CN105357591A - 一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法，属于数字视频技术领域；该方法基于HAS直播系统，服务器持续不断监听客户端码率变化情况，当客户端码率发生变化时，降低切片△T时间长度，否则提高△T时间长度，并按照提高或降低后的切片时间长度通知切片工具进行切片，无论降低还是提高，最终切片的时间长度应该在[Min，Max]范围内，其中Min表示预设的最短时间，Max表示预设的最长时间。对比现有技术，本发明编码器和切片工具能够将直播流切分成可变时长的片段(VTS)，切片长度会作为波动的加载速率的反馈而改变，这样有效避免了因频繁的码率切换而造成的延迟卡顿，提高了用户对视频业务的体验质量(QoE)。

Description

一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法
技术领域
本发明属于数字视频技术领域，涉及一种视频QoE监控和优化方法，具体涉及一种在移动网络环境下自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法。
背景技术
随着智能手机和平板电脑成为移动设备的主力军，移动视频业务已经成为人们日常生活的一部分。移动视频业务量在2012年和2017间将会增长75％，这一速率是所有移动应用业务中最高的。
QualityofExperience，简称QoE，即体验质量，指的是用户对设备、网络和系统、应用或业务的质量和性能的主观感受。
HTTPAdaptiveStreaming简称HAS，即HTTP自适应码流传输技术。这种传输方式是以HTTP为基础的流媒体自适应传输方式。它的传输动作类似于流媒体，但是实际上基于HTTP协议渐序性下载。在这种传输方案中，音视频节目被编码切分成许多不同码率的小的数据片，实现持续的小数据的下载，而不是一个大文件的连续下载。HAS的传输特点是从同一个源产生多个不同码率的节目流以适应不同的带宽和不同的设备类型，自适应分发文件以及码流传输的变化都是适应有效网络吞吐量和可用的CPU资源。所有的操作对用户都是透明的，节目流的切换都在后台进行。
HAS技术已经成为一种广泛使用的互联网视频传输形式。不同的IT、软件以及互联网企业已经看到了未来互联网电视发展趋势，纷纷推出自己的解决方案，比如Apple公司的HTTPLiveStreaming(HLS)协议，Microsoft公司的MicrosoftSmoothStreaming(MSS)协议和Adobe公司的HTTPDynamicStreaming(HDS)协议。3GPP,MPEG,andOIPF(OpenIPTVForum)已经完成了一些标准化的工作，其中最著名的就是3GPP组织的基于HTTP协议传输动态自适应码流的技术。TDG的研究报告显示，到了2015年，HAS技术将会支持51％的网络视频。为了保证用户在移动设备上更好的视频观看体验，HAS逐渐成为许多视频网站和内容提供商所采用的主要解决办法。
Apple公司提出的HTTPLiveStreaming(HLS)也是一种基于HTTP的流媒体传输协议，可实现流媒体的直播和点播，可应用于iOS设备，安卓系统，PC平台。它的工作原理与其他HAS传输方案相似，在流媒体播放过程中，客户端根据当前网络带宽等资源状况的变化，从所产生的不同码率的切片文件选出合适的流媒体文件下载播放。如图1所示为HLS直播系统组成结构图，图2所示为该系统的信令交互图。该系统整体上由服务器端(Server)，分发部分(Distribution)和客户端(Client)三部分组成。服务器端主要完成视频编码和切片任务，由编码器(mediaencoder)和切片工具(streamsegmenter)等组成，分发部分事实上是一个web服务器(originwebserver)，客户端为最终用户观看直播所用到的终端设备。HLS方案具体工作流程如下：
1、编码器对采集的视频源(Audio/Videoinputs)进行H.264视频编码和AAC音频编码，视频和音频数据被封装为MPEG2-TS(MPEG-2transportstream)流输出；
2、切片工具对输入的视频流进行切片，将MPEG2-TS流切分成一定时长(一般为2秒到10秒)的分片文件(*.ts)并缓存，以及生成索引文件(indexfile)主m3u8文件和副m3u8文件，m3u8文件是HTTPLiveStreaming直播的索引文件，主m3u8文件包含所有可用码率的对应副m3u8文件列表：结构如下：
上述主m3u8文件包含了6种可用的码率。
副m3u8文件包含该码率下所有已产生切片文件的URL地址，副m3u8文件会随着新生成的ts切片文件而更新列表，其结构如下：
这些生成的文件会一并存入到web服务器中；
3、客户端发出直播请求，直接输入主m3u8文件的地址(HTTP)加载文件。
4、Web服务器接收到请求，向客户端发送主m3u8文件。
5、紧接着Web服务器向客户端发送一段低码率的视频切片文件，以保证在开始播放时缓冲时间尽可能短，使用户可以快速地启动观看直播。与此同时，客户端根据主m3u8文件内容中的信息与当前的网络状况来决定下次请求播放的片段的码率。
6、客户端加载合适码率的副m3u8文件并读取其中切片的URL，服务器接受请求将该副m3u8文件所包含的对应码率的ts切片发送至客户端，客户端播放。
