CN107509120A - 一种基于缓冲区下溢概率估计的流媒体自适应传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法，应用于视频数据传输，其采用步骤：记录当前网络状态的变化，缓冲区下溢概率计算，概率反馈，码率自适应，当下溢概率低于设定最小值升高视频码率，反之当下溢概率高于设定的最大值降低视频码率；该方案克服了无线网络环境中，流媒体播放容易中断、画面抖动的缺点，提高用户体验质量；视频码率能够跟踪带宽的变化，提高了流媒体的自适应能力；本方法以下溢概率为评价指标，可以有效克服信道的随机性和时变性。
Description
技术领域
本发明涉及一种视频数据传输技术，尤其涉及一种基于缓冲区下溢概率估计的流媒体自适应传输方法。
背景技术
流媒体技术作为处理在线视频播放的有效手段，增强了用户的交互性，被广泛应用于IPTV、在线播放、视频直播、视频会议、远程教育、远程医疗、新闻出版、电子商务等网络信息服务的方方面面。近年来，无线接入技术的不断革新，如WIMAX、LTE(长期演进，即3.9G无线通信标准)、4G等新技术的应用，带来通信带宽的增长，也促进了移动视频服务的发展。但是，不同于有线网络的相对稳定，无线网络容易受到用户移动、信号衰减、噪声干扰、随机丢包等因素的影响，带宽具有随机性和时变性的特点。从而，无法保证视频播放的流畅性，影响用户的体验质量。为克服该问题，可伸缩视频编码技术和视频码率自适应技术得到广泛应用。
可伸缩视频编码(Scalable Video Coding，SVC)是一种能对视频流从空间、时间、质量上进行分层编码的技术。可伸缩编码技术已经被H.264/AVC视频编解码标准的扩展版本所纳入，被称为H.264-SVC标准。它规定了设备如何对多层视频码流进行编码和解码。经过可伸缩编码后的视频流包含一个基本层和多个增强层。基本层数据量较小，带宽要求低，并且可以独立解码，能够提供勉强可接受的观看质量。随着增强层数量的增加，带宽要求逐渐提高，视频质量逐级提升。可伸缩编码技术可以从分辨率、帧速率、图像质量三个维度实现视频质量的分层。相比于传统的固定码率的视频编码方式，可伸缩视频编码技术提供了一种更加灵活的编码方案，增强了流媒体的自适应能力。
码率自适应技术是指在流媒体传输过程中，发送端能够根据信道的状态自适应调节视频码率。当信道受限或信道条件不好时，传输带宽不足，为了避免播放的中断，降低传输视频的层数。反之，随着信道条件的变好，带宽提升，增加传输视频的层数，从而获得更高的视频质量。问题的关键是要指导新到的变化。然而，实际应用中，信道的未来变化特性是未知的。现有的码率自适应算法大致可以分为两种：启发式算法和基于模型的信道预测算法。前者考虑根据历史状态(如接收缓存、吞吐量、端到端延时、丢包率等)的变化预测信道的变化，从而指导视频码率的动态调整。该方法对信道的变化不敏感，容易造成播放画面的中断和抖动。后者假设信道变化符合特定模型(如瑞利信道模型)，通过模型和历史变化预测信道未来的变化。由于信道的随机性，该方法的假设模型对于实际信道来说并不适用。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是，提供一种基于缓冲区下溢概率估计的流媒体自适应传输方法，其针对现有流媒体自适应技术中存在的问题，如流媒体播放过程中，信道随机变化引起的视频播放中断、画面抖动、视频质量差等，提出基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法，以提高流媒体的自适应能力，增强用户体验质量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法，本发明采用的步骤具体如下：
步骤一、记录当前网络状态的变化：播放端记录当前缓冲区队列的长度及其变化量，并将结果作为输入；
步骤二、缓冲区下溢概率计算：利用大偏差原理，计算未来的缓冲区下溢概率；
步骤三、概率反馈：接收端将下溢概率反馈给流媒体发送端；
步骤四、码率自适应：发送端根据当前的下溢概率，调节视频码率；
步骤五、当下溢概率低于设定最小值，升高视频码率；反之，当下溢概率高于设定的最大值，降低视频码率。
前面所述的大偏差原理即：作为概率论的极限理论中的一个重要分支，大偏差(large deviations)原理用以处理与中心极限定理不同的另一类极限问题，是大数定理的精密化。当随机序列与其极限的偏离域的概率测度以某种速率趋近于零时，大偏差原理给出了小概率事件的指数型概率估计。在本交底书中，播放下溢是小概率事件，通过大偏差原理可以预测播放中断的概率。
