戚惠丹，李澤平

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

DASH(dynamic adaptive streaming over HTTP)解決了傳統(tǒng)流媒體技術(shù)的不足和現(xiàn)有HTTP自適應(yīng)技術(shù)間的兼容性問題，并使HTTP自適應(yīng)解決方案達(dá)到統(tǒng)一。為了提高用戶觀看視頻的體驗(yàn)質(zhì)量，本文提出一種基于DASH標(biāo)準(zhǔn)的視頻自適應(yīng)傳輸方案。

作為統(tǒng)一的國際化標(biāo)準(zhǔn)，DASH自制定以來，便引起各界研究學(xué)者的共同關(guān)注，眾多的研究人員投入到DASH的研究行列中來。文獻(xiàn)[1]提出一個(gè)無縫的高質(zhì)量的HTTP自適應(yīng)流算法，算法考慮了在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和具有網(wǎng)絡(luò)成本約束的移動(dòng)設(shè)備的能源消耗。文獻(xiàn)[2]提出一個(gè)使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在智能手機(jī)或平板上進(jìn)行在線估計(jì)視頻敏銳度的框架，該框架能夠在移動(dòng)設(shè)備上快速進(jìn)行在線計(jì)算，從而精確的估計(jì)移動(dòng)視頻的體驗(yàn)質(zhì)量。文獻(xiàn)[3]考慮可擴(kuò)展視頻在無線帶寬接入網(wǎng)絡(luò)基于DASH的傳輸，提出3種方式來提高無線DASH用戶的視頻體驗(yàn)質(zhì)量，首先設(shè)計(jì)從可伸縮視頻編碼層到DASH層的映射方案；然后設(shè)計(jì)一種友好的DASH調(diào)度和資源分配算法；最后提出一種基于DASH代理的視頻碼率算法。文獻(xiàn)[4]提出一個(gè)固定間隔緩沖模型，每當(dāng)媒體緩沖區(qū)大小在預(yù)設(shè)的間隔內(nèi)時(shí)，視頻碼率保持不變；另外，通過一種逐步向上切換的方式以防止緩沖區(qū)溢出，并基于中間質(zhì)量級(jí)別向下切換的方式來防止緩沖區(qū)下溢。

1 DASH

DASH是MPEG組織制定的一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)旨在支持一個(gè)媒體流模型，該模型交付媒體內(nèi)容的控制權(quán)完全在客戶端，客戶端使用HTTP協(xié)議從沒有特定DASH功能的web服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)。DASH的基本原理：服務(wù)器端存儲(chǔ)將原始視頻資源生成同一內(nèi)容、不同碼率的視頻分片和相應(yīng)的MPD索引文件，客戶端根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況等因素向服務(wù)器請(qǐng)求相應(yīng)碼率的視頻分片進(jìn)行播放。圖1[5]形象展示了DASH的基本原理。

圖1 DASH的基本原理

當(dāng)播放視頻內(nèi)容時(shí)，DASH客戶端通過獲取并解析MPD文件，向服務(wù)器請(qǐng)求合適碼率的視頻分片。通過適當(dāng)?shù)木彌_，客戶端在適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)帶寬變化后，并同時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動(dòng)，根據(jù)其測量結(jié)果，繼續(xù)獲取后面的視頻分片，以保持緩沖區(qū)有足夠的緩沖內(nèi)容。

MPD文件格式和視頻分片Segment是DASH技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容，沒有這兩個(gè)文件，客戶端和服務(wù)器端將無法交互。

2 DASH碼率自適應(yīng)算法

為了提高用戶觀看視頻的體驗(yàn)質(zhì)量，DASH碼率自適應(yīng)算法是DASH技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本節(jié)提出基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法，并將其與兩種典型的碼率自適應(yīng)算法進(jìn)行驗(yàn)證比較。