7、在整个HLS直播过程中，切片工具所产生的新切片文件会不断存入到Web服务器中，副m3u8文件内容也会实时地更新。
8、重复6-7。
在Apple的HLS协议以及与其类似的其他HAS直播方案中，所有时间切片的时间长度都是相等且固定不变的。HLS直播系统本身要求在开始进行直播时，客户端缓存中要保证有两个切片文件。
一般情况下，当播放端在进行码率切换时会产生延迟。特别是当播放端加载速率剧烈变化时，码率的改变会十分频繁，客户端很可能会出现直播卡顿的现象，大大降低了用户体验。
我们考虑一种极端情况：假设当前客户端的网络带宽是500kbps，在客户端缓存中同样存有两个长度为5s，码率为500kbps的TS切片。这时客户端网络状况变差，带宽变为200kbps。然而此时正要下载的下一个TS切片的切片长度仍为5s，码率仍为500kbps，则此时的加载时间为500*5/200＝12.5s。而缓存中的两个切片时长一共只有10s(两个时长为5s的切片)，小于下载时长12.5s，此时将会出现卡顿现象，直播停滞。
发明内容
本发明的目的是针对现有基于HAS技术实现的存在的直播系统中因为播放端加载速率剧烈变化而导致的直播卡顿的问题，提出一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法。
本发明的思想是在现有基于HAS技术的直播系统中的直播服务器端加入一个QoE监控和优化模块(QoEmonitoringandoptimizingmodule,以下简称QMOM)，该模块通过监听HTTPGET(HTTPGET是一种HTTP请求方法，表示从指定的资源请求数据。通过这种请求方式，查询字符串(名称/值对)是在GET请求的URL中发送的)信息来监控视频QoE。这样，编码器和切片工具能够将直播流切分成可变时间长度的片段(VTS)。切片长度会作为波动的加载速率的反馈而改变。我们将这个模块添加进视频直播系统来避免频繁的码率变化而造成的直播卡顿。不同的视频码率和不同的切片长度使得直播系统能够最大限度地满足人们挑剔的视觉感受，提高用户对视频业务的体验质量(QoE)。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法，该方法基于HAS直播系统，服务器持续不断监听客户端码率变化情况，当客户端码率发生变化时，降低切片ΔT时间长度，否则提高ΔT时间长度，并按照提高或降低后的切片时间长度通知切片工具进行切片，无论降低还是提高，最终切片的时间长度应该在[Min，Max]范围内，其中Min表示预设的最短时间，Max表示预设的最长时间。
作为优选，所述服务器持续不断监听客户端码率变化情况通过客户端定期向服务器发送包含客户端当前码率信息的HTTPGET，服务器从HTTPGET中获取码率信息并与之前的码率相比较实现。
作为优选，所述定期为每当客户端播放下一个切片前。
作为优选，所述码率变化以连续2次与前次码率不同作为码率发生了变化的基准，以此来克服瞬时变化带来的频繁时间切片长度变更。
作为优选，所述通知采用消息(message)机制实现。
一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化模块(QMOM)，该模块包括直接相连的客户端请求单元和服务器端监控单元，客户端请求单元用于定期向服务器端监控单元汇报客户端当前码率，服务器端监控单元用于根据客户端请求单元发来的码率判断其网速是否产生变化，并根据网速是否变化来降低或提高切片长度，并通知切片工具按新的切片长度进行切片并缓存。
作为优选，所述定期为每当客户端播放下一个切片前。
作为优选，所述汇报客户端当前码率采用HTTPGET机制实现。
作为优选，所述网速是否产生变化以连续2次与前次码率不同作为网速发生了变化的基准。
作为优选，所述通知采用消息机制实现。
有意效果
本发明提出的自适应码率视频直播QoE监控和优化技术与已有技术相比较具有如下优点：
编码器和切片工具能够将直播流切分成可变时长的片段(VTS)，切片长度会作为波动的加载速率的反馈而改变，这样有效避免了因频繁的码率切换而造成的延迟卡顿，提高了用户对视频业务的体验质量(QoE)。
附图说明
图1为HLS协议方案流程图；
图2为HLS信令交互图；
图3为加入QMOM后新的HLS直播流程图；
图4为加入QMOM后新的HLS信令交互图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行详细说明。
如图3所示，为本发明提出的QMOM模块与现有基于HLS协议的HAS直播系统关系示意图，其定期从客户端获取码率变化状况的信息，本实施例是通过客户端发送的HTTPGET请求实现，即通过监听发来的HTTPGET读取其中的码率信息(ListenHTTPGETandMonitorQoEofHLS)，并根据码率的变化情况调整切片时长，本实施例通过向切片工具发送message实现，从而解决移动客户端因为频繁的码率切换而造成的延迟卡顿，提高了用户的观看体验。
如图4所示为现有基于HLS协议的HAS直播系统加入了本发明所述方法后的工作流程示意图，具体步骤如下：
步骤1：编码器对采集到的视频音频源进行H.264视频编码和AAC音频编码并进行多码率编码，最终将每种码率的码流封装为MPEG2-TS格式流，送到切片工具segmenter。
