CN109379632A - 一种动态自适应http流的码率渐进切换方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法及系统，包括宽带评估和码率切换两个部分，本发明更加严谨地评估了网络带宽，码率选择更合理，使视频的播放过程中很少出现卡顿现象，同时最大可能地利用带宽，使视频的平均码率较高，最优化视频质量；码率切换策略更全面，使码率切换次数尽可能少，并且发生切换时也控制切换动作尽量逐级切换，整个码率自适应过程更加具有稳定性和平滑性，这些均保证了用户观影过程中的高质量体验需求。

Description

一种动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法及系统
技术领域
本发明属于流媒体技术和DASH技术，属音视频应用领域，更具体的说，本发明涉及一种应用在动态自适应流媒体系统中的码率渐进切换方法及系统，通过将本发明算法部署在流媒体播放客户端，实现对视频播放进行自适应控制来保证用户具有更佳用户体验。
背景技术
近年来，随着移动互联网和智能手机技术的迅速发展，多媒体业务在整个互联网流量中占据越来越大的比重，视频流量已经成为互联网上主要网络流量。目前，由思科可视化网络指数预测报告指出，到2020年，视频流量将会占到所有消费者流量和内容传输网络流量的82％。
传统的流媒体传输技术以UDP作为传输协议，流媒体报文穿透防火墙的能力较差，穿越NAT(Network Address Transport)网络较为困难，并且采用特定的流媒体服务器需要额外的搭建成本。而基于HTTP的流媒体传输技术采用TCP协议，利用TCP的可靠性、数据包容易通过防火墙和NAT网络、系统部署配置简单等特点，更易于适用于复杂的互联网环境。因此近年来，TCP迅速取代了UDP成为了流媒体传输的标准。同时为了应对大量用户高QoE需求的挑战，基于HTTP的动态自适应流媒体技术(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP,DASH)作为有前途的解决方案之一，已经受到了视频服务提供商和学术研究的重视。
部署在客户端的自适应码率切换算法(Adaptive Bit-Rate Algorithm)作为DASH技术的研究热点，当下面临的最大挑战就是如何定义码率自适应逻辑来更好地满足用户QoE需求。其研究方向主要分为三大类：基于带宽的切换算法，基于缓存的切换算法以及基于带宽和缓存等混合因素的切换算法。考虑单一因素的切换算法可能在充分利用带宽和充分利用缓存两者之间选择一点具有高性能表现。而考虑混合因素的切换算法则重点在带宽利用和缓存利用之间取得更佳均衡的表现。
基于带宽的自适应算法有如Kesavan S及Jayakumar J提出的VLC算法，它采用当前已下载视频分片下载速度均值作为当前带宽的估算结果，以带宽估值为参考因素选择下一个分片的最佳码率。该算法通过用下载速度均值来预测带宽，在一定程度上平滑了带宽抖动的影响。但也因为采用均值估测，使得带宽的变化趋势较真实带宽具有滞后性。Zhi Li等提出的Panda算法则是通过“探测和适应”机制在客户端对TCP吞吐量进行预测，然后适应网络带宽来选择合适的分片码率。该算法显著提高了码率选择的稳定性，但在带宽状态持续良好或急剧恶化时，客户端缓存区会出现溢出。
基于缓存的自适应算法通过对当前缓存状态的持续监测，并依据不同缓存状态采取相应码率适应策略。Christopher Müller等将缓存容量分级，不同级别对应不同带宽预测系数，通过前一分片下载速度与当前缓存级别对应预测系数结合来决定下一分片的码率选择。K Spiteri等提出的BOLA算法则不需要任何网络带宽预测，仅通过当前缓存区大小状态来设置相关控制参数进行码率选择。这类方法虽然避免了带宽估计不准带来的风险，却也同时会因为缓存状态时刻跌宕变化而经常触发切换动作，而这样频繁的码率切换造成对用户QoE的影响。
