CN110996038A - 一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法，包括如下步骤：1)使用非线性规划方法，计算每一对发送端和接收端的目标码率；2)通过缓存反馈调节在线更新目标码率，以消除建模和测量过程中的系统误差；3)基于QoE损失对目标码率进行聚类，得出最终的实际码率。在实际应用中，统计上下行链路带宽的历史数据，进行预测，并统计主播端的接收缓存，之后采用周期性的码率调节策略，等间隔调用所述自适应码率调节方法，输入新统计的数据，根据新的统计数据计算出新的码率作为编码参数输出给编码器，最终形成反馈闭环。本发明通过对多人互动直播场景下主播端的码率合理调节，统筹考虑各种约束条件，最大化主播的用户体验，完成实时的交互。

Description

一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法
技术领域
本发明属于流媒体技术领域，特别涉及一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法。
背景技术
目前多人视频会议系统以最小化服务提供商的成本和用户延迟为目标，关注转码服务器的选择问题，没有考虑多个用户之间不同的偏好和优先级问题。此外，传统视频会议的用户之间轮流发言，可容忍的延迟在400毫秒左右，而多人互动直播场景中不同主播之间的互动更为频繁，可容忍的延迟在100毫秒左右，传统视频会议的解决方案无法满足需求。
现有直播场景考虑单个视频源发送给大量的观众，而在多对多连麦的场景中会有更多的约束条件需要考虑(如：上下行链路带宽的约束)，以及实时交互的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法，通过对多人互动直播场景下主播端的码率合理调节，统筹考虑各种约束条件，最大化主播的用户体验，完成实时的交互。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法，包括如下步骤：
1)使用非线性规划方法，计算每一对发送端和接收端的目标码率；
2)通过缓存反馈调节在线更新目标码率，以消除建模和测量过程中的系统误差；
3)基于QoE损失对目标码率进行聚类，得出最终的实际码率。
在实际应用中，统计上下行链路带宽的历史数据，进行预测，并统计主播端的接收缓存，之后采用周期性的码率调节策略，等间隔调用所述自适应码率调节方法，输入新统计的数据，根据新的统计数据计算出新的码率作为编码参数输出给编码器，最终形成反馈闭环。
与现有技术相比，本发明可以在给定上下行链路带宽和主播端缓存信息的前提下，合理地对主播产生的码率做出调节，最大化系统的QoE。
附图说明
图1是自适应码率调节方法流程图。
图2是多人互动直播架构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考图1，本发明一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法，其主要步骤如下：
步骤(1)，服务器端的自适应码率调节控制器读入各个主播的缓存占用量以及上下行链路的带宽预测值。即，本发明的输入为上下行链路带宽的预测值和主播端的接收缓存。
步骤(2)，使用非线性规划方法，计算目标码率表。具体来说，为了最大化系统QoE，计算出每一对发送端和接收端的目标码率
Figure BDA0002279495770000021
需要考虑到上下行链路以及主播缓存的限制条件，即：
Figure BDA0002279495770000022
Figure BDA0002279495770000023
Figure BDA0002279495770000024
Figure BDA0002279495770000025
其中各参数定义为：
Figure BDA0002279495770000031
主播i发送给主播j的第w帧对应的目标码率；
Figure BDA0002279495770000032
主播j开始接收来自主播i的第w帧时的目标接收端缓存量；
Figure BDA0002279495770000033
主播j开始接收来自主播i的第w帧时的实际接收端缓存量；
Figure BDA0002279495770000034
主播i发送给主播j的第w帧对应的帧大小；
Figure BDA0002279495770000035
主播i发送给主播j的第w帧对应的帧时长；
Figure BDA0002279495770000036
主播i发送第w帧时的平均上行链路带宽；
Figure BDA0002279495770000037
主播j接收第w帧时的平均下行链路带宽；
(x)+＝max{x,0}：从x和0中取最大值；
Figure BDA0002279495770000038
表示主播j接收来自主播i的第w帧时的平均下行链路带宽，
Figure BDA0002279495770000039
QoE：Quality of Experience，用户体验，主要包括以下四项：
(1)累计视频质量：
Figure BDA00022794957700000310
(2)累计视频质量的抖动：
Figure BDA00022794957700000311
(3)累计卡顿时长：
Figure BDA00022794957700000312
(4)延迟：
Figure BDA00022794957700000313
其中q()为刻画视频质量和视频码率之间的函数(在目前方案中采用对数函数)，
Figure BDA00022794957700000314
为主播i开始产生第w帧时的系统时间，
Figure BDA00022794957700000315
为主播j开始接收来自主播i的第w帧时的系统时间，K为累计统计帧的数量。
步骤(3)，为了消除建模和测量过程中的系统误差，本发明通过缓存反馈调节在线更新目标码率
Figure BDA00022794957700000316
给定主播开始下载第w帧时的缓存占用量和带宽情况，可以估计当带宽不变时第w+1帧的缓存占用量。然而，在主播实际开始下载第w+1帧时，可以获得真实的缓存占用量。目标值和实际值之间的差异反映了带宽的变化率，并决定了码率调整的幅度。在反馈调节的过程中主要用到了PI控制器，具体步骤如下：
步骤(3a)，利用比例控制器计算实际缓存占用量和目标缓存占用量之间的差值：
Figure BDA0002279495770000041
以消除预测误差，其中Zp为PI控制器比例项，Kp为PI控制器比例项系数；
步骤(3b)，利用积分控制器对实际缓存占用量和目标缓存占用量之间的差值进行积分：
Figure BDA0002279495770000042
以消除累积的系统误差，其中Zi为PI控制器积分项，Ki为PI控制器积分项系数；
步骤(3c)，基于缓存反馈调节获得最终更新的目标码率值：
Figure BDA0002279495770000043
Figure BDA0002279495770000044
步骤(4)为了解决上行链路的带宽限制和发送端编码能力的限制，本发明对目标码率进行聚类，得出最终的实际码率。本发明定义QoE损失为
Figure BDA0002279495770000045
在码率及相应QoE构成的空间(在这个空间中，度量的指标是QoE距离而非几何距离)内进行K-means聚类，得出使全局QoE损失最小的实际码率值
Figure BDA0002279495770000046
步骤(5)输出每个主播需要产生的码流路数及相应码率
Figure BDA0002279495770000047
即主播i发送给主播j的第w帧对应的实际码率。
图2是系统架构图，主要包括三个部分：发送端，服务器端和接收端。在实践中，每个主播既是发送端也是接收端。发送端产生SVC编码的多码率视频流传输到服务器端，服务器端将合适的SVC层发送给相应的接收端，接收端进行缓存、播放。自适应码率调节方案运行在服务器端，综合考虑上下行链路带宽和接收端缓存情况，做出使全局QoE最大的码率决策，并通知发送端，发送端按要求产生相应码率并进行SVC编码。
在实际的应用中，需统计上下行链路带宽的历史数据，进行预测，并统计主播端的接收缓存，之后采用周期性的码率调节策略，等间隔调用上述码率调节方法，输入新统计的数据，根据新的统计数据计算出新的码率作为编码参数输出给编码器即可，最终形成反馈闭环。
综上所述，本发明提出了一个面向多人互动直播的自适应码率调节方案。首先使用非线性规划方案来处理复杂的约束条件，获得每对主播间的目标码率。再根据在线的缓存反馈调整目标码率，以校正预测误差。最后使用基于QoE损失的聚类算法来确定主播的实际码率。该方案统筹考虑了全局的各种限制条件，包括上下行链路带宽和主播的缓存占用量情况，最终输出的实际码率能够最大化主播的用户体验。

