[發(fā)明專利]一種面向短視頻流的聯(lián)合視頻下載和動(dòng)態(tài)碼率自適應(yīng)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211251336.6
• 申請(qǐng)日: 2022-10-13
• 公開（公告）號(hào): CN115914680A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顏金堯;高文化;張?zhí)m菊;張園
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)傳媒大學(xué)
• 主分類號(hào): H04N21/2343
• 分類號(hào): H04N21/2343;H04N21/2662;H04N21/258;H04N21/24;H04N21/433
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種面向短視頻流的聯(lián)合視頻下載和動(dòng)態(tài)碼率自適應(yīng)方法，其特征在于包括以下內(nèi)容：

短視頻流的預(yù)加載機(jī)制：

輸入過去視頻塊的真實(shí)帶寬和未來(lái)視頻塊的留存率，輸出要下載的視頻序號(hào)，其中-1代表暫停下載，0表示當(dāng)前視頻，大于等于1的序號(hào)表示隊(duì)列里的視頻；包括以下步驟：

步驟101：i表示推薦隊(duì)列中第i個(gè)視頻，i為0表示當(dāng)前正在觀看的視頻；將第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊的最大緩沖區(qū)設(shè)為第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊的碼率設(shè)為第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊以碼率編碼的大小為是第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊的平均下載速度，Δt_k為暫停下載的時(shí)間，L表示每個(gè)視頻塊的時(shí)長(zhǎng)，t_k+1為第k+1個(gè)塊的下載時(shí)長(zhǎng)，t_k為第k個(gè)塊的下載時(shí)長(zhǎng)；則第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊的下載時(shí)間為：

步驟102：當(dāng)所有視頻都下載到最大允許下載的大小時(shí)，播放器停止下載；L表示每個(gè)視頻塊的時(shí)長(zhǎng)，表示視頻播放器下載第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊時(shí)的緩沖區(qū)占用率；暫停下載時(shí)長(zhǎng)Δt_k為：

的取值范圍為：

步驟103：設(shè)為第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊的留存率；為了減少帶寬資源的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)出如下所示的動(dòng)態(tài)最大緩沖區(qū)模型:

X表示的第一種可能取值，在X表達(dá)式里，表示e的次方，rebuf表示卡頓時(shí)間；如果第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊發(fā)生卡頓，說明網(wǎng)絡(luò)條件較差，需要增加最大緩沖區(qū)大小；如果在第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊之后暫停下載，說明網(wǎng)絡(luò)條件良好，需要減小最大緩沖區(qū)大小；為了防止播放第i個(gè)視頻中的第k+1個(gè)塊時(shí)緩沖區(qū)太小而出現(xiàn)停頓，加入Y表達(dá)式，Y表示的第二種可能取值，將最大緩沖區(qū)設(shè)為視頻i的上一個(gè)視頻塊時(shí)長(zhǎng)L加上一個(gè)視頻塊的總操作時(shí)間，總操作時(shí)間包括上一個(gè)視頻塊下載時(shí)間暫停下載時(shí)長(zhǎng)Δt_k以及卡頓時(shí)間rebuf；

用X來(lái)決定最大緩沖區(qū)大小，用Y來(lái)防止視頻卡頓，因此動(dòng)態(tài)最大緩沖區(qū)是X和Y的最大值；max(X，Y)表示取X和Y的最大值；

步驟104：播放器首先下載當(dāng)前正在播放的視頻，直到緩沖區(qū)大小達(dá)到此刻最大緩沖區(qū)大小

步驟105：在當(dāng)前視頻下載到最大緩沖區(qū)之后接著下載推薦隊(duì)列中的視頻；推薦隊(duì)列中視頻的最大允許的預(yù)加載大小由和視頻i的留存率閾值Pⁱ共同決定；為了防止接下來(lái)要觀看的視頻的緩沖區(qū)大小在用戶滑走視頻時(shí)已經(jīng)預(yù)加載的視頻長(zhǎng)度發(fā)生波動(dòng)，將推薦隊(duì)列中視頻的最大緩沖區(qū)設(shè)置為與當(dāng)前正在播放的視頻的最大緩沖區(qū)一致，即推薦隊(duì)列里的與當(dāng)前正在觀看的視頻的保持一致；

步驟106：設(shè)為第i個(gè)視頻中的第k個(gè)塊的留存率，真實(shí)數(shù)據(jù)集中留存率是通過統(tǒng)計(jì)用戶觀看行為得出的，模擬數(shù)據(jù)集中留存率是由軟件生成的；反映了視頻對(duì)用戶的吸引力，dⁱ為下載視頻i的每個(gè)視頻塊比前一個(gè)視頻塊留存率低百分之多少，它表明留存率的下降程度和趨勢(shì)；當(dāng)dⁱ達(dá)到最大時(shí)，表示當(dāng)前視頻塊相比前一個(gè)視頻塊的吸引力已經(jīng)降到最低；因此，將前一個(gè)視頻塊留存率作為留存率閾值Pⁱ；Pⁱ計(jì)算公式如下，表示當(dāng)dⁱ達(dá)到最大時(shí)Pⁱ的取值為

