CN108063955B - 基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法 - Google Patents

基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于多媒体通信领域，具体为基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，包括：服务端将存储的视频进行切片，每个视频片段均具有K个码率等级；客户端根据最新下载的N个视频片段，计算所述N个视频片段的平均码率、均方差以及平均带宽；得到码率偏移率以及第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存；根据所述播放缓存的不同范围和码率偏移率的不同范围，按照码率状态切换公式进行码率切换；本发明将视频码率与影响因素的数值变化之间的联系作为状态转移条件，在保证播放缓存和码率偏移率处于一定阈值的条件下将码率切换至视频质量和播放流畅性整体性能相对最佳的码率等级上，从而达到较好的用户观看体验。

Description

基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法
技术领域
本发明属于多媒体通信领域，具体涉及一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法。
背景技术
传统流媒体技术，如实时传输协议(Real-time Transport Protocol，RTP)和实时流传输协议(Real Time Streaming Protocol，RTSP)存在防火墙、网络地址转换(NetworkAddress Translation,NAT)穿越、安装部署成本较高等问题。基于超文本传输协议(HyperText Transfer Protocol，HTTP)的动态自适应流媒体技术(Dynamic Adaptive Streamingover HTTP,DASH)应运而生。采用HTTP协议作为传输协议是因为HTTP数据包能够很好地解决防火墙、网络地址转换穿越问题，同时能够有效利用现有的网络服务体系架构，现有的HTTP服务器就能提供良好的视频服务，大大减少了部署成本。MPEG-DASH作为统一的国际化标准，解决了现有HTTP动态自适应技术间的兼容性问题基本，其原理是将原始视频内容编码成多份不同码率的媒体流，根据时间轴信息把各媒体流等距划分成多个数据段存放在服务端，并使用媒体呈现描述(Media Presentation Description，MPD)文件统一描述所有媒体流及其数据段信息，从而客户端在播放时能够根据自己的网络环境，自行选择适当码率的媒体数据段进行下载播放。
MPEG-DASH标准的各项技术一直在向前发展，出现了各种应用与扩展，而码率自适应切换算法，作为动态自适应流媒体传输的核心技术，却始终没有一个标准出现，因此基于MPEG-DASH的码率自适应算法成为流媒体传输领域的研究热点。由于网络情况的动态性，在整个请求视频的会话过程中很难一直保持满意的用户体验，如果没有一个高效的码率自适应切换算法，用户在观看过程中可能会遇到码率切换频繁，缓冲，码率阶跃等情况。例如，当视频码率高于网络带宽时有可能导致网络拥塞，从而消耗播放缓存，引起缓冲；如果视频码率低于带宽时，那么视频质量就无法达到带宽所允许的最佳质量，导致较差的观看体验。现有的码率自适应方法主要从传输带宽，播放缓存和体验质量(Quality of Experience，QoE)这三个角度进行考虑。基于带宽的方法主要根据网络的可用带宽，并对可用带宽的估计值进行一定的平滑处理，使视频片段码率根据带宽估计值进行自适应切换，然而该类算法对估计带宽进行平滑处理之后带宽利用率较低；基于播放缓存的码率自适应控制算法主要思想是通过请求不同码率的视频片段将客户端的播放缓存控制在一定的范围内，从而保证视频的连续播放，该类方法虽然能够保证视频的连续播放，但是存在着码率切换频繁等问题；CN103945245A中公开了通过对缓存区间状态的动态监测，当视频缓存不在设定好的缓存区间内时，码率发生切换；但该方法的带宽利用率不高，缓存区间的选择不能综合考虑切换次数和视频平均码率；基于QoE的码率自适应控制算法主要思想是通过对QoE进行理论上的分析与定义，利用一定的控制方法对请求的视频码率进行控制，从而力求达到最佳QoE，该类方法在考虑到视频质量、码率切换频率等QoE影响因素的时候没有充分考虑到带宽利用率和码率切换幅度这两个因素；并且该类方法的所采用的算法时间复杂度较高。
发明内容
鉴于此，本发明方法是针对已有的HTTP动态自适应流媒体传输技术的视频码率自适应算法不能很好解决播放流畅性和视频质量之间的矛盾；本发明的目的在于提供一种能够充分考虑带宽利用率和码率切换幅度的视频传输的码率切换方法，具体为一种基于状态机的动态自适应视频码率切换方法(State machine based Dynamic Adaptive Streamingover HTTP,SDASH)，该方法能够为客户在请求视频过程中提供较好QoE。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，包括：