基于带宽和缓存等混合因素的自适应算法是指在选择不同码率分片时，同时考虑带宽和缓存等因素的影响。S Lee等提出一种基于带宽和缓存的码率切换算法，其通过比较带宽估值和当前视频分片码率、缓存区剩余时长和下一分片预估下载时长两组判断条件来进行码率的上升或下调。该算法对带宽波动具有较高敏感度，能较好保持缓存处于正常状态，但当真实带宽频繁变化时该算法切换次数较多，可能无法保持高的用户QoE。陈立伟等通过设置缓存上溢阈值和缓存下溢阈值，调节视频码率使缓存状态处于均衡范围内；并依照带宽状况设置不同码率调节策略：保守方法单级别提升视频码率和利用logistics方程决定码率下调幅度。该算法能较好的平衡缓存状态和网络带宽之间的关系来选择合适的码率。同时，但是在网络状况阻塞加剧时，其码率下调幅度也会无法避免地急剧增大。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种渐进切换的码率自适应切换方法及系统，其综合考虑网络带宽和客户端缓存两种因素，通过动态调控码率进行渐进式上升/下降，实现码率平滑切换以及缓存状态维持均衡。
本发明所采用的技术方案是通过权衡带宽状态和缓存状态两种因素来选择最合适的视频码率。发明主要分为带宽评估和码率切换两大模块：
带宽评估模块包含了三个步骤：
首先，实现初始带宽评估：分析下载好的当前视频分片之前的W块视频分片的下载速度来计算出初步带宽估值。并且为了使带宽估值更加严谨，本发明摒弃了传统取均值的方法，而是采用指数权值来给各个待分析视频分片赋予不同权值，越接近当前时间下载的视频分片其下载速度越接近当前带宽，本发明则赋予该分片较高权值，相反亦然。这种对带宽的评估方法使得初步带宽估值与真实带宽更加接近。
其次，衡量真实带宽波动程度对于带宽评估结果的影响并对估值进行矫正。在衡量真实带宽波动给带宽估值产生的影响时，本发明分析了上述W块视频分片下载速度的波动情况，设置一种数学方法来算出当前的带宽波动系数；接着使用波动系数矫正初步带宽估值，使得带宽估值更接近于实时带宽可能会发生波动的真实情况。
再次，衡量缓存区状态对于带宽评估结果的影响并对估值进行矫正。缓存状态也是对视频播放具有重大影响的因素，缓存区容量较少时视频发生卡顿的概率会增加，缓存区容量较多时则意味着网络条件较好。另外，当缓存饱和时，客户端播放器会停止下载新的视频分片，直到有足够的缓存空间才会重新开始下载。当缓存区饱和的时候，算法不会对当前的带宽做出精确的评估。本发明衡量了缓存区容量对于带宽评估结果的影响。当缓存区容量较少时，为了避免卡顿并快速填充缓存区，本模块会适当减小带宽评估的结果；当缓存区容量较大时，会增大带宽评估的结果，以避免缓存区饱和，并提升视频的平均码率。其工作流程图如下图1。
码率切换模块通过设置动态缓存阈值，并将切换策略与缓存阈值建立相关关系，动态调控码率进行渐进式上升/下降，每一次切换都需要判断带宽和缓存是否均满足切换条件，使整个自适应切换过程更加慎重与平滑。
详细的切换策略分为如下三种：第一种策略是当缓存区容量比向上切换的阈值Bup大，同时带宽估算结果比当前播放质量高一梯度还高时，此时会选择比当前播放质量高一梯度的视频分片，以减少视频质量切换带来的突兀感。类似的，当缓存区容量比向下切换的阈值Bdown小，同时带宽估算结果低于当前视频播放质量时，会选择低于当前视频质量一个梯度的视频分片。另一种策略则比较激进，这种策略会直接选择最低码率的视频分片以保证视频可以流畅播放，尽量提升用户的观看体验。其工作流程图如下图2。
激进下降策略是指当算法判定此时真实带宽急剧下降，需要选择码率最低的视频分片以保证视频的流畅播放，或者当前缓存区剩余容量小于最小预设值时免视频卡顿中断，也需选择最低的视频分片以保证视频的流畅播放；
γt代表最终带宽估值；Rmin表示分片集中最低码率值；Rcur表示当前码率值，Rcur+1则表示比当前码率值高一级的码率，Rcur-1则表示比当前码率值低一级的码率；Bcur[i]代表下载第i个分片时缓存区的剩余容量大小，Bup代表码率向上切换的阈值，Bdown代表码率向下切换的动态阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)更加严谨地评估了网络带宽，码率选择更合理，使视频的播放过程中很少出现卡顿现象；(2)同时最大可能地利用带宽，使视频的平均码率较高，最优化视频质量；(3)码率切换策略更全面，使码率切换次数尽可能少，并且发生切换时也控制切换动作尽量逐级切换，整个码率自适应过程更加具有稳定性和平滑性。这些均保证了用户观影过程中的高质量体验需求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是带宽评估模块流程图；