本发明实际是应用于无线环境中的可伸缩编码视频的传输系统。
由于系统采用可伸缩编码技术，视频码率每次调整一层。
所述步骤一中，首先将视频的播放过程根据帧播放间隔划分成相等的时隙，以帧率是30帧/秒的视频为例，帧间隔是1/30秒。记录当前时刻t，到达的视频帧数At，当前队列长度为Qt。显然，当播放缓存不为空时，每个时隙解码播放一个视频帧。队列的变化量为It＝At-1。
所述步骤二中，缓冲区下溢即播放中断。根据视频编码器的帧间预测结构，视频帧的成功解码依赖于参考帧数据的完整性。因此，为保证视频播放不中断，接收缓存存在一个最小值Ql。当(Qt＜Ql)时，虽然缓存不为空，视频帧无法解码，缓冲区下溢，播放中断。因此，缓冲区下溢概率可以定义为P(Qt＜Ql)。下溢概率越大，说明如果保持当前视频码率不变，未来播放中断的可能性也越大。此时，应该减小视频码率。相反地，下溢概率越小，说明未来播放中断可能性越小。应该增加视频码率以期获得更好的视频质量。因此，可以使用下溢概率来决策视频码率的调整。
下溢概率计算过程如下：
a)计算未来n个时间后，播放队列长度为：
b)(t+n)时刻，下溢概率为：
c)利用大偏差原理可以计算出:
其中，假定帧到达过程为泊松过程，
其中，λ是平均到达的帧数：
所述步骤三中，视频接收端通过RTCP协议将下溢概率反馈给发送端。
所述步骤4中，视频码率的自适应调节过程如下：
a)Qt＜Ql此时，由于当前缓冲数据不足，视频播放中断。为了尽快恢复视频播放，应当降低当前视频的码率:
b)Qt≥Ql但虽然当前缓冲的视频帧数高于阈值Ql，视频播放并没有中断。但是，由于队列平均变化量超出了可接受的范围α，如果播放缓存队列按照当前的速度保持下降，未来n个时隙后，视频播放中断。因此，应当降低当前视频码率，以缓存更多的视频帧，避免将来可能的播放中断。
c)Qt≥Ql但此种情况下，视频播放并没有中断。同时，队列的平均变化量也在可接受的范围内。然而，这并不能保证未来n个时隙后视频播放不中断。引入的下溢概率正好衡量了未来n个时隙播放中断的可能性。当计算出来的下溢概率大于设定的最大值，说明播放中断风险高，应降低当前视频码率。反之，当其小于设定的最小值，说明未来播放中断风险很低，应增加视频码率，以提高视频质量。否则，保持视频层数不变。
本发明一种基于缓冲区下溢概率估计的流媒体自适应传输方法可用在流媒体传输、视频压缩、自适应播放等领域；特别适合无线网络环境中，使用可伸缩编码方式压缩的视频信号的传输。
本发明的有益效果是：一种基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法，本发明采用的步骤：记录当前网络状态的变化，缓冲区下溢概率计算，概率反馈，码率自适应，当下溢概率低于设定最小值升高视频码率，反之当下溢概率高于设定的最大值降低视频码率；该方案克服了无线网络环境中，流媒体播放容易中断、画面抖动的缺点，提高用户体验质量；视频码率能够跟踪带宽的变化，提高了流媒体的自适应能力；本方法以下溢概率为评价指标，可以有效克服信道的随机性和时变性。
附图说明
图1为本发明一种实施例的应用系统的架构图；
图2为本发明一种实施例的应用系统的功能框图；
图3是本发明一种实施例的应用系统交互流程图；
图4是本发明一种实施例的码率自适应算法流程图；
图5是本发明一种实施例的测试结果—视频码率随网络带宽的变化图；
图6是本发明一种实施例的测试结果—视频码率随播放缓存的变化图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种基于缓冲区下溢概率的流媒体码率自适应方法，实施例一：其特征在于定义缓冲区下溢概率来预测信道变化对流媒体播放的影响，核心是采用大偏差原理估算缓冲区下溢概率，即播放中断的概率；所述方法包括以下步骤：
a)记录当前网络状态的变化：播放端记录当前缓冲区队列的长度及其变化量，并将结果作为输入。
b)缓冲区下溢概率计算：利用大偏差原理，计算未来的缓冲区下溢概率。
c)概率反馈：接收端将下溢概率反馈给流媒体发送端。
d)码率自适应：发送端根据当前的下溢概率，调节视频码率。当下溢概率低于设定最小值，升高视频码率；反之，当下溢概率高于设定的最大值，降低视频码率。
对于使用播放队列的长度和变化量，记录当前网络状态的变化，其特征在于综合考虑了当前的缓冲区状态、信道的变化、视频码率的波动三者对视频播放的影响。缓冲数据越多，播放发生中断的可能也就越小；信道质量越好，视频帧到达率也就越高；视频码率越高，视频帧到达率也就越低。