步骤2：切片工具segmenter对TS流进行切片，生成TS切片文件和m3u8索引文件，最初切片的长度为5s，然后把TS切片文件和m3u8文件存入缓存系统(这里使用的是Apache服务器)。
步骤3：客户端发出直播请求，在网页浏览器或视频播放器中输入主m3u8文件地址。
步骤4：服务器端接受请求，将主m3u8文件发送至客户端。
步骤5：服务器首先向客户端发送最低码率的切片，客户端接受并进行播放，同时客户端根据主m3u8文件中的信息选择下一次播放切片的码率。
步骤6：在直播过程中，客户端在每次播放下个片段前向服务器端处的QMOM发送一个包含有当前客户端码率信息的HTTPGET请求，QMOM会监听发来的HTTPGET读取其中的码率信息(ListenHTTPGETandMonitorQoEofHLS)，从而得知客户端视频播放码率的变化情况。
步骤7：QMOM通过客户端视频播放码率的变化情况来决定下一个切片的时长。为了克服瞬时变化带来的影响，本实施例将码率连续两次发生变化作为客户端码率变化的稳定情况进行切片时长调整，即如果视频的码率连续两次发生变化，那么QMOM就会决定将下次的切片长度减少1秒。相反，如果不是这样，切片长度将会增加1秒。QMOM会将这一消息(将切片时长增1秒还是减1秒的消息Message)发送至切片工具segmenter。
比如当前切片长度为5s，这时由于客户端网络状况的不稳定，连续三次请求播放的片段码率分别为300kps,500kps,800kps，即连续两次发生了码率变化，客户端通过HTTPGET的方法将这一情况发送给QMOM，QMOM接收到信息后进行判断决定将下次的切片长度减少1秒，并向segmenter发送这一信息，使得切片长度减少1s，变为4s。当网络状况稳定后，比如连续请求播放的码率变为800kbps,800kbps,800kbps,这时切片长度会增加1s，又变为5s。
步骤8：segmenter将新生成的切片文件存入缓存系统(Apache服务器)并更新副m3u8文件。
步骤9：客户端加载副m3u8文件并读取其中的切片的URL，服务器接受请求向客户端发送相应的合适长度合适码率的切片文件，客户端进行播放。
步骤10：重复步骤6至步骤9。
在整个直播过程中，由于客户端网络状况的变化，切片长度会不断的变化，但被限定在2秒至10秒之间。这样，当客户端加载速率平稳的时候切片长度就会变长，而当网络状况变动剧烈的时候切片长度就会变短。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法，基于HAS直播系统，其特征在于：服务器持续不断监听客户端码率变化情况，当客户端码率发生变化时，降低切片ΔT时间长度，否则提高ΔT时间长度，并按照提高或降低后的切片时间长度通知切片工具进行切片，无论降低还是提高，最终切片的时间长度应该在[Min，Max]范围内，其中Min表示预设的最短时间，Max表示预设的最长时间。
2.根据权利要求1所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法，其特征在于：所述服务器持续不断监听客户端码率变化情况通过客户端定期向服务器发送包含客户端当前码率信息的HTTPGET，服务器从HTTPGET中获取码率信息并与之前的码率相比较实现。
3.根据权利要求1所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法，其特征在于：所述定期为每当客户端播放下一个切片前。
4.根据权利要求1所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法，其特征在于：所述码率变化以连续2次与前次码率不同作为码率发生了变化的基准，以此来克服瞬时变化带来的频繁时间切片长度变更。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化方法，其特征在于：所述通知采用消息机制实现。
6.一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化模块，其特征在于：包括直接相连的客户端请求单元和服务器端监控单元，客户端请求单元用于定期向服务器端监控单元汇报客户端当前码率，服务器端监控单元用于根据客户端请求单元发来的码率判断其网速是否产生变化，并根据网速是否变化来降低或提高切片长度，并通知切片工具按新的切片长度进行切片并缓存。
7.根据权利要求6所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化模块，其特征在于：所述定期为每当客户端播放下一个切片前。
8.根据权利要求6所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化模块，其特征在于：所述汇报客户端当前码率采用HTTPGET机制实现。
9.根据权利要求6所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化模块，其特征在于：所述网速是否产生变化以连续2次与前次码率不同作为网速发生了变化的基准。
10.根据权利要求6-9任一所述的一种自适应码率视频直播的QoE监控和优化模块，其特征在于：所述通知采用消息机制实现。
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