal search are car-ried out to evaluate the proximity of the solution provided by the heuristics algorithm to the actual optimal solution.The simulation experiments,on the other hand,are carried out to verify the correctness of blocking probability calcu-lation used by the heuristics algorithm.We assume that there are1000different movies,each encoded into two layers.The characteristics of each movie are defined by the rate for each layer and its length.The rate for each layer is drawn randomly from a uniform dis-tribution between0.1and3Mbps,while the length of the movie is drawn from an exponential distribution with an average length of1hour.In the simulation experiments client requests arrive ac-cording to a Poisson process.The average request arrival rate is142Erlangs.The client can request either a base layer only or a complete movie.The request type and the movie requested are drawn randomly from a Zipf distribu-tion with a parameter of.The revenue for each movie layer is uniformly distributed between1to10. The results of interest will be the revenue per hour and the blocking probabilities.To obtain the results with99% confidence intervals,we run the experiments with different random seeds and we require a minimum of10000runs before calculating the confidence intervals.In each run we randomly assign the popularities of movies from the Zipf distribution,the rates and the lengths of the movie layers.The results are calculated as the average value of the revenue per hour from all the runs until the confidence intervals are reached.Wefirst tested the performance of our heuristics in small problems in order to be able to compare the heuristic against the“reasonable”exhaustive search.For the small problems we set with each movie having two layers.We varied the link bandwidth between3and 15Mbit/s and the cache capacity between3and7Gbytes. The cache could therefore store on the average between 3.5and7.6layers out of the total20layers,or between 23.1and41.7%of the total movie data.The results of the small problems are shown in Table II. In Table II we show the average error obtained with each heuristic compared to the“reasonable”exhaustive search for four different cache configurations.The Small Link and Large Link refer to link capacities of3Mbit/s and 15Mbit/s,respectively,and Small Cache and Large Cache refer to3Gbyte and7Gbyte caches,respectively.As we can see,our heuristics achieve performance very close to the optimum in most cases.Only when both the link and the cache are small is there any marked difference in performance.This is largely due to the small link ca-pacity,only3Mbit/s,which allows us to stream only one movie on the average.As both the link and cache grow in size,we can achieve the same performance as the optimal caching strategy.Fig.2.Revenue as function of link capacity for3different cache sizesTo test the performance of our heuristics in real-worldsize problems,we ran the heuristics for1000movies.Wevaried the cache size between12and560Gbytes.Thecache could therefore hold on the average between13.9and625layers,or between0.9and41.7%of the totalmovie data.Given the average length of a movie,the average rate of a movie,and the client requestrate,we would need on the average Mbit/s of bandwidth to stream all the requested movies.We variedthe link capacity between10and150Mbit/s,or between1and15%of the total bandwidth required.Because running the exhaustive search was not feasiblefor problems this large,we approximated the best possibleperformance by calculating the revenue when the block-ing probability was zero.This means that all client re-quests are always satisfied and it provides us with an up-per limit on the achievable revenue.In reality,this upperlimit is not reachable unless the link and cache capacitiesare sufficiently large to ensure that no client requests areever blocked.In our tests the smallest observed blockingprobabilities were around0.005%.In Fig.2we show the revenue relative to the no block-ing case obtained with3different cache sizes as a func-tion of the link capacity.We can see that the revenue den-sity heuristic performs the best overall and that the per-formance difference is biggest when the link capacity issmaller.As the link capacity increases,the performancedifference disappears.We also see that the popularityheuristic has the worst overall performance.In Fig.3we show the revenue obtained with2differ-ent link capacities as a function of the cache size.Herethe difference between revenue density heuristic and theothers is clearer.For example,with a1%link and a20%cache(10Mbit/s link and a cache of250Gbytes in ourcase),revenue density heuristic achieves87%of the up-per limit while the revenue heuristic achieves only79%.Again,as in Fig.2,when we have enough link and cachecapacity,the difference between the heuristics disappears.TABLE IIA VERAGE ERROR OF HEURISTICS IN SMALL PROBLEMSSmall Link Large LinkUtility heuristic Large Cache Large Cache1.6%0.006%Revenue0.4%0%0.3%0.1%Fig.7.Effect of client request rate on revenuemuch less effect on the revenue than the Zipf-parameter. In some cases,it is possible to counter the changes in re-quest rate by increasing the link capacity or cache size.For example,if the request rate goes from Low to Medium,in-creasing the link capacity from6%to10%(60Mbit/s to 100Mbit/s in this case)keeps the revenue the same.In conclusion,all three of our heuristics perform well under many different link and cache size combinations. The revenue density heuristic achieves the best perfor-mance under constrained conditions.IV.N EGOTIATION ABOUT S TREAM Q UALITYIn this section we study a negotiation scheme where in case the client’s original request is blocked,the service provider tries to offer a lower quality stream of the re-quested object.The client may then settle for this lower quality stream.The question we address is:how much additional revenue is incurred with this“negotiation.”As we shall demonstrate,this intuitively quite appealing ap-proach adds very little to the revenue in most situations. For simplicity we focus in this section on video objects that are encoded into=2layers:a base layer and one enhancement layer.