摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對高質(zhì)量視頻的實時傳輸提出了更高的要求，然而由于智能手機處理能力低、內(nèi)存小等硬件配置因素，使得嵌入式媒體播放器中的視頻數(shù)據(jù)無法自適應網(wǎng)絡(luò)狀況，最終導致視頻數(shù)據(jù)在傳輸過程中大量丟失，降低接收到的視頻圖像質(zhì)量。在此提出基于Android的視頻流自適應算法，該算法可動態(tài)探測網(wǎng)絡(luò)帶寬，自動適應網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，制定平滑的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，根據(jù)傳輸帶寬控制視頻編碼和視頻傳輸速率，提高視頻傳輸質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)擁塞； 媒體播放器； Android； 視頻自適應； 網(wǎng)絡(luò)帶寬

中圖分類號：TN91934； TP301.6 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22004204

近年來隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對高質(zhì)量視頻的實時傳輸也提出了更高的要求，然而由于IP網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就決定它只能提一種供盡力而為（Besteffort）的傳輸服務，并沒有服務質(zhì)量的保障（QoS），因此很難保證視頻傳輸所需的穩(wěn)定帶寬，最終將導致網(wǎng)絡(luò)擁塞，并且在傳輸過程中丟失大量的視頻數(shù)據(jù)，引起接收到的視頻圖像質(zhì)量急劇下降。目前，盡管在許多高端手機和PDA上都有多媒體播放器，但是因為手機處理器能力低、內(nèi)存小等硬件配置因素的影響，和PC機上的播放器相比手機現(xiàn)有的這些播放器功能都非常不完善，嚴重影響著視頻流的解碼效率，并最終導致解碼出的視頻頻數(shù)據(jù)無法實時處理，極大地影響用戶的使用。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由于媒體播放器是基于嵌入式系統(tǒng)的，而目前所用的大多數(shù)嵌入式處理器其工作頻率和運算能力都不能和同時期的PC機用的處理器相比，而播放高質(zhì)量的視頻文件又需要處理器進行大量復雜的解碼工作，所以一旦CPU處理速度跟不上就會使導致圖像質(zhì)量下降。

解決這一問題主要有2種方法，一種方法就是在硬件上使用更高性能的CPU或者硬件解碼芯片，加快視頻處理速度；另一種方法就是在軟件上使用好的視頻自適應算法，當產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞而導致丟包時可以及時糾正。一般來說，系統(tǒng)使用的硬件一旦確定就不會輕易改變，因為這涉及到硬件電路設(shè)計、成本等諸多因素，所以本文將從軟件角度改善視頻流的傳輸，提出基于Android的視頻流自適應算法，該算法可以動態(tài)探測網(wǎng)絡(luò)帶寬，自動適應網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，制定平滑的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，根據(jù)傳輸帶寬控制視頻編碼和視頻傳輸速率，相應地提高視頻傳輸質(zhì)量。

1 系統(tǒng)分析

1.1 Android平臺簡介

Android系統(tǒng)是Google公司開發(fā)的基于Linux系統(tǒng)的開源手機操作平臺，采用軟件堆層（Software Stack）的架構(gòu)，是首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件。

Android平臺框架共由5部分組成。底層核心是基于Linux 2.6內(nèi)核開發(fā)的獨立操作系統(tǒng)，該層用來提供系統(tǒng)的底層服務，包括安全機制、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧及一系列的驅(qū)動模塊。中間是Android執(zhí)行環(huán)境，包括系統(tǒng)運行庫、Dalvik虛擬機、核心庫和一些C／C++庫等支持Android使用的各個組件。應用層框架是開發(fā)人員使用這些API框架來開發(fā)自己的應用，簡化了應用程序開發(fā)的架構(gòu)設(shè)計。應用層程序是用Java語言編寫的運行在虛擬機上的程序。

為確保視頻的高質(zhì)量傳輸，以及方便針對嵌入式平臺運行的調(diào)整和優(yōu)化，在選擇編碼的時候選擇開源項目FFmpeg。FFmpeg是一個開源跨平臺多媒體數(shù)據(jù)解決方案，它包含非常先進的視頻編解碼庫Libavcodec，支持超過90種編解碼標準及RTSP，HTTP，MMS等多種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。FFmpeg通過C語言實現(xiàn)，常被移植到各種嵌入式系統(tǒng)中［1］。將FFmpeg移植到Android系統(tǒng)中，能夠增加Android系統(tǒng)對編解碼格式標準的支持，提高Android系統(tǒng)對多媒體信息處理能力，改善用戶體驗。