服务端将存储的视频进行切片，每个视频片段均具有K个不同码率等级；
客户端计算已经完成下载的N个视频片段的平均码率mk和均方差σk以及所述N个视频片段的平均带宽bN；
得到码率偏移率θk以及第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk；
根据第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk的不同范围和码率偏移率θk的不同范围，将第k+1个视频片段的所处的码率等级L(k+1)j从第k个视频片段的所处的码率等级Lki按照码率状态切换公式进行码率切换；
其中，所述K个不同码率等级包括：
{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}，Lki表示第k个视频片段的第i个的码率等级，也即是第k个视频片段的所处的码率等级i∈{1,2,...,K}，Lk1<...<Lk(i-1)<Lki<Lk(i+1)<....<LkK。
其中，优选的，第k+1个视频片段的所处的码率等级L(k+1)j有：L(k+1)j∈{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}；L(k+1)j表示第k+1个视频片段第j个码率等级，j∈{1,2,...,K}。
进一步的，优选的，所述根据所述第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk的不同范围和码率偏移率θk的不同范围，按照码率状态切换公式进行码率切换包括：
所述根据所述第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk的不同范围和所述码率偏移率θk的不同范围，将第k+1个视频片段的所处的码率等级L(k+1)j从第k个视频片段的所处的码率等级Lki按照码率状态切换公式进行码率切换包括：
S1、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否大于第一播放缓存且小于第二播放缓存，以及码率偏移率θk是否大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率，若同时满足，则计算第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max对应的码率等级Lmax，将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为码率等级Lmax，流程结束，否则，转至步骤S2；
S2、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否小于第一播放缓存，若是则转至步骤S3，否则，转至步骤S5；
S3、将第k个视频片段的码率等级Lki下降两个等级得到过渡码率等级Lkt，判断是否满足条件过渡码率等级Lkt≥Lk1，是则计算第k+1个视频片段码率设定为过渡码率等级Lkt之后计算所得的播放缓存估计值qk+1_t，并转步骤S4，否则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j置为Lk1；流程结束，其中，过渡码率等级Lkt表示第k个视频片段的过渡码率等级；
S4、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否小于播放缓存估计值qk+1_t，若小于，则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切为过渡码率等级Lkt，流程结束，否则转步骤S3；
S5、判断播放缓存码率偏移率是否大于第二码率偏移率，以及第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否大于第一播放缓存且小于第二播放缓存，是则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为目标状态Lkb的码率等级，否则继续；其中，目标状态Lkb表示第k个视频片段的目标码率等级，也即最接***均带宽的码率等级，Lkb∈{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}；
S6、进行暂停请求操作，暂停时间为τs，并将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)i切换为第k个视频片段的码率等级Lki。