对于缓冲区下溢概率计算，其特征在于提出和定义缓冲区的下溢概率，即播放中断的概率，来衡量信道的变化对视频播放的影响。信道变化具有随机性，采用基于概率的方法能够更好刻画这种随机变化。
采用大偏差原理在线估计下溢概率。其计算过程如下：
a)计算未来n个时间后，播放队列长度为：
b)(t+n)时刻，下溢概率为：
c)利用大偏差原理可以计算出:
其中，假定帧到达过程为泊松过程，
其中，λ是平均到达的帧数：
对于概率反馈，其特征在于接收端将下溢概率作为反馈量，通过RTCP协议反馈给发送端。
对于码率自适应，其特征在于根据下溢概率的变化自适应的调整视频的码率，调节过程如下：
a)Qt＜Ql，此时，由于当前缓冲数据不足，视频播放中断，下溢概率为1。为了尽快恢复视频播放，应当降低当前视频的码率:
b)Qt≥Ql但虽然当前缓冲的视频帧数高于阈值Ql，视频播放并没有中断。但是，由于队列平均变化量超出了可接受的范围α，如果播放缓存队列按照当前的速度保持下降，未来n个时隙后，视频播放中断，下溢概率为1。因此，应当降低当前视频码率，以缓存更多的视频帧，避免将来可能的播放中断。
c)Qt≥Ql但此种情况下，视频播放并没有中断。同时，队列的平均变化量也在可接受的范围内。然而，这并不能保证未来n个时隙后视频播放不中断。引入的下溢概率正好衡量了未来n个时隙播放中断的可能性。当计算出来的下溢概率大于设定的最大值，说明播放中断风险高，应降低当前视频码率。反之，当其小于设定的最小值，说明未来播放中断风险很低，应增加视频码率，以提高视频质量。否则，保持视频码率不变。
为避免码率变化引起视频画面的抖动，从而影响用户体验，本发明采用逐级调节的方式调整视频码率，即对于可伸缩编码的视频，每次增加或减少一个增强层。
具体实施时，请参考图1至图6，本发明的流媒体码率自适应传输方法流程(图4所示)，下面结合附图和实例对本发明做进一步说明：
1、无线网络中的流媒体应用系统部署(如附图1所示)。典型的系统按功能划分为四个部分，如图2所示：视频服务器、流化服务器、移动基站、移动终端。这是一个典型的服务器-客户端的架构。视频数据经过编码后存在内容服务器中，流化服务器根据用户的请求将相应的视频数据流化后发送给客户端。其中，从视频服务器到基站的数据传输是基于有线连接的，带宽稳定。由于无线信道的不稳定，网络的瓶颈通常位于基站与终端的无线链路。
2、应用系统交互过程如图3所示，具体步骤如下：
a.视频播放终端发送视频请求，服务器收到请求后在响应消息中发送一个XML文件。该文件描述了视频的具体信息包含：视频的层数、每个质量层的码率、每个质量层的URL、视频分辨率等。
b.接收端分析该XML文件，在码率调整时，根据不同的URL请求相应的质量层。播放初始阶段时，由于没有任何先验知识，只传输基本层数据。播放过程中，接收端记录当前播放缓存的长度及其变化量，并将其作为下溢概率估计的输入参数。
c.接收端计算当前的下溢概率，并将其反馈给服务端；
d.服务端将下溢概率与设定值进行比较，并动态调节视频码率，方法过程如图4所示。
3、测试场景的结果分析：测试时，采用符合H.264/SVC编码标准的参考软件JSVM对原始视频进行编码。视频帧率为30帧/秒。编码后视频包含一个基本层和2个增强层，其平均码率分别为：3.18,8.2,15.39Mbps。如图5所示，视频码率能够跟随信道带宽的变化，说明本发明可以提升流媒体服务的自适应能力。如图6所示，在信道带宽随机变化时，视频缓冲区没有为空，即视频没有中断，说明本发明能够有效保证视频的流畅性。
在视频传输过程中，由于设备移动、信号干扰等容易造成信道带宽的随机变化，从而影响视频播放的流畅性。本交底书提出的方法是通过播放缓存的变化预测信道的变化，从而动态调整传输视频的码率，以保证视频播放的流畅。本交底书的方案要求信道带宽至少高于SVC基本层码率(此时视频码率是最小的)。否则，当信号较弱或者信号未覆盖时，信道带宽不足以支撑视频的播放，此时任何码率自适应方案都不适合。
另外，本发明方法在应用层实现视频数据的自适应传输，移动设备信号的切换(3G、WIMAX、4G等)不会影响本方法的实施。本发明方法在应用层实现视频自适应传输，因而也适用于有线网络、WIFI等其他场景下的视频数据传输。
另有论文《基于HTTP的自适应视频传输算法论文》
(链接：http://www.doc88.com/p-9068929600078.html)该论文中全部公开本发明的类似方案。为实现视频码率的自适应，论文中采用的是动态自适应流媒体技术(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP，DASH)，而本交底书中采用的是可伸缩视频编码(Scalable Video Coding，SVC)。