2.1 視頻分片的持續(xù)時(shí)間對(duì)QoE的影響

很多DASH碼率自適應(yīng)算法在估計(jì)下一個(gè)視頻分片碼率的過程中，只考慮緩沖區(qū)或帶寬，沒有考慮到視頻分片。文獻(xiàn)[6-8]經(jīng)過驗(yàn)證，視頻分片的持續(xù)時(shí)間影響用戶的體驗(yàn)質(zhì)量，現(xiàn)就文獻(xiàn)[8]的驗(yàn)證情況進(jìn)行說明。

兩個(gè)不同的客戶端向服務(wù)器端請(qǐng)求相同內(nèi)容但不同時(shí)長的視頻分片。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到兩個(gè)客戶端請(qǐng)求的視頻分片時(shí)長，見表1。

MPEG-DASH中的每個(gè)Quality Profile與特定的QoE水平相關(guān)聯(lián)，換言之，較高的Quality Profile對(duì)應(yīng)較高的QoE水平，因此，使用Quality Profile通過式(1)和式(2)得出用戶的體驗(yàn)質(zhì)量

表1 兩個(gè)客戶端獲取的視頻分片時(shí)長

(1)

wi=count(QP1,…QPi)/n

(2)

其中，wi為第i個(gè)QP的權(quán)值，qi為第i個(gè)Quality Profile中接收的視頻分片的比率，n為QP的數(shù)量。

兩個(gè)客戶端的QoE的度量結(jié)果見表2。

表2 由視頻分片時(shí)長得出的QoE結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，視頻分片的不同時(shí)長帶給用戶不同的體驗(yàn)質(zhì)量，較長的視頻分片持續(xù)時(shí)間帶給用戶較高的體驗(yàn)質(zhì)量。鑒于此，在文獻(xiàn)[9，10]的基礎(chǔ)上，提出基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法。

2.2 基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法

本節(jié)提出的基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法(rate ada-ptation algorithm based on segment，RAAS)在文獻(xiàn)[9，10]的基礎(chǔ)上考慮了視頻分片的持續(xù)時(shí)間，因此，算法共考慮帶寬、緩沖區(qū)和視頻分片的持續(xù)時(shí)間3個(gè)因素。

(1)算法描述

一般情況下，將視頻劃分為1 s、2 s、4 s、6 s、10 s或15 s的視頻分片。根據(jù)2.1節(jié)的驗(yàn)證結(jié)論可知，較長的視頻分片時(shí)長帶給用戶較高的視頻體驗(yàn)質(zhì)量，所以該算法獲取視頻分片中取持續(xù)時(shí)間最長的視頻分片。

算法的緩沖區(qū)與3個(gè)閾值有關(guān)，即I(默認(rèn)為2)、Bα和Bβ，如圖2所示。閾值的定義與視頻分片的數(shù)量有關(guān)。

圖2 算法緩沖區(qū)

當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)視頻分片的數(shù)量小于I時(shí)，獲取最低碼率的視頻分片。一旦緩沖區(qū)內(nèi)視頻分片的數(shù)量大于I，算法根據(jù)帶寬狀態(tài)開始碼率自適應(yīng)。當(dāng)BcurrBβ時(shí)，仍然獲取最高碼率的視頻分片，但算法會(huì)在視頻分片的數(shù)量小于Bβ時(shí)才發(fā)送對(duì)下一個(gè)視頻分片的請(qǐng)求，以避免在用戶提前退出觀看視頻的情況下獲取不必要的視頻分片。

算法使用媒體分片的持續(xù)時(shí)間(media segment time，MSD)與視頻分片的獲取時(shí)間(sengmen fetch time，SFT)的比值μ進(jìn)行帶寬估計(jì)，如式(3)所示

μ=MSD/SFT

(3)

如果μ>1+ε，則提高下一個(gè)視頻分片的碼率，ε為提高視頻碼率的一個(gè)因子；如果μ<γd，則降低下一個(gè)視頻分片的碼率，γd為降低視頻碼率的閾值；如果帶寬接近先前的帶寬，則視頻碼率保持不變。

