[發明專利]一種兼顧吞吐量和視頻緩沖的碼率自適應調整裝置和方法

有效

• 申請號: 201810133231.8
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108271048B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 金躍輝;楊談;邵熠;崔毅東;陳莉萍
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04N21/239
• 分類號: H04N21/239;H04N21/2662;H04N21/433;H04N21/643;H04N21/647;H04N21/845
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 夏憲富

1.一種兼顧吞吐量和視頻緩沖的碼率自適應調整裝置，其特征在于：所述裝置的碼率自適應模塊輸出待請求媒體分段的傳輸碼率信息時，兼顧包括HTTP傳輸模塊、緩沖管理模塊和索引解析模塊中的吞吐量和視頻緩沖信息：先利用Holt-Winters法對歷史吞吐量進行平滑處理，預先估算待請求媒體分段的吞吐量；然后依據緩沖管理模塊中的當前視頻緩沖長度，計算緩沖權重參數，對估算吞吐量進行加權調整，得到最佳傳輸碼率；最后碼率自適應模塊依據最佳傳輸碼率從可選碼率列表中選擇輸出待請求媒體分段的傳輸碼率；設有碼率自適應、索引解析、解碼渲染、緩沖管理、時間軸控制和HTTP傳輸共六個模塊；其中：

碼率自適應模塊，負責分別根據來自媒體服務器、經由HTTP傳輸模塊的媒體分段的下載速率，并通過計算獲得的媒體分段的吞吐量信息，從緩沖管理模塊直接獲得的當前視頻緩沖長度，以及從索引解析模塊得到的可選碼率列表，對吞吐量和視頻緩沖長度進行兼顧處理后，從可選碼率列表中決策選擇待請求媒體分段的傳輸碼率，再將該待請求媒體分段的傳輸碼率輸出給緩沖管理模塊；

索引解析模塊，負責接收來自HTTP傳輸模塊的索引文件，并對該索引文件的數據進行解析，生成該裝置能夠識別的數據結構，并從該數據流中獲得所播放媒體流的包括可選碼率、媒體分段地址的信息，再分別輸出可選碼率和媒體分段地址的信息，提供給相應的碼率自適應模塊和緩沖管理模塊選擇與使用；

緩沖管理模塊，作為該裝置的運行控制中心，負責管理與控制媒體分段的下載和播放：向解碼渲染模塊提供音視頻數據，結合時間軸控制模塊提供的時間信息和碼率自適應模塊提供的待請求媒體分段的傳輸碼率，處理決定下一時間段所應請求的媒體分段，同時將從索引解析模塊獲取的、該媒體分段的下載地址傳遞給HTTP傳輸模塊，還負責緩沖來自HTTP傳輸模塊的媒體分段，以及將檢測到的當前已緩沖視頻數據的長度信息輸出給碼率自適應模塊，以供其執行自適應調整計算待請求媒體分段的傳輸碼率決策參考；

時間軸控制模塊，負責感知媒體播放進度變化的同時，進行時間定位：在發生包括播放、暫停、拖動進度條的用戶事件，即原時間軸信息發生改變時，根據新的時間定位重新實時計算媒體分段的序號和關鍵幀的位置，且同時將新的時間定位信息傳送給緩沖管理模塊；

HTTP傳輸模塊，負責藉由網絡與媒體服務器交互進行數據傳輸，以便得到所需的媒體索引文件和媒體分段的數據，同時記錄媒體分段下載速率的相關信息；并分別將索引文件和媒體分段的數據對應傳送給索引解析模塊和緩沖管理模塊進行處理與緩沖，將媒體分段下載速率的相關信息傳送給碼率自適應模塊，用作實時計算待請求媒體分段的傳輸碼率的參考因素；

解碼渲染模塊，負責從緩沖管理模塊中讀取媒體緩沖區的媒體數據，再對該媒體數據進行解碼和渲染處理，以便將視頻和音頻呈現給用戶。

2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述碼率自適應模塊是實現該裝置進行碼率自適應調整計算的關鍵模塊，也就是在請求媒體分段時，該碼率自適應模塊負責進行兼顧吞吐量和視頻緩沖的碼率自適應調整計算，以使該裝置能夠采用最佳狀態的傳輸碼率輸出用戶所請求的媒體分段內容，即從可選碼率列表中選擇適宜的碼率傳輸媒體數據。

