CN115336283B - 客户机装置和向客户机装置流传送媒体内容的方法 - Google Patents

客户机装置和向客户机装置流传送媒体内容的方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供客户机装置和向客户机装置流传送媒体内容的方法。其中，测量传送各个内容块所花费的时间，由此计算传送时间的稳定性或一致性。然后，考虑当前网络特性，可以调整在用户装置处缓冲的等待解码和播放的数据的量(例如通过较慢或较快地播出内容)，以实现连续播出和低的端到端时延之间的良好折衷。

Description

客户机装置和向客户机装置流传送媒体内容的方法
技术领域
本公开涉及内容传送领域。
背景技术
当前使用单播传送将视频内容传送到一定范围的客户机装置，其中，专门为各个单独的客户机发送单个数据流。使用Web(HTTP)技术通过将内容分段为短的片段文件(通常持续时间为六到十秒)来传送。这些片段可以被进一步划分为例如持续时间为1s的块，这些块可以一被制作就开始被发送。通常，客户机将获得清单文件，该清单文件将允许确定包含视频片段的单独文件的URL。然后，客户机将按顺序请求这些片段，并将它们连接以形成用于回放的连续流。
各个视频片段也可以以不同的多个质量级别可用，各个质量级别以不同的比特率(因此以不同的文件大小)可用。客户机装置监测其缓冲水平和所实现的网络吞吐量，并根据这些来确定请求下一片段的质量，以在媒体质量和及时传送之间实现良好的折衷。这种技术被称为HTTP自适应流传送(HAS)。这种技术的示例包括Apple HTTP直播流(HLS)和使用MPEG DASH(HTTP上的动态自适应流)协议的Microsoft平滑流。
然而，这种传送架构会导致显著的端到端时延，结果是当观看诸如实况体育的实况动作时，内容会在实际事件发生之后的显著时间才出现在用户的屏幕上。通过在解码和播出之前在客户机装置处缓冲数据，增加了连续播出的概率(即，减小了数据用完的概率)，但是随之增加了端到端时延。
发明内容
本公开的示例的目的是提供改进的内容传送机制。
根据本公开的一个示例，提供了一种向客户机装置流传送媒体内容的方法，所述媒体内容包括多个块，并且所述方法包括以下步骤：
设定播出停顿概率的可接受值，其中，所述播出停顿概率等于在要播出块时该块未传送到所述客户机装置的概率；
使各个块可用于向所述客户机装置传送；
向所述客户机装置传送多个块；
测量所述多个块中的各个块的传送时间；
将所传送的块存储在所述客户机装置处的缓冲器中，直到其被播出；
播出各个块，其中，块的播出在该块可用于向所述客户机装置传送的时间之后的时间段开始；
其特征在于，所述方法还包括：
使用所测量的传送时间和所述播出停顿概率的所述可接受值来计算最佳时间段；以及
通过在所述客户机装置处控制该块的播出，依赖于所述最佳时间段来调整所述时间段。
该时间段实际上是播出时延，并且可以依赖于其与所计算的最佳时间段的比较来调整。如果该时间段大于最佳时间段，则可以在客户机装置处控制块的播放，以减少存储在缓冲器中的内容的量。控制可以包括以增加的速率播放块。
然而，如果该时间段小于最佳时间段，则可以在客户机装置处控制块的播放，以增加存储在缓冲器中的内容量。控制可以包括以降低的速率播放块。
最佳时间段可以使用测量的输送时间的偏差来计算。最佳时间段可以进一步使用测量的输送时间的均值来计算。
媒体内容可以是视频内容。根据本公开的另一示例，提供了一种用于流传送媒体内容的客户机装置，所述媒体内容包括多个块，所述客户机装置适用于：
设定播出停顿概率的可接受值，其中，所述播出停顿概率等于在要播出块时该块未传送到所述客户机装置的概率；
接收多个块；
测量所述多个块中的各个块的传送时间；
将所传送的块存储在缓冲器中，直到其被播出；
播出各个块，其中，块的播出在该块可用于向所述客户机装置传送的时间之后的时间段开始；
其特征在于，所述客户机装置还适用于：
使用所测量的传送时间和所述播出停顿概率的所述可接受值来计算最佳时间段；以及
通过控制该块的播出，依赖于所述最佳时间段来调整所述时间段。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在将仅通过示例的方式参考附图，其中：
图1是示出本公开的示例中的系统的网络图；
图2是概括本公开的示例的主要步骤的流程图；