(Our arguments extend to the case of more encoding layers in a straightforward manner.)Sup-pose that a client requests a2–quality stream(consisting of base layer and enhancement layer)of object.Suppose that the cache configuration is given by.Clearly,theoriginal request can only be blocked if not all requestedlayers are cached,that is,if.If the client’s original request for a2–quality stream of object is blocked theservice provider tries to offer a1–quality(i.e.,base layer)stream of the object.The service provider is able to makethis offer if the base layer stream is not blocked.Note that the negotiations increase the arrival rates of re-quests for base layer streams.This is because the blocked2–quality stream requests“reappear”as base layer streamrequests.With negotiations the arrival rates of base layerstream requests depend on the blocking probabilities of2–quality stream requests,that is,the system becomes a gen-eralized stochastic knapsack[8,Ch.3].Calculating theblocking probabilities of the generalized stochastic knap-sack,however,is quite unwieldy.Therefore we approx-imate the blocking probabilities of the streaming systemwith negotiations.In typical streaming systems the block-ing probabilities are small,typically less than5%.Theincrease in the arrival rates of base layer stream requestsis therefore relatively small.We approximate the blockingprobabilities of the system with negotiations by the block-ing probabilities of the system without negotiations.Theprobability that the client’s original request for a2–qualitystream of object is blocked is approximately. The probability that the corresponding base layer stream is not blocked is approximately.Suppose that the client accepts the quality degradation with prob-ability.If the client does not accept the offer the negotiation terminates.Thus,given that the negotia-tion is entered,it ends in a success(i.e.,service provider and client settle for a base layer stream)with probability.The long run rate(successful negotiations per hour)at which negotiations settle for a base layer stream of object is.Suppose that each successful nego-tiation resulting in the delivery of a base layer stream of object incurs a revenue of(which may be different from as the service provider may offer the base layer at a discount in the negotiation).Thus,the long run total rate of revenue incurred from successful ne-gotiations isThe long run total rate of revenue of the streaming ser-vice with negotiations is,where,the revenue rate incurred from servingfirst–choice requests,is given by(2).0.020.040.060.080.10.120.14Fig.8.Increased revenue from renegotiationA.Numerical ResultsWe experimented with adding the renegotiation revenue to our tests.We first tested the quality of the approxima-tion used in calculating the blocking probability of the sys-tem with renegotiation against the simulationresults.We varied the link capacities between 10to 120Mbps.Our results show a close approximation of the analysis to the simulation results with an average error of 0.4–0.5%for 12Gbyte cache and 0.7–1.1%for 560Gbyte cache.Fig.8shows how much extra revenue renegotiation could bring relative to the baseline revenue .The rev-enue in Fig.8is based on the assumption that the client will always accept the lower quality version if one is avail-able,i.e.,for .We also as-sumed that for ,i.e.,the revenue from the renegotiated stream is the same as if the client had requested the lower quality stream in the first place.These two assumptions give us the maximum possible gain from renegotiation.As we can see from Fig.8,the largest gains from rene-gotiation are achieved when the cache size is extremely small,only 1–2%of the total amount of data.The rene-gotiation gains are almost insensitive to link capacity with the exception of very small link capacities where the gains are slightly smaller.The maximum gain we observed is around 20%and the gain drops sharply as the cache size increases.The maximum gain would decrease as the clientacceptance probabilitydecreases.Also,if the cache size and link capacity are large,the potential gain from renegotiation is typically well below 1%.We can there-fore conclude that renegotiation,although intuitively ap-pealing,does not provide any significant increase in rev-enue in most situations.This is because renegotiation is only applicable to blocked requests and one of the goals of a cache operator would be to keep the expected blocking probability as low as possible.Fig.9.Increased revenue from queueing requests for buffer sizeof 100V.Q UEUEINGOFR EQUESTSIn this section we study a request queueing scheme where in case the client’s request is blocked,the service provider queues the request.With the queueing strategies,we expect that the queued requests make use of the re-sources released by currently served requests.This has the potential of increasing the resource utilization and thus,bringing additional revenue.The question is how much additional revenue does it bring.We use simulation experiments to answer this question.To align the experiments with the real-world practice,we assume that a client will cancel its request after waiting for some time,referred to as the request timeout period .We model the timeout period using an exponential distribution with an average of 5minutes.We assume that the queue is of a finite size.An in-coming request finding a full buffer will be blocked.We consider three different strategies for ordering the requests in the queue,i.e.,based on the order of request arrivals ,their required resources and the potential revenues .Fig.9shows how much extra revenue queueing of re-quests could bring relative to the baseline revenue.As we can see from the figure,the gain from introducing the queue is very small.The gain is not affected by the cache size.The gain generally increases with the link ca-pacity.With the limited bandwidth of the bottleneck link,which causes request blocking in the first place,the serving of one request from the queue will mean the blocking of an-other incoming request.This results in a near zero gain in the number of requests served.A possible gain can be achieved by changing the request service strategies,for example by serving the request according to the potential revenue that it brings.。