3.一種根據權利要求1所述的兼顧吞吐量和視頻緩沖的碼率自適應調整裝置的工作方法，其特征在于：先利用Holt-Winters法對歷史吞吐量進行平滑處理，并預先估算待請求媒體分段的吞吐量；再依據視頻緩沖長度的實時動態變化，計算緩沖權重參數，以便對估算吞吐量進行加權調整，得到最佳傳輸碼率；最后依據最佳傳輸碼率從可選碼率列表中選擇輸出待請求媒體分段的傳輸碼率。

4.根據權利要求3所述的碼率自適應調整裝置的工作方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步驟：

步驟1，碼率自適應模塊根據其從緩沖管理模塊中獲取的、來自媒體服務器和經由HTTP傳輸模塊的最近下載完成的媒體分段L_i的大小、客戶端開始請求該媒體分段的時間和該媒體分段下載完成的時間，按照下述公式計算該裝置的媒體分段的實際吞吐量X_i：式中，L為媒體分段的大小，其中的自然數下標或上標i都為對應的媒體分段序號，自然數下標t為計時時間，下標req和res分別為客戶端開始請求該媒體分段的計時時間和完成下載的計時時間；

步驟2，碼率自適應模塊采用Holt-Winters法和下述公式組合分別計算和記錄其接收到的序號為i的媒體分段吞吐量的一次、二次和三次平滑吞吐量數值；式中，S⁽¹⁾、S⁽²⁾和S⁽³⁾分別為計算得到的該媒體分段L_i的一次平滑吞吐量、二次平滑吞吐量和三次平滑吞吐量，系數α為權重因子，其取值范圍是0α1，且設置初始平滑吞吐量和均等于其實際吞吐量X₁；

步驟3，碼率自適應模塊依據步驟2得到的序號為i的媒體分段吞吐量的一次、二次和三次平滑吞吐量數值，計算序號為i+1的待請求媒體分段的估算吞吐量數值：根據Holt-Winters法，設T為媒體分段的估算吞吐量，則第i+1個媒體分段的估算吞吐量為：其中，a_i,b_i,c_i均為預測參數，且各自的計算公式如下：

步驟4，碼率自適應模塊根據當前視頻的緩沖長度實時計算緩沖權重參數：

從緩沖管理模塊獲取當前視頻緩沖長度Buff_i+1后，根據該Buff_i+1的大小劃分為下述三種不同情形，對緩沖權重參數ε數值執行相應地實時動態調整：

1，提升閾值BUFF_high＜Buff_i+1時，認為已緩沖視頻數據過剩，則允許待請求媒體分段的傳輸碼率超過其估算吞吐量，此時的緩沖權重參數ε數值應大于1，且當前視頻的緩沖長度Buff_i+1超出提升閾值BUFF_high越多，則ε的數值應越大；

2，衰減閾值BUFF_low＞Buff_i+1時，認為已緩沖視頻數據不足，若繼續按估算吞吐量進行下載，就容易發生卡頓，此時的緩沖權重參數ε數值應小于1，且Buff_i+1的數值越小，則ε的數值也應越小；

3，BUFF_low＜Buff_i+1＜BUFF_high時，認為已緩沖視頻數據的大小適宜，既不易發生卡頓，也不易造成緩沖區上溢，則緩沖權重參數ε保持為1，不作變化；

根據上述三種不同情況，得到碼率參數ε的三個計算公式：

式中，δ₁和δ₂為描述ε變化速度的幅度因子；

步驟5，碼率自適應模塊按照下述公式計算其請求的序號為i+1的媒體分段最佳傳輸碼率Best_i+1：Best_i+1＝εT_i+1，式中，T_i+1為估算吞吐量，ε為緩沖權重參數；

步驟6，碼率自適應模塊依據最佳傳輸碼率Best_i+1，從可選的碼率列表Bitrates[]中決策選擇不大于Best_i+1的最大碼率作為待請求媒體分段的最終傳輸碼率B_i+1，且若Best_i+1小于Bitrates[]中的最低碼率時，則決策選擇B_i+1為Bitrates[]中的最低碼率；然后，將該選擇結果傳輸至緩沖管理模塊，以供緩沖管理模塊控制下載相應的待請求媒體分段。