(2)算法的步驟

算法的步驟如下所示。

1)輸入

Rprev：先前的視頻碼率

Bcurr：當(dāng)前緩沖區(qū)占用量

I、Bα、Bβ：緩沖區(qū)的3個(gè)閾值

Segduration：視頻分片的持續(xù)時(shí)間

ε：視頻碼率向上切換的因子

γd：降低視頻碼率的閾值

2)算法的執(zhí)行過程

RAAS的執(zhí)行過程如圖3所示。

3)輸出

Rnext：下一個(gè)視頻分片的碼率

圖3 算法RAAS的執(zhí)行過程

2.3 算法驗(yàn)證

碼率自適應(yīng)算法的好壞決定用戶觀看視頻體驗(yàn)質(zhì)量的好壞。在文獻(xiàn)[9,10]的基礎(chǔ)上，本文提出了基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法，文獻(xiàn)[9]是基于緩沖區(qū)的碼率自適應(yīng)算法(buffer-based algorithm，BBA)，文獻(xiàn)[10]是基于帶寬的碼率自適應(yīng)算法(throughput-based adaptive bit-rate algorithm，TBA)。為了驗(yàn)證3種算法對(duì)用戶觀看視頻的體驗(yàn)質(zhì)量的管理能力，使用視頻碼率切換的次數(shù)、碼率切換的極性和視頻達(dá)到最高視頻碼率的收斂時(shí)間[11]來表示算法性能。

(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)主要包括3部分：Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)仿真和DASH客戶端。DASH客戶端使用開源軟件AStream，AStream的源碼可以從GitHub上下載[12]。DASH客戶端通過從服務(wù)器上下載并解析MPD文件進(jìn)行啟動(dòng)。為了驗(yàn)證算法在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的性能，網(wǎng)絡(luò)仿真使用DammyNet配置服務(wù)器和客戶端之間的可用帶寬，從而模擬不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

(2)帶寬狀態(tài)

基于以下3種帶寬[13]驗(yàn)證算法。

1)固定帶寬(fixed bandwidth)：這種情況下，在客戶端和服務(wù)器之間的帶寬限制為0.5 Mbps、1 Mbps、4 Mbps或6 Mbps。選擇的這些帶寬值可以覆蓋低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2)帶寬短暫中斷(short interruptions)：對(duì)于1)中列出的不同帶寬，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)帶寬低于0.005 Mbps 時(shí)有多個(gè)短暫中斷，每個(gè)中斷持續(xù)10 s。

3)帶寬長時(shí)間中斷(long interruptions)：對(duì)于長時(shí)間中斷，當(dāng)帶寬低于0.005 Mbps時(shí)有3個(gè)1 min的中斷。

(3)驗(yàn)證結(jié)果

在以上所述的3種帶寬狀態(tài)下，算法的驗(yàn)證結(jié)果如下所示。

1)結(jié)果一：不同帶寬情況下，碼率切換事件的次數(shù)雖然DASH通過切換視頻碼率確保視頻在播放過程中沒有中斷，但頻繁的視頻切換會(huì)降低用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

當(dāng)最大帶寬設(shè)置為4 Mbps時(shí)，在不同帶寬情況下觀察到的視頻碼率切換事件的次數(shù)如圖4所示。在視頻播放過程中，碼率切換次數(shù)越少，用戶體驗(yàn)質(zhì)量越高。在固定帶寬和短暫中斷兩種場景下，BBA和TBA的碼率切換次數(shù)相似；在長時(shí)間中斷場景下，TBA的碼率切換次數(shù)變化很大，BBA變化不大。而RAAS不管在哪種場景下，碼率切換次數(shù)明顯少于BBA和TBA，且?guī)缀鯖]有變化，所以，從碼率切換事件的次數(shù)來看，RAAS顯然能夠提高用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

圖4 碼率切換的次數(shù)