进一步的，第k+1个片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max包括：
Figure BDA0001509047090000041
其中，
Figure BDA0001509047090000042
表示第k+1个视频片段的码率等级保持不变时QoE影响因素，也即是第k+1个视频片段的码率等级保持为Lki时的QoE影响因素；表示码率等级为Lk(i+1)的QoE影响因素，
Figure BDA0001509047090000044
表示码率等级为Lk(i-1)的QoE影响因素，其中，Lk(i+1)表示第k个视频片段的第i+1个的码率等级，Lk(i-1)表示第k个视频片段的第i-1个的码率等级；i∈{1,2,...,K}，相应的，第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max对应的码率等级Lmax则可能对应为Lki、Lk(i+1)或Lk(i-1)。
优选的，所述QoE影响包括：
Qk＝a*Q_m-b*Q_σ
其中，{a,b|a+b＝1,a>0,b>0}为两个影响因素的系数，Q_m表示视频质量对QoE的影响，Q_σ表示播放流畅性对QoE的影响。
优选的，所述Q_m表示视频质量对QoE的影响包括：
Q_m＝ln(mk+ε)
所述Q_σ表示播放流畅性对QoE的影响包括：
Figure BDA0001509047090000051
其中，ε和
Figure BDA0001509047090000052
为常系数，上述公式可以知道，视频码率越高，均方差越小，视频播放流畅性越好，且mk和σk都与视频片段的码率直接相关。
优选的，所述平均码率mk包括：
Figure BDA0001509047090000053
其中，vi表示码率等级Lki所对应的码率；
优选的，所述码率偏移率θk包括：
Figure BDA0001509047090000054
其中，bN表示最新下载的N个视频片段的平均带宽，mk表示最新下载的N个视频片段的平均码率。
进一步的，所述播放缓存估计值qk+1_t包括：
Figure BDA0001509047090000055
其中，τs表示暂停时间，T表示一个视频片段的时长，vk+1表示第k+1个视频片段的码率。
进一步的，所述码率状态切换公式对应码率等级状态；所述码率等级状态包括：码率等级过渡状态、码率等级目标状态、码率等级保持状态、码率等级加一状态，码率等级减一状态和码率等级暂停请求状态。
优选的，所述码率状态切换公式包括：
Figure BDA0001509047090000061
其中，Lki表示第k个视频片段的所处的码率等级，Lkt表示过渡码率等级，Lkb表示目标状态，即最接***均带宽的码率等级，L(k+1)j表示第k+1个视频片段所处的码率等级，Lk(i+1)表示第k个视频片段的第i+1个的码率等级，Lk(i-1)表示第k个视频片段的第i-1个的码率等级；i∈{1,2,...,K}。
定义θmax为码率偏移的最大阈值，也即是本发明的第二码率偏移率θmax，优选的，第一码率偏移率为0，使码率偏移率保持在一定范围内，当视频码率与网络带宽在一定范围内保持一致时即可对播放缓存起到一个稳定作用，从而尽量避免码率出现周期性切换，限定条件用如下公式表示：
0≤θk≤θmax
定义qmin、qmax分别为播放缓存qk的上下两个阈值，也即为本发明的第一播放缓存qmin，第二播放缓存qmax；为请求完第k个视频片段之后客户端的播放缓存，由于视频片段有不同的码率，客户端存储的播放缓存不能直接对应可播放内容的时长，因此直接采用客户端缓存的视频片段的可播放时长来表征播放缓存，使qk保持在一定范围内即可避免出现缓存不足导致播放停顿或者缓存溢出等问题。
当qk超过上述两个阈值范围时就需要按照一定的准则进行码率切换使之保持在阈值之内。因为播放缓存不足将会引起播放停顿情况出现，而播放停顿对客户观看过程产生的影响最为直观，所以方法首先需要使qk满足公式qmin<qk<qmax。与此同时，视频质量与播放流畅性也是客户观看过程所能直观感受到的，因此在请求下一个码率片段时需要最大化Qk+1。
本发明的有益效果在于：提出一种基于状态机的码率自适应算法，对视频观看过程中的QoE影响因素进行分析，并采用状态机对码率自适应过程进行分析与控制，依据一定的准则将影响因素的数值变化与码率之间的联系作为状态转移的条件，在保证较少码率切换次数的条件下，为客户提供较高的视频码率，且尽量避免码率阶跃和骤降等情况出现，而码率偏移率θk的引入能够较快将初始码率切换到高码率上去，同时能够保证较低的初始播放时延，从而提供较好的QoE。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的视频码率状态转移图；
图3为本发明的带宽变化图；