图3是示出本公开的示例中的内容传送的定时图；
图4是示出本公开的另一示例中的内容传送的定时图；
图5是示出在本公开的示例中播出停顿的概率如何随播出时延而变化的曲线图。
具体实施方式
本文参考具体示例描述本公开。然而，本公开不限于这些示例。
本公开的示例提供了一种媒体内容传送方法，其中，测量传送各个内容块所花费的时间，根据该时间来计算传送时间的稳定性或一致性。然后，考虑当前网络特性，可以调整在用户装置处等待解码和播放的缓冲的数据的量(例如通过较慢或较快地播出内容)，以实现连续播出和低的端到端时延之间的良好折衷。
图1是简化网络图，示出了包括与内容服务器104通信的内容生成器102的系统100。内容生成器102负责接收未压缩的媒体内容，例如直播TV，并对媒体内容进行编码和封装以传递到内容服务器104。内容服务器104负责存储接收到的媒体内容，并依照请求将内容传送到通过网络106连接的经适当配置的客户机。在该示例中，示出了三个客户机装置108、110和112。例如，客户机可以是适于支持MPEG DASH或Apple的HLS的视频流客户机。客户机适于发现媒体内容，请求和处理清单文件，请求编码媒体的片段，并处理这些片段以供观看。
内容生成器102接收包括未压缩音视频流的媒体内容，并将其编码成编码音视频片段，通常持续时间为6s到10s。在此示例中，所使用的视频编码方法是根据ITU-TH.264标准，虽然本公开不限于此标准，且可以另选地使用其它编码方法。类似地，所使用的音频编码方法是MPEG-4HE AAC v2，虽然本公开不限于这种标准，并且可以使用其它编码方法来代替。
片段本身由块组成，各个块通常表示大约1秒的视听内容。然而，本公开不限于这样的数据表示，而是可以使用包括具有短持续时间(例如1秒)的片段和具有未格式化为块的内容数据的其它数据表示。这种具有由块组成的片段的表示是公共媒体应用格式(CMAF)的特征，其可以由两种最常见的HAS格式使用：DASH和HLS。将段进一步划分为较小的块的优点在于可以一被制作就开始其传送，并且可以一被客户机装置接收就播出。CMAF块可以使用HTTP/1.1分块传递来传送以减少发送开销，其允许部分HTTP响应，这意味着客户机装置可以请求片段一次，并且对应的CMAF块一旦在部分HTTP响应中变得可用就将被发送。
编码片段被传递到内容服务器104，在那里其被存储以供客户机装置访问。
内容生成器102还生成元文件(metafile)或清单文件(manifest file)，该元文件或清单文件描述在哪里可以访问片段(在这种情况下，在内容服务器104上的位置处)。当使用MPEG-DASH，IS 20009-1时，清单文件被称为MPD(媒体呈现描述)。Apple的HLS提供播放列表文件(.m3u8文件)形式的清单文件。清单文件也被传递到内容服务器104上，在那里其被存储以供客户机装置访问。
图2是概述本公开的示例的总体步骤的流程图。首先将描述各个步骤，随后将较详细地讨论整个方法。
图2示出了在客户机装置处进行的从内容服务器104请求和接收编码的媒体内容，对其进行缓冲，然后将其播出的步骤。当客户机装置执行这些步骤时，内容服务器104使各个编码片段在从内容生成器102接收到时可用。当段在内容服务器104中变得可用时，存储在内容服务器104中的清单文件也用相关的段信息更新。
在步骤200中，客户机装置108设定播出停顿概率的可接受值，并设定实际播出时延的初始值(即初始启动时延)。如何设定这些值的示例包括但不限于由客户机装置的用户设定，由内容服务提供商设定，以及根据在先前的内容流传送会话期间收集的统计来设定。
在步骤202中，客户机装置108定期请求清单文件识别内容片段何时可用以及如何请求。
在步骤204中，客户机装置108识别其希望下载的片段，并向内容服务器104请求该片段，内容服务器104通过顺序地传送构成该片段的各个块来进行响应。例如，当使用HTTP/1.1分块传送时，如果所请求的片段包含多个块，则在完整片段不是完全可用的情况下(不是所有块都可用)，各个块变得可用时被推送到客户机装置。然而，如果所请求的片段完全可用(所有块都可用)，则传送整个片段。
在步骤206中，客户机装置108开始接收块，并将其缓冲在本地数据存储中，以供解码和播出。客户机装置108还监测接收各个块所花费的时间并确定进一步的传送时间统计。