Claims (5)

1.一种面向多人互动直播的自适应码率调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)使用非线性规划方法，计算每一对发送端和接收端的目标码率；
2)通过缓存反馈调节在线更新目标码率，以消除建模和测量过程中的系统误差；
3)基于QoE损失对目标码率进行聚类，得出最终的实际码率。
2.根据权利要求1所述面向多人互动直播的自适应码率调节方法，其特征在于，所述步骤1)中，利用服务器端的自适应码率调节控制器读入各个主播的缓存占用量以及上下行链路的带宽预测值，在计算每一对发送端和接收端的目标码率
Figure FDA0002279495760000011
时，考虑上下行链路以及主播缓存的限制条件以最大化系统QoE，即为：
Figure FDA0002279495760000012
Figure FDA0002279495760000013
Figure FDA0002279495760000014
Figure FDA0002279495760000015
其中各参数定义为：
QoE：Quality of Experience，用户体验
Figure FDA0002279495760000016
主播i发送给主播j的第w帧对应的目标码率
Figure FDA0002279495760000017
主播j开始接收来自主播i的第w帧时的目标接收端缓存量；
Figure FDA0002279495760000018
主播j开始接收来自主播i的第w帧时的实际接收端缓存量；
Figure FDA0002279495760000019
主播i发送给主播j的第w帧对应的帧大小；
Figure FDA0002279495760000021
主播i发送给主播j的第w帧对应的帧时长；
Figure FDA0002279495760000022
主播i发送第w帧时的平均上行链路带宽；
Figure FDA0002279495760000023
主播j接收第w帧时的平均下行链路带宽；
(x)+＝max{x,0}：从x和0中取最大值；
Figure FDA0002279495760000024
表示主播j接收来自主播i的第w帧时的平均下行链路带宽，
Figure FDA0002279495760000025
3.根据权利要求1所述面向多人互动直播的自适应码率调节方法，其特征在于，所述步骤2)中，缓存反馈调节主要用到PI控制器，具体步骤如下：
步骤(2a)，利用比例控制器计算实际缓存占用量和目标缓存占用量之间的差值：
Figure FDA0002279495760000026
以消除预测误差，其中Zp为PI控制器比例项，Kp为PI控制器比例项系数；
步骤(2b)，利用积分控制器对实际缓存占用量和目标缓存占用量之间的差值进行积分：
Figure FDA0002279495760000027
以消除累积的系统误差，其中Zi为PI控制器积分项，Ki为PI控制器积分项系数；
步骤(2c)，基于缓存反馈调节获得最终更新的目标码率值：
Figure FDA0002279495760000028
Figure FDA0002279495760000029
4.根据权利要求1所述面向多人互动直播的自适应码率调节方法，其特征在于，所述步骤3)中，定义QoE损失为
Figure FDA00022794957600000210
在码率及相应QoE构成的空间内进行K-means聚类，得出使全局QoE损失最小的实际码率值
Figure FDA00022794957600000211
5.根据权利要求1所述面向多人互动直播的自适应码率调节方法，其特征在于，在实际应用中，统计上下行链路带宽的历史数据，进行预测，并统计主播端的接收缓存，之后采用周期性的码率调节策略，等间隔调用所述自适应码率调节方法，输入新统计的数据，根据新的统计数据计算出新的码率作为编码参数输出给编码器，最终形成反馈闭环。
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