步驟107：隊(duì)列里的視頻需要下載到留存率大于等于閾值且緩沖區(qū)不超過最大緩沖區(qū)的視頻塊；當(dāng)隊(duì)列里所有視頻都下載到滿足上述約束的塊時(shí)，就暫停下載，暫停時(shí)間Δt_k由步驟102計(jì)算得出；

待時(shí)間到后就繼續(xù)下載下一個(gè)視頻塊并重復(fù)步驟101到步驟107；

視頻塊的碼率決策算法：

輸入是過去真實(shí)帶寬和真實(shí)的緩沖區(qū)大小，輸出是下一個(gè)要下載視頻塊的碼率大小；碼率決策算法首先在選擇碼率之前進(jìn)行帶寬預(yù)測(cè)，利用帶寬預(yù)測(cè)結(jié)果并結(jié)合緩沖區(qū)大小，作為碼率決策的主要因素；由于在預(yù)加載機(jī)制中已經(jīng)確定了要下載視頻的序號(hào)，因此碼率決策算法中不涉及多個(gè)視頻，而涉及同一個(gè)視頻的多個(gè)視頻塊，用k表示第k個(gè)視頻塊；

步驟201：在初步預(yù)測(cè)未來(lái)的帶寬時(shí)，使用一個(gè)長(zhǎng)度為W的滑動(dòng)窗口觀察過去W個(gè)塊的真實(shí)帶寬，W當(dāng)前取值為5，然后使用調(diào)和平均法初步預(yù)測(cè)未來(lái)的帶寬；假設(shè)下載過去第k個(gè)塊時(shí)的真實(shí)帶寬為b_k，k的取值范圍為0＜k≤W，則初步預(yù)測(cè)出的未來(lái)帶寬b1如下所示；

步驟202：使用懲罰因子p對(duì)步驟201預(yù)測(cè)出的帶寬進(jìn)行矯正，帶寬矯正公式如下，p為過去W塊個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，b2為平滑矯正后的帶寬；

b2＝b1/(1+p)

步驟203：將帶寬低于2Mbps稱為低帶寬，高于等于2Mbps稱為高帶寬，Mbps＝Mbit/s即兆比特每秒，它的意思是時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的平均比特?cái)?shù)；在帶寬為低帶寬且緩沖區(qū)未達(dá)到最大緩沖區(qū)時(shí)，對(duì)帶寬預(yù)測(cè)模塊預(yù)測(cè)出的帶寬進(jìn)行縮小，使得碼率選擇保守，定義緩沖矯正因子m如下，b3為根據(jù)緩沖區(qū)大小矯正后未來(lái)帶寬的大小：

b3＝m*b2

其中，m1，m2分別為m的上界和下界，B_k(k)表示當(dāng)前緩存區(qū)的容量，B_max(k)代表緩存區(qū)的最大容量；m反映了根據(jù)緩存狀態(tài)對(duì)帶寬預(yù)測(cè)模塊預(yù)測(cè)出的帶寬的縮放程度；

步驟204：對(duì)未來(lái)5個(gè)視頻塊所有可能的碼率進(jìn)行排列組合，然后計(jì)算過去一個(gè)塊和未來(lái)5個(gè)塊的所有碼率組合的performance；performance是由碼率bitrate、卡頓時(shí)間rebuf、順滑度smooth、帶寬利用bandwidth_usage四個(gè)元素組成的綜合指標(biāo)，代表每一種碼率組合帶來(lái)的性能收益；碼率bitrate是每一個(gè)視頻塊所選的編碼碼率之和，卡頓時(shí)間rebuf是由于網(wǎng)絡(luò)狀況不好造成播放中斷的時(shí)長(zhǎng)之和，順滑度smooth是兩個(gè)視頻塊的碼率差值之和，帶寬利用bandwidth_usage是每個(gè)視頻塊大小；a，b，C，d是各項(xiàng)元素的系數(shù)，代表各元素對(duì)最終性能收益的重要性；之后使用窮舉法從中找到性能收益performance最大的碼率組合，將最該組合中的第一個(gè)未來(lái)塊的碼率作為決策值；performance的計(jì)算公式如下：

performance

＝a*bitrate+b*smooth-c*rebuF-d*bandwidth_usage

步驟205：

根據(jù)對(duì)參數(shù)數(shù)值與性能之間存在的單調(diào)關(guān)系進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)條件逐漸變好，即帶寬逐漸增大的時(shí)候，若想要保持優(yōu)良性能，各項(xiàng)元素系數(shù)a，b，c，d應(yīng)做如下變化，碼率系數(shù)a逐漸增大，順滑度系數(shù)b、中斷時(shí)間系數(shù)c、帶寬利用系數(shù)d逐漸減小；

各項(xiàng)元素系數(shù)a，b，c，d的具體設(shè)置如下，其中l(wèi)evel表示過去五個(gè)視頻塊的平均帶寬，用level作為中間參數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整各項(xiàng)元素系數(shù)a，b，c，d；

c＝exp(-level)

d＝exp(-(level-1.3)²)

其中各項(xiàng)元素系數(shù)a，b，c，d是通過上述單調(diào)關(guān)系和對(duì)其擬合得到，因此公式中涉及到的函數(shù)以及常數(shù)是通過調(diào)參得到的。