1.2 視頻傳輸協(xié)議RTP／RTCP

視頻傳輸?shù)暮诵氖且曨l流（Streaming Video）的傳輸，視頻流通常是指一系列連續(xù)的、帶有時間戳的視頻包數(shù)據(jù)。視頻流技術(shù)則是研究視頻數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)募夹g(shù)，主要包括視頻數(shù)據(jù)的壓縮及視頻流的實時傳輸，以保證用戶能夠獲得良好的視頻質(zhì)量。多媒體流的實時傳輸對帶寬和延遲比較敏感，因此視頻流的傳輸需要選擇合適的傳輸協(xié)議。

實時傳輸協(xié)議（Realtime Transport Protoco1，RTP）報文用來作實時傳輸時，可以靈活改變速率、防止亂序。但是，僅僅使用RTP時間戳是無法實現(xiàn)視頻的自適應傳輸。要實現(xiàn)視頻自適應傳輸，需要借助于RTP控制協(xié)議（Realtime Transport Control Protocol，RTCP）［2］。在流式傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方案中，采用TCP/RTCP來傳輸控制信息，用RTP/UDP來傳輸視頻流數(shù)據(jù)。RTCP報文在傳輸過程中可以為RTP數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡(luò)狀況和服務質(zhì)量的反饋。

2 基于Android的視頻流自適應算法設(shè)計

為解決網(wǎng)絡(luò)擁塞時視頻所面臨的問題，本文進行了基于Android的視頻自適應算法的研究。該算法可以動態(tài)探測網(wǎng)絡(luò)帶寬，使用網(wǎng)絡(luò)擁塞控制制定數(shù)據(jù)接收速率，在避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時做到了與TCP的公平與友好。

2.1 視頻自適應算法框架

基于Android的視頻自適應算法的主要原理是在Android手機上實現(xiàn)視頻接收的自適應調(diào)節(jié)。首先，Android手機會發(fā)送網(wǎng)絡(luò)探測信息的數(shù)據(jù)包，包中帶有序列號、包丟失率、延時及環(huán)路時間等。然后，服務器會應答收到的數(shù)據(jù)包，在應答包中會包含有相應的序列號和網(wǎng)絡(luò)信息反饋等開銷，這樣，就提供了端到端的反饋。Android系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)開銷解碼數(shù)據(jù)包并分析網(wǎng)絡(luò)帶寬，當帶寬變窄時，能在用戶允許的范圍內(nèi)丟棄某些次要信息，比如高碼率的視頻數(shù)據(jù)，而當帶寬變大時，則可以提高視頻傳輸碼率或增大幀速率，這樣就可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，自動適應網(wǎng)絡(luò)帶寬變化，動態(tài)接收視頻數(shù)據(jù)流，達到較好的傳輸效果。

本文提出的基于Android的視頻自適應算法是針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳輸實時視頻數(shù)據(jù)而提出的。當在網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)視頻自適應傳輸算法會在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上加入RTP和RTCP傳輸控制協(xié)議［3］，然后通過發(fā)送網(wǎng)絡(luò)探測和有效反饋實現(xiàn)基于Android的網(wǎng)絡(luò)視頻自適應控制，視頻自適應技術(shù)框架如圖1所示。

TCP友好速率控制協(xié)議（TCP Friendly Rate Control，TFRC） 是一種應用于單播的基于速率的擁塞控制算法［4］。本文提出的基于Android的視頻自適應擁算法就借鑒了TFRC模型穩(wěn)態(tài)速率公式，在該公式中，關(guān)鍵技術(shù)主要包括TFRC穩(wěn)態(tài)速率公式中各參數(shù)的確定以及視頻數(shù)據(jù)接收速率控制。TFRC穩(wěn)態(tài)速率公式如下［5］：

B（p）=

s［tRTT2bp3+t0min（1，33bp8）p（1+32p2）］－1

式中：s表示TCP的報文大小，單位為B；p表示丟失事件率；t0表示數(shù)據(jù)報文超時時間；tRTT表示數(shù)據(jù)報文環(huán)路時間；b為一個應答所代表的接收到的報文數(shù)。通過TFRC穩(wěn)態(tài)速率公式可以計算出一個傳輸數(shù)據(jù)流的穩(wěn)態(tài)接收速率B（p）。

