CN105763896A - 一种多用户动态自适应视频码率分配*** - Google Patents

Abstract

一种多用户动态自适应视频码率分配***，适用于无线网络环境，包括服务器端、代理服务器端和客户端；代理服务器端包括MPD文件解析模块、HTTP请求分析模块、客户端码率决策模块和码率分配模块，首先MPD文件解析模块从服务器端获得相应视频的码率信息，客户端码率决策模块通过结合HTTP请求分析模块提供的用户信息计算出合适的码率分配方案并交给码率分配模块进行码率分配。该***利用代理服务器进行分组并通过求纳什均衡解来动态自适应地进行码率分配来实现高效的多用户无线网络带宽资源共享，在保证每个客户端能够获得适合自身网络环境的视频的同时提高无线网络带宽利用率和总体用户的视频质量体验并降低硬件成本。

Description

一种多用户动态自适应视频码率分配***

技术领域

本发明涉及一种适用于无线网络环境的多用户动态自适应视频码率分配***，属于通信技术领域。

背景技术

现代的互联网视频传输***倾向于实现能够动态自适应网络带宽环境的流媒体传播方法，其中动态图像专家组(MovingPictureExpertsGroup,MPEG)组织提出的基于HTTP协议的动态自适应流媒体传输标准(DynamicadaptiveStreamingoverHTTP,DASH)引起了人们广泛的关注和研究。由于DASH标准基于HTTP协议，所以它可以方便地配置在现有的HTTP服务器中并提供可用的视频资源。该方法有两个重要的特点：首先，流媒体视频被细分为一定的长度的段，客户端通过依次下载和缓存视频段实现视频的无缝播放，而且视频段是独立解码播放的。其次，同一内容的流媒体视频有不同码率的视频版本，每个版本地视频质量不同。DASH标准要求客户端通过预先下载定义了相关视频信息的媒体描述文件(MediaPresentationDescription,MPD)来了解视频的版本信息以确定需要下载的视频内容。DASH标准允许客户端以一定的规则向DASH服务器请求不同质量的视频段，并不限制规则的具体方法。

目前对于DASH的研究更多的着力点在于单用户如何适应变化的网络环境。但是，随着公共Wi-Fi网络的普及，在无线网络中实现DASH流媒体服务的成为一种趋势，公共无线网络要求尽可能多的为用户提供较好的视频服务，尽可能地利用无线网络带宽。但是现有的DASH解决方案虽然有一定的自适应决策，却不能实现整个无线网络***的视频网络资源的统筹规划，多用户之间的公平性问题较为严峻。现有的DASH解决方案并没有真正的解决多用户自适应地较为公平地分配共享带宽的问题。

发明内容

针对现有DASH技术的不足，本发明提供一种能够提高视频码率、降低码率变化频率、码率分配更加公平的用于无线网络环境的多用户动态自适应视频码率分配***。该***涉及无线视频流媒体***中的参与用户数目估计和资源分配问题，是利用代理服务器进行分组，并通过求纳什均衡解(NashBargainingSolution,NBS)来动态自适应地进行码率分配实现高效的多用户无线网络带宽资源共享。

本发明的多用户动态自适应视频码率分配***，采用以下技术方案：

该***，包括服务器端、代理服务器端和客户端；代理服务器端包括MPD文件解析模块、HTTP请求分析模块、客户端码率决策模块和码率分配模块；

(1)服务器端：

①用视频捕捉设备获得原始视频并生成DASH资源(DASH视频段以及描述相应DASH资源的MPD文件)；

②在标准的HTTP服务器中配置DASH资源并发布；

(2)代理服务器端：

①MPD文件解析模块：用于接收服务器提供商发布的相关视频的MPD文件以获取相应的视频码率信息，并及时更新视频信息；

②HTTP请求分析模块：用于确定客户请求的视频内容和请求视频的最低质量，并确定参与带宽共享的客户端数量；该模块将这些信息提供给客户端码率决策模块做决策使用；

③客户端码率决策模块：依据网络总带宽以及从MPD文件解析模块和HTTP请求分析模块获得的信息，通过求纳什均衡解计算每个客户端的码率；

所述计算每个客户端的码率，即找到以下公式(1)所示的最优解，

$\begin{array}{c}\max \underset{j=1}{\overset{N}{\Π}}\left(u\right(R_j)-d_j)\\ \begin{array}{cc}s.t.& R_j>R_j^{\min }\\ & R_j\≤R_j^{\max }\\ & \underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_j\≤R_c\end{array}\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中N表示参与码率自适应的客户端数目，R_j表示第j个客户端请求的视频的码率，u(R_j)表示客户端的视频码率为R_j时其获得的视频质量，如下式(2)所示，

u_k(R)＝a₁log(a₂R_k+a₃)(2)