图2是码率切换模块流程图；
图3是自适应流媒体系统框架图；
图4是动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法的流程图；
图5是码率选择工作逻辑图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图3，本申请先对本发明的应用平台和环境的搭建做简要介绍，具体的：
A、搭建好提供视频服务的流媒体服务器；
B、制备DASH视频源放置在流媒体服务器上；
C、根据DASH标准为源视频生成相应的描述文件(MPD)
D、在DASH客户端部署本发明提出的方法或系统。
参考图4，本发明分为两个主要工作模块，首先第一是进行带宽估值：
S1、分析下载好的当前视频分片之前的W块视频分片的下载速度来计算出初步带宽估值，该W块视频分片为最靠近当前视频分片的W块视频分片；其中，在计算初步带宽估值μs时，给各个待分析视频分片赋予不同权值，越接近当前时间下载的视频分片被赋予更高权值。
具体的，假设k是当前视频分片的上一视频分片的索引，视频分片k的下载速率对应的权值为ω，则视频分片i的下载速率对应的权值ωi为ω(1-ω)k-i，k-W＜i＜k；之后再对所述W块视频分片的权值进行标准化，标准化公式为ωi＝(ω(1-ω)k-i)/(1-(1-ω)W)，最终得到初步带宽估值为其中bk-i代表第k-i个视频分片的下载速度。
S2、根据所述W个视频分片下载速度的波动情况计算得到带宽矫正因子ρv。
具体的，先计算所述W个视频分片下载速率的标准差然后计算出真实带宽的波动系数再按照下述公式计算出ρv＝ρv +(1-ρv )(1-min(θ,1))2；其中bk-i代表第k-i个视频分片的下载速度，ρv 和代表了ρv的下界。
S3、根据当前视频分片下载结束时客户端的缓存利用情况计算得到缓存矫正因子ρb；
具体的，根据公式计算得到缓存矫正因子ρb；其中，ρb 和代表了ρb的下界和上界，Bk代表接收视频分片k之前缓存区的容量，Bm代表缓存区的默认最大容量。
S4、根据公式γt＝μs*ρv*ρb计算得到最终带宽估值；μs为初步带宽估值；
第二，得到最终带宽估值之后则需要进行选择下载下一片视频的码率等级：
S5、依据最终带宽估值，判断最终带宽估值是否比当前下载视频分片的码率级别的下一级别还高，若是，则进入步骤S6，否则进行步骤S7；
S6、判断当前缓存状态是否高于缓存码率上调阈值，若是，则下一视频分片码率选择上调一级，并进入步骤S9，若不是，则下一视频分片码率保持不变来进行分片下载，并进入步骤S9；
S7、判断最终带宽估值是否小于当前下载视频分片的码率级别，若不是，下一视频分片码率选择保持不变来进行分片下载，并进入步骤S9；若是，则进步步骤S8；
S8、判断当前缓存状态是否低于缓存码率下调阈值，若不是，下一视频分片码率选择保持不变来进行分片下载，并进入步骤S9；若是，下一视频分片码率选择下调一级来进行分片下载，并进入步骤S9；
S9、当前视频分片的下一视频分片的码率选择结束，回至步骤S1，进行后续视频分片的码率选择结束直至所有的视频分片下载结束。
在本发明的另一实施例中，步骤S4与步骤S5之间还包括步骤：
S45、依据当前缓存状态是否符合激进下降策略，若是，下一视频分片直接选择最低码率级别进行下载，并进入步骤S9；若不是，进入步骤S5；其中，当相邻两个视频分片的网络带宽降低值大于预设值和/或当前的缓存小于设定的最小值时，触发进入激进下降策略。
上述流程的执行，可以参照图5。其中，γt代表最终带宽估值；Rmin表示分片集中最低码率值；MSD是单个媒体分片的播放时间，此处为2s；Bmin是缓存区长度的最低阈值。r是平衡参数，此处为6s；Rcur表示当前码率值，Rcur+1则表示比当前码率值高一级的码率，Rcur-1则表示比当前码率值低一级的码率；Bcur[i]代表下载第i个分片时缓存区的剩余容量大小，Bup代表码率向上切换的阈值，Bdown代表码率向下切换的动态阈值。