图4为本发明的码率切换及播放缓存示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施方式进行详细的描述，如图1所示，本发明的一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，服务器中存储有某一视频内容的视频切片，服务端将存储的视频切为多个视频片段，每个视频片段具有K个码率等级；
计算客户端最新完成下载的N个视频片段的平均码率mk、均方差σk以及平均带宽bN；得到码率偏移率θk以及第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk；根据所述第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk的不同范围和所述码率偏移率θk的不同范围，将第k+1个视频片段的所处的码率等级L(k+1)j从第k个视频片段的所处的码率等级Lki按照码率状态切换公式进行码率切换。
进一步的，优选的，根据第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk的不同范围和码率偏移率θk的不同范围，将第k+1个视频片段的所处的码率等级L(k+1)j从第k个视频片段的所处的码率等级Lki按照码率状态切换公式进行码率切换，具体包括：
S1、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否大于第一播放缓存且小于第二播放缓存，以及码率偏移率θk是否大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率，若同时满足，则计算第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max对应的码率等级Lmax，将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为码率等级Lmax，流程结束，否则，转至步骤S2；
S2、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否小于第一播放缓存，若是则转至步骤S3，否则，转至步骤S5；
S3、将第k个视频片段的码率等级Lki下降两个等级得到过渡码率等级Lkt，判断是否满足条件过渡码率等级Lkt≥Lk1，是则计算第k+1个视频片段码率设定为过渡码率等级Lkt之后计算所得的播放缓存估计值qk+1_t，并转步骤S4，否则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j置为Lk1；流程结束，其中，过渡码率等级Lkt表示第k个视频片段的过渡码率等级；Lkt∈{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}；
S4、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否小于播放缓存估计值qk+1_t，若小于，则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为过渡码率等级Lkt，流程结束，否则转步骤S3；
S5、判断播放缓存码率偏移率是否大于第二码率偏移率，以及第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否大于第一播放缓存且小于第二播放缓存，是则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为目标状态Lkb的码率等级，流程结束，否则继续；其中，目标状态Lkb表示第k个视频片段的目标码率等级，也即最接***均带宽的码率等级，Lkb∈{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}；
S6、进行暂停请求操作，暂停时间为τs，将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为第k个视频片段的码率等级Lki。
优选的，当i＝1或者i＝K时，此时第k+1个片段码率的码率等级不能下降或者上升了，此时第k+1个片段码率的码率等级保持不变，也即是保持为第k个片段码率的所处码率等级。
进一步的，第k+1个片段码率的Qk+1_max包括：
Figure BDA0001509047090000091
其中，
Figure BDA0001509047090000092
表示第k+1个视频片段的码率等级保持不变时QoE影响因素，表示码率等级为Lk(i+1)的QoE影响因素，表示码率等级为Lk(i-1)的QoE影响因素，其中，Lk(i+1)表示第k个视频片段的第i+1个的码率等级，Lk(i-1)表示第k个视频片段的第i-1个的码率等级；i∈{1,2,...,K}。
优选的，所述QoE影响包括：
Qk＝aQ_m-bQ_σ
其中，{a,b|a+b＝1,a>0,b>0}为两个影响因素的系数，Q_m表示视频质量对QoE的影响，Q_σ表示播放流畅性对QoE的影响。