2)結(jié)果二：帶寬長時(shí)間中斷情況下，碼率切換的極性碼率切換的極性即碼率向上切換或向下切換。

最大帶寬設(shè)置為1 Mbps和6 Mbps，當(dāng)帶寬長時(shí)間中斷時(shí)，碼率切換的極性如圖5所示。由于碼率自適應(yīng)算法在碼率切換的過程中是逐步提高視頻碼率和迅速降低視頻碼率的，所以觀察到的結(jié)果大多數(shù)是視頻碼率向上切換。從驗(yàn)證結(jié)果來看，RAAS向上切換和向下切換的次數(shù)變化不大，且少于BBA和TBA，因此RAAS帶給用戶較高的體驗(yàn)質(zhì)量。

圖5 碼率切換的極性

3)結(jié)果三：達(dá)到最高視頻質(zhì)量的收斂時(shí)間

在任何網(wǎng)絡(luò)帶寬下，達(dá)到最高碼率花費(fèi)的時(shí)間稱為收斂時(shí)間。

對(duì)于依靠緩沖區(qū)占用量來確定最合適碼率的BBA來說，達(dá)到最高視頻碼率的收斂時(shí)間較長。在本次實(shí)驗(yàn)中，緩沖區(qū)的大小為240 s(文獻(xiàn)[5]推薦)，BBA直到等待到90%(216 s)的緩沖區(qū)已滿才能切換到最高碼率的視頻。然而，對(duì)于RAAS來說，由于考慮到視頻分片的持續(xù)時(shí)間，所以能夠使RAAS更加精確的估計(jì)下一個(gè)視頻分片的下載速率，這可以促使視頻能夠較快的達(dá)到最高碼率。如圖6所示，在3種帶寬情況下，RAAS的收斂時(shí)間明顯優(yōu)于TBA和BBA。

圖6 收斂時(shí)間

4)驗(yàn)證結(jié)論

從以上算法的驗(yàn)證結(jié)果來看，RAAS具有較低的碼率切換事件、更高的視頻質(zhì)量和更快的收斂時(shí)間，其性能明顯優(yōu)于TBA和BBA。

3 DASH自適應(yīng)傳輸方案

通過構(gòu)建DASH播放器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)視頻的自適應(yīng)傳輸，但為了進(jìn)一步提高用戶觀看視頻的體驗(yàn)質(zhì)量，將本文提出的基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法應(yīng)用到DASH播放器中。

3.1 構(gòu)建DASH播放器

DASH-IF提供了開源的MPEG-DASH播放器框架dash.js，dash.js是用JavaScript編寫的開源的MPEG-DASH視頻播放器框架，可以在任何支持W3C媒體源擴(kuò)展(MSE)的瀏覽器中提供MPEG-DASH播放。dash-js提供了比較全面的DASH標(biāo)準(zhǔn)支持，因此，使用dash.js在網(wǎng)頁中構(gòu)建DASH播放器，構(gòu)建過程如圖7所示。

圖7 構(gòu)建DASH播放器過程

3.2 應(yīng)用基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法

Dash.js主要有3個(gè)核心模塊，即視頻分片請(qǐng)求模塊、基本緩沖區(qū)模塊和帶寬估計(jì)模塊，3個(gè)模塊的相互交互實(shí)現(xiàn)了視頻碼率的自適應(yīng)。RAAS算法的實(shí)現(xiàn)類RaasAction.java需要獲取這3個(gè)模塊的參數(shù)，例如：視頻分片的持續(xù)時(shí)間segmentDuTime、緩沖區(qū)的占用量bufferOccupancy、帶寬的大小bandwidth等參數(shù)，然后將這些參數(shù)應(yīng)用到預(yù)測下一個(gè)視頻分片的碼率的方法estimateSegment()中。