本发明还提供了一种动态自适应HTTP流的码率渐进切换系统，采用上述的动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法来进行动态自适应HTTP流的码率渐进切换。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1、分析下载好的当前视频分片之前的W块视频分片的下载速度来计算出初步带宽估值μs，该W块视频分片为最靠近当前视频分片的W块视频分片；其中，在计算初步带宽估值μs时，给各个待分析视频分片赋予不同权值，越接近当前时间下载的视频分片被赋予更高权值；
S2、根据所述W个视频分片下载速度的波动情况得到带宽矫正因子ρv；
S3、根据当前视频分片下载结束时客户端的缓存利用情况得到缓存矫正因子ρb；
S4、根据公式γt＝μs*ρv*ρb计算得到最终带宽估值γt；μs为初步带宽估值；
S5、依据最终带宽估值γt，判断最终带宽估值γt是否比当前下载视频分片的码率级别的下一级别还高，若是，则进入步骤S6，否则进行步骤S7；
S6、判断当前缓存状态是否高于缓存码率上调阈值，若是，则下一视频分片码率选择上调一级，并进入步骤S9，若不是，则下一视频分片码率保持不变来进行分片下载，并进入步骤S9；
S7、判断最终带宽估值γt是否小于当前下载视频分片的码率级别，若不是，下一视频分片码率选择保持不变来进行分片下载，并进入步骤S9；若是，则进步步骤S8；
S8、判断当前缓存状态是否低于缓存码率下调阈值，若不是，下一视频分片码率选择保持不变来进行分片下载，并进入步骤S9；若是，下一视频分片码率选择下调一级来进行分片下载，并进入步骤S9；
S9、当前视频分片的下一视频分片的码率选择结束，回至步骤S1，进行后续视频分片的码率选择结束直至所有的视频分片下载结束。
2.根据权利要求1所述的动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
假设k是当前视频分片的上一视频分片的索引，视频分片k的下载速率对应的权值为ω，则视频分片i的下载速率对应的权值ωi为ω(1-ω)k-i，k-W＜i＜k；之后再对所述W块视频分片的权值进行标准化，标准化公式为ωi＝(ω(1-ω)k-i)/(1-(1-ω)W)，最终得到初步带宽估值为其中bk-i代表第k-i个视频分片的下载速度。
3.根据权利要求1所述的动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
先计算所述W个视频分片下载速率的标准差然后计算出真实带宽的波动系数再按照下述公式计算出带宽矫正因子ρv＝ρv +(1-ρv )(1-min(θ,1))2；其中bk-i代表第k-i个视频分片的下载速度，ρv 和代表了ρv的下界。
4.根据权利要求1所述的动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
根据公式计算得到缓存矫正因子ρb；其中，ρb 和代表了ρb的下界和上界，Bk代表接收视频分片k之前缓存区的容量，Bm代表缓存区的默认最大容量。
5.根据权利要求1所述的动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法，其特征在于，步骤S4与步骤S5之间还包括步骤：
S45、依据当前缓存状态是否符合激进下降策略，若是，下一视频分片直接选择最低码率级别进行下载，并进入步骤S9；若不是，进入步骤S5；其中，当相邻两个视频分片的网络带宽降低值大于预设值和/或当前的缓存小于设定的最小值时，触发进入激进下降策略。
6.一种动态自适应HTTP流的码率渐进切换系统，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的动态自适应HTTP流的码率渐进切换方法来进行动态自适应HTTP流的码率渐进切换。
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