DASH需要对同一视频内容存储多个副本(码率不同)，相比之下SVC只需存储一份视频文件，有效节省了存储空间。考量视频传输自适应能力的最重要的指标是当信道发生变化时，视频码率切换所消耗的时间。传统的DASH方案，视频码率切换需要2至10秒，相较而言，本交底书的方案可以做到视频帧级别的切换(0.1至1秒)，大大提高了视频传输的自适应能力。有线场景下，信道稳定，带宽变化在几十毫秒级，传统的DASH方案可以胜任。但是，在无线移动场景下，信道变化在毫秒级。因而，本交底书的方案尤其适用于无线场景。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，方法步骤为：
步骤一、记录当前网络状态的变化：播放端记录当前缓冲区队列的长度及其变化量，并将结果作为输入；
步骤二、缓冲区下溢概率计算：利用大偏差原理，计算未来的缓冲区下溢概率；
步骤三、概率反馈：接收端将下溢概率反馈给流媒体发送端；
步骤四、码率自适应：发送端根据当前的下溢概率，调节视频码率；
步骤五、当下溢概率低于设定最小值，升高视频码率；反之，当下溢概率高于设定的最大值，降低视频码率。
2.如权利要求1所述的基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，该方法用于无线环境中的可伸缩编码视频的传输系统。
3.如权利要求1所述的基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，该方法系统采用可伸缩编码技术，视频码率每次调整一层。
4.如权利要求1所述的基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，所述步骤一中，首先将视频的播放过程根据帧播放间隔划分成相等的时隙，以帧率是30帧/秒的视频为例，帧间隔是1/30秒；记录当前时刻t，到达的视频帧数At，当前队列长度为Qt，当播放缓存不为空时，每个时隙解码播放一个视频帧；队列的变化量为It＝At-1。
5.如权利要求1所述的基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，所述步骤二中，缓冲区下溢即播放中断,根据视频编码器的帧间预测结构，视频帧的成功解码依赖于参考帧数据的完整性；为保证视频播放不中断，接收缓存存在一个最小值Ql；当(Qt＜Ql)时，虽然缓存不为空，视频帧无法解码，缓冲区下溢，播放中断；缓冲区下溢概率可以定义为P(Qt＜Ql)；下溢概率越大，说明如果保持当前视频码率不变，未来播放中断的可能性也越大；此时，应该减小视频码率；相反地，下溢概率越小，说明未来播放中断可能性越小；应该增加视频码率以期获得更好的视频质量；可以使用下溢概率来决策视频码率的调整。
6.如权利要求5所述的基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，所述下溢概率计算过程如下：
a)计算未来n个时间后，播放队列长度为：
b)(t+n)时刻，下溢概率为：
c)利用大偏差原理可以计算出:
其中，假定帧到达过程为泊松过程，
其中，λ是平均到达的帧数：
7.如权利要求6所述的基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，所述步骤三中，视频接收端通过RTCP协议将下溢概率反馈给发送端。
8.如权利要求7所述的基于缓冲区下溢概率的码率自适应方法,其特征在于，所述步骤4中，所述视频码率的自适应调节过程如下：
a)Qt＜Ql此时，由于当前缓冲数据不足，视频播放中断；为了尽快恢复视频播放，应当降低当前视频的码率:
b)Qt≥Ql但虽然当前缓冲的视频帧数高于阈值Ql，视频播放并没有中断；但是，由于队列平均变化量超出了可接受的范围α，如果播放缓存队列按照当前的速度保持下降，未来n个时隙后，视频播放中断；因此，应当降低当前视频码率，以缓存更多的视频帧，避免将来可能的播放中断；
c)Qt≥Ql但此种情况下，视频播放并没有中断；同时，队列的平均变化量也在可接受的范围内；然而，这并不能保证未来n个时隙后视频播放不中断；引入的下溢概率正好衡量了未来n个时隙播放中断的可能性；当计算出来的下溢概率大于设定的最大值，说明播放中断风险高，应降低当前视频码率；反之，当其小于设定的最小值，说明未来播放中断风险很低，应增加视频码率，以提高视频质量；否则，保持视频层数不变。
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