在步骤208中，客户机装置108使用块传送时间统计来确定要保持在缓冲器中的适当或最佳数据量。最佳数据量可以被表示为最佳时间段或最佳播出时延，并且被计算以使端到端时延最小化，同时满足关于解码和播出的可能性(即，播出停顿的概率)的条件，数据用完将导致向用户呈现内容的停顿。
在步骤210中，客户机装置108将所确定的要缓冲的最佳数据量(或时间段)与在客户机装置处实际缓冲的数据的量(或时间段)进行比较，并相应地调整对缓冲数据的处理。
例如，如果实际缓冲的数据的量小于最佳数据量，则客户机装置可以采取行动来增加缓冲的数据的量，同时保持内容的连续播出。这样的动作可以包括以比其预期播出速度慢来播出内容，例如比预期慢4％。
然而，如果实际缓冲的数据的量大于要缓冲的最佳数据量，则客户机装置可以采取行动来减少缓冲的数据量，同时保持内容的连续播出。这样的动作可以包括以比其预期播出速度快的速度播出内容，例如比预期快4％，并且还可以还包括或替代地包括根本不呈现内容的一些部分，特别是如果一些内容已经被标记为对观看者具有较低的重要性或兴趣。这将导致端到端时延的减少。
在步骤212，进行检查以确定是否需要更新清单。如果清单确实需要更新，则处理返回到步骤202，否则处理返回到步骤204。例如，HLS要求在请求各个片段之后重新加载.m3u8清单文件，而对于DASH，通常只需要加载MPD清单文件一次。
关于块传送时间的统计的示例包括但不限于传送时间均值和标准偏差。其还可以包括保持块传送时间的直方图或概率密度函数。这将在后面较详细地描述。
可以根据所确定的块传送时间统计和针对要解码和播放的数据用完(导致播出停顿)的概率设定的阈值来确定要缓冲的最佳数据量。数据用完的概率也可以被定义为块在其将被播出的时间之前没有被传送到客户机装置的概率。这可以例如通过使用块传送时间的均值和标准偏差的预定函数、这些参数的查找表来执行，或者可以涉及使用实际记录的块传送时间或者使用从根据实际记录的块传送时间确定的经平滑的概率密度函数采样的块传送时间来运行蒙特卡罗类型仿真。稍后将较详细地解释要缓冲的最佳数据量的这种确定。
图3示出了在编码、传送、缓冲和播出期间块的定时的第一示例，其中，各个块具有相同的播出持续时间。注意，时间在图中从左到右增加。
媒体内容在内容生成器102处的编码器的输入处连续可用。编码器对媒体内容进行编码，并将其格式化为如上所述的块。在标记为“捕获时间”的轴300上示出了来自块(A、B、C、D和E)的内容开始进入编码器的时间。一旦块被完全编码，参见标记为“编码器”的轴302上的完成的块A、B、C、D和E，其被传送到内容服务器104，并且可用于客户机装置请求其传送。这在标记为“可用时间”的轴304上示出。一旦块可用，或者一旦先前块的传送已经完成，无论哪个较晚，客户机装置就请求块的传送。传送在轴306上示出，并且完成的传送在轴308上标记。例如，块A的传送在其变得可用(参见轴304上的标签A)之后立即开始(参见轴306上的块A的开始)，并且对于块B类似地进行，但是对于块D，传送在块C已经被传送之后直接开始。
依赖于网络条件，传送块所花费的时间是可变的。块A被示为在小于块周期的时间内被传送，因此块B的传送直到其可用时才开始。块B更加快地被传送，因此块C的传送直到其可用时才开始。
块C需要比块周期长的时间来传送。因此，在这种情况下，客户机装置选择不开始传送块D，直到块C被完全下载。可能已经开始了块D的并行下载，但是这可能会导致块C的下载花费更长的时间，并且增加了播出停顿的风险。
块D在小于块周期的时间内被传送，并且足够快使得客户机装置在开始传送块E之前必须等待直到块E可用。
图3示出了端对端时延322的设定的一种选择，其中，端对端时延是块被输入到编码器与该块开始播出之间的时间。虽然一旦已经下载了块A就可以开始播出，但是必须与块A一样快地传送各个后续块以避免播放停顿。相反，图3示出了块A的播出在其捕获时间之后的2.55个块周期处开始，在其首次可用于下载之后1.55个块周期处开始，以及在其完全下载之后0.75个块周期处开始。因此，利用该播出时延设定的端到端时延是2.55个块周期，块A的第一媒体内容在相同的媒体内容被输入到编码器之后2.55个块周期处被播出。
块的播出时延是块的可用时间(如轴304所示)和块的播处时间(如轴312所示)之间的时间。图3示出了具有相同播出时延320的各个块，包括块D(其实际传送在其可用时间之后开始)，因为各个块的播出持续时间是相同的。