依據(jù)該TFRC穩(wěn)態(tài)速率公式得出速率值B（p）隨著丟失事件率等幾個參數(shù)的變化而變化，而其中最主要的是丟失事件率p的計算。丟失事件率的計算有3個主要步驟，即初始化參數(shù)列表，丟失事件（Loss Events）判斷，以及計算丟包事件率。

（1） 初始化參數(shù)列表。根據(jù)TFRC理論，丟失事件率以最近8個丟失事件作為計算依據(jù)［6］，據(jù)此引入?yún)?shù)數(shù)組。

（2） 丟失事件（Loss Events）判斷。本文對丟失事件的判斷采用以下算法描述：

Android系統(tǒng)Qos監(jiān)控模塊監(jiān)測到有丟包情況發(fā)生{If 本次丟包與上一次丟包的時間間隔大于RTT，即該包不屬于上次丟失事件的發(fā)送窗口。

Then 新的丟失事件發(fā)生，計算丟失間隔。}

采用該算法可以判斷出當前的丟失事件，進而可用于計算丟失事件率p。

（3） 計算丟失事件率p。按照丟失事件率的算法，一個非連續(xù)的丟包并不會改變丟失事件率，因此當包丟失率上升時速率值的下降也是緩慢的，丟失事件率算法應用在TFRC穩(wěn)態(tài)速率公式中能夠較準確地描述網(wǎng)絡(luò)的實際擁塞狀況。

2.3 瓶頸帶寬的計算

在TFRC算法的基礎(chǔ)上控制視頻數(shù)據(jù)的接收速率，可以通過視頻自適應算法制定出平滑的帶寬輸出數(shù)據(jù)，從而避免TCP協(xié)議的AIMD算法所帶來的帶寬振蕩。此外，視頻自適應算法并不把TFRC速率計算公式的輸出作為源端的接收速率，而是以客戶端反饋的瓶頸帶寬做為上界，并且結(jié)合當前帶寬輸出值B（p）及最近帶寬，制定數(shù)據(jù)傳輸率來自動適應網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。

發(fā)送端在tTimestamp時刻向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)包，在接收端收到N個具有相同時間戳tTimestamp的數(shù)據(jù)包后，采用以下公式計算瓶頸帶寬：BnBw=∑Ni=1packet（i）［tRecv_ClientN－tRecv_Client1］－1式中：BnBw為網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬；Packet（i）為第i個數(shù)據(jù)包大小，單位B；tTimestamp為數(shù)據(jù)包發(fā)送時間戳；tRecv_ClientN為接收到第N個數(shù)據(jù)包的時間；tRecv_Client1為接收到第1個數(shù)據(jù)包的時間。

通過瓶頸帶寬公式計算出的網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬BnBw可以作為數(shù)據(jù)發(fā)送速率的上界，從而避免了TFRC算法的帶寬波動。

2.4 視頻流自適應算法描述

利用RTP／RTCP的反饋結(jié)果，設(shè)計合適的基于Android的視頻自適應算法。當監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，導致帶寬下降后，Android系統(tǒng)會自動調(diào)整接收策略，從占用較多帶寬，質(zhì)量較高的視頻流向占用帶寬較少，質(zhì)量稍微差一點的視頻流上轉(zhuǎn)移。因此，假如出現(xiàn)持續(xù)的低帶寬情況，視頻自適應算法的結(jié)果就是在最初階段丟包率會較大，隨后就會逐漸適應低帶寬的環(huán)境，丟包率也會呈下降趨勢。因此，考慮到嵌入式設(shè)備的性能，提出的自適應算法不應過于復雜，可以將視頻自適應算法和視頻編碼算法相結(jié)合，動態(tài)地調(diào)整視頻的編碼和發(fā)送，從而達到較為流暢的媒體流。通過以上分析，得出自適應算法具體步驟如下：

（1） 初始化設(shè)置視頻編碼器，啟動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程；

（2） 設(shè)定B為發(fā)送端當前的帶寬，Bmin和Bmax分別為網(wǎng)絡(luò)所能達到的最小帶寬和最大帶寬，且B∈［Bmin，Bmax］；