优选的，所述Q_m表示视频质量对QoE的影响包括：
Q_m＝ln(mk+ε)
所述Q_σ表示播放流畅性对QoE的影响包括：
Figure BDA0001509047090000095
其中，ε和
Figure BDA0001509047090000096
为常系数，上述公式可以知道，视频码率越高，均方差越小，视频播放流畅性越好，且mk和σk都与视频片段的码率直接相关。
进一步的，所述播放缓存估计值qk+1_t包括：
Figure BDA0001509047090000097
其中，τs表示暂停时间，T表示一个视频片段的时长，vk+1表示第k+1个视频片段的码率。
qk+1代表第k+1个片段下载完成时的播放缓存为开始下载第k+1个片段时的播放缓存加上片段长度T，再减去下载第k+1个片段所需的时间；其中，qk+1也就是在下载过程中播放器消耗的缓存时长。另外，如果带宽过高，播放缓存存在溢出的可能性，那么就需要一个暂停请求机制来防止缓存溢出，暂停时间为τs。
进一步的，所述码率状态切换公式对应码率等级状态；所述码率等级状态包括：码率等级过渡状态、码率等级目标状态、码率等级保持状态、码率等级加一状态，码率等级减一状态和码率等级暂停请求状态。
优选的，所述码率状态切换公式包括：
其中，Lki表示第k个视频片段的所处的码率等级，Lkt表示过渡码率等级，Lkb表示目标状态，即最接***均带宽的码率等级，L(k+1)j表示第k+1个视频片段所处的码率等级，Lk(i+1)表示第k个视频片段的第i+1个的码率等级，Lk(i-1)表示第k个视频片段的第i-1个的码率等级；i∈{1,2,...,K}。
在满足播放缓存和码率偏移率在一定阈值的条件下选择Qk+1_max所对应的码率。基于状态机的动态自适应视频码率切换方法的视频码率等级状态转移图如图2所示。在满足总的切换准则的前提下，进行上升或者下降操作后的码率等级必须属于事先设定表示第k个视频片段的的码率等级集合{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}，其中，Lk1<...<Lk(i-1)<Lki<Lk(i+1)<....<LkK，图2中的状态转移条件1至条件5可以分别表示为：
条件1：
Figure BDA0001509047090000102
也即是第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk大于第一播放缓存qmin且小于第二播放缓存qmax，以及码率偏移率θk大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率θmax，以及第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值
Figure BDA0001509047090000111
时，此时，L(k+1)j＝Lki，将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段所处的码率等级；
条件2：
Figure BDA0001509047090000112
也即是第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk大于第一播放缓存qmin且小于第二播放缓存qmax，以及码率偏移率θk大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率θmax，以及第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max为
Figure BDA0001509047090000113
时，同时，第k个视频片段的第i+1个的码率等级小于等于第k个视频片段的第K个的码率等级，此时，L(k+1)j＝Lk(i+1)，将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段的第i+1个的码率等级；
条件3：
Figure BDA0001509047090000114
即是是第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk大于第一播放缓存qmin且小于第二播放缓存qmax，以及码率偏移率θk大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率θmax，以及第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max为时，同时，第k个视频片段的第i-1个的码率等级小于等于第k个视频片段的第1个的码率等级，此时，L(k+1)j＝Lk(i-1)，将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段的第i-1个的码率等级；