其中，a₁，a₂，a₃为视频质量决定系数(不同类型的视频，其大小不同)，其数值可以在服务器端对视频进行编码时获得，并记录在MPD文件中；d_j表示客户端的最低能够接受的视频质量；R_c表示总的网络带宽(标记为R_c)；通过求式(1)的最优解，得到客户端j所能获得的最优码率，如公式(3)和(4)所示，

$R_j=({10}^{d_j\mathrm{\λ}}-a_3)/a_2---\left(3\right)$

$log\mathrm{\λ}=R_c-\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}(a_2{d}_j-a_3)---\left(4\right)$

最后，在DASH服务器端寻找编码码率与R_j最接近的视频段作为最合适客户端j的视频码率；

④码率分配模块依据码率决策模块提供的码率对每个客户端的码率进行修改，保证每个客户端的请求码率不高于决策得出的码率，以实现对总的无线带宽资源的合理分配；

(3)客户端：

①DASH视频接收端(支持MPEG-DASH的视频服务提供商发布的网页及客户端)，以便于DASH视频能够正常的下载播放；

②DASH代理服务器信息，以便于代理服务器对与其连接的各个客户端进行统一管理。

本发明适用于无线网络环境，是一种利用代理服务器进行分组并通过求纳什均衡解(NashBargainingSolution,NBS)来动态自适应地进行码率分配来实现高效的多用户无线网络带宽资源共享，可以在保证每个客户端能够获得适合自身网络环境的视频的同时提高无线网络带宽利用率和总体用户的视频质量体验并降低硬件成本，视频码率得到提高，码率变化频率明显降低，码率分配更加公平；同时由于只限制分享带宽的方式，可以兼容当前已有的单用户客户端自适应***，能够广泛应用于无线网络流媒体视频传输***中。

附图说明

图1是本发明多用户流媒体视频码率分配***的结构原理图。

图2是本发明多用户流媒体视频码率分配***的部署图。

图3是本发明中所述的代理服务器端实现码率分配的模块及其运作流程图。

图4是没有采用本发明***(采用本发明***之前)的客户端接收到的码率分配图。

图5是采用本发明***的客户端接收到的码率分配图。

具体实施方式

本发明的用于无线网络环境的多用户动态自适应视频码率分配***，如图1所示，包括服务器端、代理服务器端和客户端。代理服务器端包括MPD文件解析模块、HTTP请求分析模块、客户端码率决策模块和码率分配模块，首先MPD文件解析模块从服务器端获得相应视频的码率信息，客户端码率决策模块通过结合HTTP请求分析模块提供的用户信息计算出合适的码率分配方案并交给码率分配模块进行码率分配。本发明多用户流媒体视频码率分配***的部署如图2所示。

(1)服务器端

①用相应的视频捕捉设备获得原始视频并用相应的DASH视频生成工具生成DASH资源(DASH视频段以及描述相应DASH资源的MPD文件)。相应的DASH视频资源需要进行质量水平评估并提供到MPD文件中。

②在标准的HTTP服务器中配置相应的DASH资源并发布。

(2)代理服务器端，如图3所示：

①MPD文件解析模块：用于接收服务器提供商发布的相关视频的MPD文件以获取相应的视频码率信息，并及时更新视频信息；

②HTTP请求分析模块：用于确定客户请求的视频内容和请求视频的最低质量，并确定参与带宽共享的客户端数量；该模块将这些信息提供给客户端码率决策模块做决策使用；

③客户端码率决策模块：依据网络总带宽以及从MPD文件解析模块和HTTP请求分析模块获得的信息，通过求纳什均衡解计算每个客户端的码率。

计算每个客户端的码率，即找到公式(1)所示的最优解，

$\begin{array}{c}\max \underset{j=1}{\overset{N}{\Π}}\left(u\right(R_j)-d_j)\\ \begin{array}{cc}s.t.& R_j>R_j^{\min }\\ & R_j\≤R_j^{\max }\\ & \underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_j\≤R_c\end{array}\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中N表示参与码率自适应的客户端数目，R_j表示第j个客户端请求的视频的码率，u(R_j)表示客户端的视频码率为R_j时其获得的视频质量，如式(2)所示，

u_k(R)＝a₁log(a₂R_k+a₃)(2)