（3） 根據(jù)給定網(wǎng)絡(luò)帶寬B，確定視頻壓縮碼率；

（4） 根據(jù)視頻壓縮碼率，壓縮視頻數(shù)據(jù)，加入網(wǎng)絡(luò)探測信息，以視頻幀為單位采用RTP方式打包后送入緩沖區(qū)；

（5） 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊從緩沖區(qū)中取出視頻數(shù)據(jù)包，并將視頻數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上；

（6） 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模塊接收客戶反饋的網(wǎng)絡(luò)QoS信息，根據(jù)視頻流自適應算法確定當前的發(fā)送帶寬Bnew，調(diào)用視頻速率自適應模塊，按照控制策略調(diào)整視頻壓縮碼率，如果沒有用戶終止信息，則執(zhí)行步驟（4）；

（7） 退出視頻發(fā)送線程，終止。

數(shù)據(jù)包丟失率是監(jiān)控器估計網(wǎng)絡(luò)信道狀況的指標，但不能直接利用丟失率判斷網(wǎng)絡(luò)信道狀況并據(jù)此調(diào)整視頻的接收，因為會使接收數(shù)據(jù)變動得過于頻繁，視頻產(chǎn)生波動，質(zhì)量不穩(wěn)定，所以要先對其做平滑處理。根據(jù)平'滑后的數(shù)據(jù)包丟失率與事先確定的閾值的關(guān)系判斷網(wǎng)絡(luò)上的負載情況，依此將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為若干類：假定分為3類（輕載，滿載和阻塞），網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的分類算法：設(shè)定2個閾值kl、k2（測試給定值），平滑后RTP數(shù)據(jù)包的丟失率為t（n）。視頻編碼算法為A（i），其中i為調(diào)整編碼的系數(shù)，i越大，壓縮比越高，對應于3種狀態(tài)的i值分別為il

（1） 當t（n）< kl時，視為輕載；

（2） 當kl

（3） 當t（n）> k2時，視為阻塞。

則自適應算法描述為：

if（t（n）

else if（kl

A（i2）；D；

else

A（i3）；TFRC（D）；

此算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際情況劃分為多種狀態(tài)進行調(diào)整。與TCP基于AIMD窗口控制算法相比，視頻自適應算法采用了緩和得多的速率變化策略，在TFRC公式的基礎(chǔ)上既做到了與TCP 流的友好，又平滑了數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠為視頻數(shù)據(jù)提供良好的傳輸質(zhì)量保證。

3 實驗結(jié)果

為驗證本文提出的視頻流自適應算法的應用效果，在Android系統(tǒng)中進行了模擬實驗。以下是采用視頻流自適應算法的視頻傳輸實驗結(jié)果，實驗結(jié)果分析如圖2所示。自適應視頻流解碼質(zhì)量與傳統(tǒng)的聯(lián)播技術(shù)之間的實驗效果比較，采用的視頻序列是Coastguard CIF，其中網(wǎng)絡(luò)帶寬變動范圍為128～512 Kb/s。

圖2 視頻流自適應算法實驗結(jié)果分析從以上試驗結(jié)果可以看出，與目前主要的實時視頻傳輸技術(shù)相比，視頻流自適應算法具有一定的優(yōu)勢：從帶寬自適應能力上來說，視頻自適應算法能對網(wǎng)絡(luò)帶寬的變動做出及時的響應并能有效避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提供穩(wěn)定連續(xù)的視頻傳輸質(zhì)量；視頻自適應算法對視頻編碼器的依賴較小，即不需要復雜的視頻自適應編碼算法，也不占用冗余的存儲空間，因此在對視頻流的實時性要求高的應用上具有較突出的優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

本文針對Android平臺的特點提出基于Android的視頻流自適應算法，該算法可動態(tài)探測網(wǎng)絡(luò)帶寬，自動適應網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，制定平滑的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，根據(jù)傳輸帶寬控制視頻編碼和視頻傳輸速率，提高視頻傳輸質(zhì)量，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動有較好的適應性。該算法在Android 2.2軟件平臺上進行了系統(tǒng)測試，具有良好的效果，證明該算法可適應網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，提高視頻質(zhì)量，改善用戶體驗，為其他移動終端嵌入式多媒體應用軟件的開發(fā)給出了一些參考。

參 考 文 獻

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作者簡介： 王 輝 女，1975年出生，陜西西安人，講師。主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與分析。