DASH功能的實(shí)現(xiàn)需要客戶端和服務(wù)器端的交互，DASH客戶端構(gòu)建完成后，還需要生成服務(wù)器端DASH媒體內(nèi)容和MPD文件。

3.3 DASH媒體內(nèi)容和MPD文件的生成

DASH支持兩種視頻標(biāo)準(zhǔn)：MPEG-4和MPEG-2 TS，所以需要將原始視頻進(jìn)行編碼，實(shí)驗(yàn)將原始視頻編碼為MP4格式，主要原因如下所示。

(1)MP4是一種輕量級(jí)容器格式，開銷少；

(2)MP4更容易被解析；

(3)MP4基于廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)，可以使第三方更直接的采用和支持；

(4)MP4的設(shè)計(jì)考慮了H.264視頻編碼器的支持。

視頻編碼完成以后，使用MP4Box的dash相關(guān)命令將MP4視頻文件生成DASH視頻分片和MPD文件。通過名為medical_news.mp4的視頻文件為例說明最終生成的視頻分片segments和MPD文件。

medical_news.mp4生成兩個(gè)representation、一個(gè)MPD文件medical_news.mpd和一個(gè)視頻初始化文件medical_news_init.mp4。

medical_news.mpd文件對(duì)生成的視頻分片的部分描述信息如下所示。

…… media="medical_news_1_1369377/medical_news_segmemt_15.m4s"/>

……

客戶端通過解析MPD文件，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況等因素向服務(wù)器請(qǐng)求相應(yīng)碼率的視頻分片進(jìn)行播放。

4 方案測試

使用測試數(shù)據(jù)big buck bunny(動(dòng)畫片)、Of Forest and Men(紀(jì)錄片)、The Swiss Account(體育片)和Valkaama(電影)[14]驗(yàn)證搭建的DASH平臺(tái)，測試結(jié)果表明，不管是哪種類型的數(shù)據(jù)，視頻都能進(jìn)行DASH播放。在DASH播放的過程中，以測試數(shù)據(jù)big buck bunny為例，來說明視頻在播放的某個(gè)時(shí)間段DASH平臺(tái)根據(jù)當(dāng)時(shí)的帶寬狀態(tài)選擇視頻分片碼率的自適應(yīng)情況，如圖8所示。

圖8 某時(shí)間段視頻碼率的自適應(yīng)狀態(tài)

圖8中共有3條線，上面波動(dòng)的線為estimated bandwidth，下面波動(dòng)的線為根據(jù)estimated bandwidth而選擇的representation bandwidth，垂直的線表示視頻的播放時(shí)間，隨著視頻的播放或暫停而前進(jìn)或停止。在播放當(dāng)前視頻分片的同時(shí)，DASH客戶端已經(jīng)估計(jì)好了下一個(gè)視頻分片所處的帶寬狀態(tài)和要獲取的合適的視頻碼率。

從驗(yàn)證結(jié)果來看，該方案實(shí)現(xiàn)了視頻的DASH自適應(yīng)傳輸，由于算法RAAS考慮了視頻分片的持續(xù)時(shí)間，所以該方案能夠更加精確預(yù)測下一個(gè)視頻分片的碼率，從而進(jìn)一步提高了用戶觀看視頻的體驗(yàn)質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本文基于DASH標(biāo)準(zhǔn)提出了一種視頻自適應(yīng)傳輸方案。該方案中提出的基于視頻分片的碼率自適應(yīng)算法考慮了視頻分片的持續(xù)時(shí)間，從而進(jìn)一步提高了用戶觀看視頻的體驗(yàn)質(zhì)量。經(jīng)過驗(yàn)證，該方案不僅解決了傳統(tǒng)流媒體技術(shù)無法根據(jù)實(shí)時(shí)變化的帶寬自適應(yīng)調(diào)整視頻碼率的問題，而且能夠更加精確預(yù)測下一個(gè)視頻分片的碼率，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。下一步的工作主要是優(yōu)化服務(wù)器端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的負(fù)載均衡。

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