其中，a₁，a₂，a₃为视频质量决定系数(不同类型的视频，其大小不同)，其数值可以在服务器端对视频进行编码时获得，并记录在MPD文件中；d_j表示客户端的最低能够接受的视频质量；R_c表示总的网络带宽(标记为R_c)；通过求式(1)的最优解，得到客户端j所能获得的最优码率，如公式(3)和(4)所示，

$R_j=({10}^{d_j\mathrm{\λ}}-a_3)/a_2---\left(3\right)$

$log\mathrm{\λ}=R_c-\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}(a_2{d}_j-a_3)---\left(4\right)$

最后，在DASH服务器端寻找编码码率与R_j最接近的视频段作为最合适客户端j的视频码率；

④码率分配模块依据码率决策模块提供的码率对每个客户端的码率进行修改，保证每个客户端的请求码率不高于决策得出的码率，以实现对总的无线带宽资源的合理分配；

(3)客户端：

①DASH视频接收端(支持MPEG-DASH的视频服务提供商发布的网页及客户端)，以便于DASH视频能够正常的下载播放；

②DASH代理服务器信息，以便于代理服务器对与其连接的多个客户端进行统一管理。本发明的效果可以通过实验进一步说明。图4所示为不采用本发明的码率分配结果，图5所示为采用本发明的码率分配结果。由图4和图5的对比可以看出采用了本发明之后，各客户端获得的视频码率得到提高，码率变化频率明显降低，码率分配更加公平。

Claims (2)

1.一种多用户动态自适应视频码率分配***，其特征是：包括服务器端、代理服务器端和客户端；代理服务器端包括MPD文件解析模块、HTTP请求分析模块、客户端码率决策模块和码率分配模块；

(1)服务器端：

①用视频捕捉设备获得原始视频并生成DASH资源；

②在标准的HTTP服务器中配置DASH资源并发布；

(2)代理服务器端：

①MPD文件解析模块：用于接收服务器提供商发布的相关视频的MPD文件以获取相应的视频码率信息，并及时更新视频信息；

②HTTP请求分析模块：用于确定客户请求的视频内容和请求视频的最低质量，并确定参与带宽共享的客户端数量；该模块将这些信息提供给客户端码率决策模块做决策使用；

③客户端码率决策模块：依据网络总带宽以及从MPD文件解析模块和HTTP请求分析模块获得的信息，通过求纳什均衡解计算每个客户端的码率；

④码率分配模块依据码率决策模块提供的码率对每个客户端的码率进行修改，保证每个客户端的请求码率不高于决策得出的码率，以实现对总的无线带宽资源的分配；

(3)客户端：

①DASH视频接收端，以便于DASH视频能够正常的下载播放；

②DASH代理服务器信息，以便于代理服务器对与其连接的各个客户端进行统一管理。

2.根据权利要求1所述的多用户动态自适应视频码率分配***，其特征是：所述计算每个客户端的码率，即找到以下公式(1)所示的最优解，

$max\underset{j=1}{\overset{N}{\Π}}\left(u\right(R_j)-d_j)$

$\begin{array}{cc}s.t.& R_j>R_j^{\min }\\ & R_j\≤R_j^{\max }\end{array}---\left(1\right)$

$\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{R}_j\≤R_c$

式(1)中N表示参与码率自适应的客户端数目，R_j表示第j个客户端请求的视频的码率，u(R_j)表示客户端的视频码率为R_j时其获得的视频质量，如下式(2)所示，

u_k(R)＝a₁log(a₂R_k+a₃)(2)

其中，a₁，a₂，a₃为视频质量决定系数，其数值在服务器端对视频进行编码时获得，并记录在MPD文件中；d_j表示客户端的最低能够接受的视频质量；R_c表示总的网络带宽(标记为R_c)；通过求式(1)的最优解，得到客户端j所能获得的最优码率，如公式(3)和(4)所示，

$R_j=({10}^{d_j\mathrm{\λ}}-a_3)/a_2---\left(3\right)$

$log\mathrm{\λ}=R_c-\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}(a_2{d}_j-a_3)---\left(4\right)$

最后，在DASH服务器端寻找编码码率与R_j最接近的视频段作为最合适客户端j的视频码率。