利用播出时延的这种设定，即使占用1.3个块周期来传送的块C也在需要播出之前0.25个块周期处被完全传送，因此播出不会停顿。
图4示出了在编码、传送、缓冲和播放期间块的定时的第二示例，其中，各个块不具有相同的播出持续时间：块B被示为具有比其它块短的播出持续时间。编码器可以选择创建具有不同播出持续时间的块，这是由于各种原因，包括将块边界与内容中的场景变化对齐，将块边界与节目的结尾对齐，以及允许将广告内容插入到节目内容中。
在各个块不具有相同的播出持续时间的情况下，将内容作为块来处理会导致块的捕获时间、可用时间和播出时间中的不规则模式。虽然对于块的轴400上的捕获时间和轴412上的播出时间出现相同的不规则图案，而端到端时延保持恒定，但是对于轴404上的块的可用时间不出现相同的不规则。在图4所示的示例中，块B在块A之后不久就成为可用的，因为块B是短的并且被迅速编码，但是其播出在块A开始播出之后一个正常的块持续时间处开始，因为块A具有正常的播出持续时间。因此，在这种情况下，播出时延对于各个块是不同的，因为块变得可用和块开始播出之间的时间不是对于所有块都相同，但是块在其捕获时间开始被编码和在其播出时间开始播出之间的时间保持恒定并且等于端到端时延422。此外，各个块的端到端时延422等于其播出时延420和其播出持续时间之和。
图5示出了对于块传送时间的不同均值和标准偏差，播出停顿的概率(y轴)如何随着播出时延(y轴)而变化的曲线图。为了简化描述，图被描述为似乎所有块具有相同的播出持续时间，虽然如上所述，这可能不总成立。
实线502示出了对于0.40的块传送时间均值的关系，即块播出时间的40％，其中，标准偏差为0.10。播出时延需要被设定为3.23个块周期以实现0.0001的停顿概率。
虚线504示出了对于0.70的较高的块传送时间均值(块播出时间的70％)的影响，但是在标准偏差仅为0.02的情况下，0.02这个较低的值指示网络吞吐量的较高稳定性。在这种情况下，为了实现0.0001的停顿概率，需要将播出时延设定为仅1.27个块周期。
虚线506示出了0.10的较低块传送时间均值(块播出时间的10％)的影响，但是在标准偏差为0.25的情况下，0.25这个较高的值表示网络吞吐量的较低稳定性。在这种情况下，为了实现0.0001的停顿概率，需要将播出时延设置为7.17个块周期。
这说明可以通过根据块传送时间的测量统计设定播出时延来控制停顿概率，并且块传送时间的变化可以是比块传送时间均值重要的考虑因素。
在各个块不具有相同的播出持续时间的情况下，块传送时间的统计被用于设定端到端时延，即，内容被捕获和相同内容在客户机装置处播出的之间的时间。
为了能够调整播出时延或端到端时延以尝试实现可接受的播出停顿概率，收集块传送时间的统计，并进行处理以确定适当的时延。下面是可以收集的统计的类型的一个示例和可以处理统计的方法。
记录传送各个块所花费的时间，所花费的时间是块开始传送(轴306)和块结束传送(轴308)之间的时间段。如果块在字节方面具有不同的大小，则通过缩放来归一化块的传送时间，以确定针对块的基准大小的传送时间。
处理针对最近传送的块(例如在30秒的前一周期中传送的块)的归一化传送时间，以确定块归一化传送时间的均值和标准偏差。
使用归一化块传送时间的均值和标准偏差的这些计算值来定义累积分布函数，其指示归一化块花费长于指定时间来传送的概率。
一种可能的累积分布函数是已知的高斯分布，其中，例如，超过样本均值三个标准偏差以上的概率约为0.0013，超过均值五个标准偏差以上的概率约为0.00000029。
然而，高斯分布可能不是归一化块传送时间分布的良好模型，因为该分布通常具有由大的峰度值表示的长尾或重尾。定义针对均值以上的样本的平方反比函数的累积分布函数通常可能较合适。在下面的算式(1)中给出了示例，其中p(t)是传送比时间t长的概率，其表示为由块播出持续时间归一化的时间段，并且其中μ是块归一化传送时间的均值并且σ是标准偏差：
该算式将仅用于超过均值μ的t值，特别是用于t的较大值，例如：t≥μ+σ/2.。
在这种情况下，样本超过均值三个标准差以上的概率约为0.0089，超过均值五个标准差以上的概率约为0.0032。可以看出，对于高斯分布，均值以上超过5个标准偏差的概率是不显著的，对于平方反比函数也不是这样。
以下是如何使用测量的传送时间的可接受的播出停顿概率计算要缓冲的最佳数据量的示例，或者如这里将根据时间即最佳播出时延来描述。
通过块基准大小与以字节计量的块实际大小的比按比例缩放来归一化先前块的传送时间。计算这些归一化传送时间的均值和标准偏差。如果块具有1 s的播出持续时间，并且在前30s上执行分析，则在计算中将使用30个归一化传送时间。
在该示例中，可接受的播出停顿概率已被设定为0.0001。这意味着在停顿事件发生之前，平均10000个块可以按时传送和呈现。
在上面的算式(1)中，当t被设定为播出时延，p(t)是传送长于播出时延的概率，因此是停顿概率。因此，通过将p(t)设定为可接受的播出停顿概率ps，t变成最佳播出时延(或时间段)topo。
然后可以重排算式(1)以允许从均值μ、标准偏差σ和可接受的播出停顿概率ps来确定topo，给出：
下表对于在上图中示出的三组均值和标准偏差示出了t值即最佳播出时延，其以块播出持续时间表示。
均值和标准偏差 最佳播出时延
μ＝0.40；σ＝0.10 3.23
μ＝0.70；σ＝0.02 1.27
μ＝0.10；σ＝0.25 7.17
这表明当变化(标准偏差)较低时，最佳播出时延可以较低，即使传送时间均值可能较高。
通常，在此应当注意，虽然以上描述了本公开的示例，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所描述的示例进行若干变化和修改。本领域技术人员将认识到对所述示例的修改。

Claims (9)

1.一种向客户机装置流传送媒体内容的方法，所述媒体内容包括多个块，并且所述方法包括以下步骤：
设定播出停顿概率的可接受值，其中，所述播出停顿概率等于在要播出块时该块未传送到所述客户机装置的概率；
使各个块可用于向所述客户机装置传送；
向所述客户机装置传送多个块；
测量所述多个块中的各个块的传送时间；
将所传送的块存储在所述客户机装置处的缓冲器中，直到其被播出；
播出各个块，其中，块的播出在该块可用于向所述客户机装置传送的时间之后的时间段开始；
其特征在于，所述方法还包括：
使用所测量的传送时间和所述播出停顿概率的所述可接受值来计算最佳时间段；以及
通过在所述客户机装置处控制该块的播出，依赖于所述最佳时间段来调整所述时间段。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述时间段大于所述最佳时间段，则控制所述客户机装置处对所述块的播出以减少存储在所述缓冲器中的内容的量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述控制包括以增加的速率播放所述块。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述时间段小于所述最佳时间段，则控制所述客户机装置处对所述块的播出以增加存储在所述缓冲器中的内容的量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述控制包括以降低的速率播放所述块。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，所述最佳时间段是使用所测量的传送时间的偏差来计算的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最佳时间段是使用所测量的传送时间的均值来计算的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述媒体内容是视频内容。
9.一种用于流传送媒体内容的客户机装置，所述媒体内容包括多个块，所述客户机装置适用于：
设定播出停顿概率的可接受值，其中，所述播出停顿概率等于在要播出块时该块未传送到所述客户机装置的概率；
接收多个块；
测量所述多个块中的各个块的传送时间；
将所传送的块存储在缓冲器中，直到其被播出；
播出各个块，其中，块的播出在该块可用于向所述客户机装置传送的时间之后的时间段开始；
其特征在于，所述客户机装置还适用于：
使用所测量的传送时间和所述播出停顿概率的所述可接受值来计算最佳时间段；以及
通过控制该块的播出，依赖于所述最佳时间段来调整所述时间段。
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