接下来对条件4进行分析，当θk>θmax&&qmin<qk<qmax时，播放缓存处于特定阈值之内，也即是播放缓存小于第二播放缓存且大于第一播放缓存时，此时不会出现缓存溢出或者因缓存不足而引起播放暂停的情况，但是N个片段的平均码率相对于平均带宽的偏移较大，因此将Lki切换到最接近于bN的码率等级Lkb。因此条件4为：
条件4：θk>θmax&&qmin<qk<qmax
此外，在视频请求的初始阶段，为保证尽可能低的初始播放时延Ts，将初始码率设置为Lk1，当播放缓存达到第一播放缓存qmin时，公式0≤θk≤θmax的限制能够将初始码率直接从Lk1提升至Lkb，不必经历码率逐步提升的阶段，从而尽快为客户提供高码率片段，此时，L(k+1)j＝Lkb，也即是将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段的目标码率等级。
条件5：qk≤qmin
如果满足条件5，并且Lki对应的码率较高时，为尽量避免码率骤降对QoE带来较大的负面影响，需要设定一个过渡码率来减小码率下降的幅度。设{Lkt|Lkt＝Lk(i-2n)，且i-2n>0,n＝1,2,3...}为过渡码率等级，qk+1_t为将第k+1个片段码率设定为过渡码率之后计算所得的播放缓存估计值，当qk≤qk+1_t时，即下一片断的码率下降2n个等级后的估计播放缓存大于当前播放缓存，此操作可使播放缓存呈现上升趋势，则将当前第k个视频片段的所处的码率等级Lki切换到过渡码率等级Lkt；否则将当前码率等级Lki下降到初始码率等级Lk1。
条件6：qk≥qmax
在播放缓存满足条件6的情况下，需要进行暂停请求的操作，当qk<qmax时，客户端即可继续向服务器请求视频片段，此时，L(k+1)j＝Lki，也即是第k+1个视频片段的所处的码率等级仍旧保持为第k个视频片段的所处的码率等级Lki。
本发明采用状态机的设计思想对码率切换过程进行分析与控制；状态机通过监测QoE影响因素的数值变化，充分利用影响因素与各个码率状态间的联系控制码率切换，使切换过程具有较好的QoE。在基于DASH的视频传输***中，QoE的主要影响因素为以下四个：视频质量、播放的流畅性、播放停顿次数及停顿时长、初始播放时延。
设置过渡码率等级Lkt是为了避免码率在出现带宽波动或者客户端播放缓存不足的情况下出现码率骤降从而对QoE产生负面影响，设置码率Lkb等级是为了提高视频片段请求过程中的带宽利用率，设置暂停请求状态的目的是避免播放缓存达到一定阈值之后避免浪费带宽和缓存溢出。假设第k个片段的码率等级为Lki。
优选的，所述平均码率mk包括：
Figure BDA0001509047090000131
其中，vi表示等级码率Lki所对应的码率。
优选的，所述播放的流畅性用均方差σk表征，包括：
Figure BDA0001509047090000132
然而做出码率切换决策时仅仅将qmin<qk<qmax作为前提，将第k+1个片段码率设定为Qk+1_max所对应的码率时往往会导致码率出现频繁切换；Qk+1_max极有可能在码率等级保持或者码率等级加一的情况下取得，当持续一定时间的高码率之后，播放缓存低于qmin，则需要采取码率下降操作，经过一定时间后码率又逐步上升，重复这个过程。针对上述问题，本发明引入码率偏移率θk，即N个视频片段的平均码率相对于平均带宽的偏移率绝对值，优选的，所述码率偏移率θk包括：
Figure BDA0001509047090000133
其中，bN表示N个视频片段的平均带宽，mk表示N个视频片段的平均码率。
本发明考虑到QoE影响因素中的播放流畅性，码率切换幅度作为其中一个重要影响因素，特别是当播放缓存低于某一阈值时，可能引起播放停顿，而播放停顿是用户能够直观感受到的，此时需要进行码率下降操作，但是直接将码率切换至初始码率则可能引起码率骤降，所以需要为码率切换设定对应的过渡状态Lkt。同时考虑到视频传输过程的网络带宽利用率，将最接***均带宽的码率等级Lkb设置为其中一个目标状态。
定义θmax为码率偏移的最大阈值，也即是本发明的第二码率偏移率θmax，优选的，第一码率偏移率为0，使码率偏移率保持在一定范围内，当视频码率与网络带宽在一定范围内保持一致时即可对播放缓存起到一个稳定作用，从而尽量避免码率出现周期性切换，限定条件用如下公式表示：
0≤θk≤θmax
QoE影响因素中的视频质量通过N个视频片段的平均码率mk来定量描述，播放的流畅性，即码率切换频率和幅度，则可以通过N个片段码率的均方差σk来定量描述。
定义qmin、qmax分别为播放缓存qk的上下两个阈值，也即为本发明的第一播放缓存qmin，第二播放缓存qmax；为请求完第k个视频片段之后客户端的播放缓存，由于视频片段有不同的码率，客户端存储的播放缓存不能直接对应可播放内容的时长，因此直接采用客户端缓存的视频片段的可播放时长来表征播放缓存，使qk保持在一定范围内即可避免出现缓存不足导致播放停顿或者缓存溢出等问题。
当qk超过上述两个阈值范围时就需要按照一定的准则进行码率切换使之保持在阈值之内。因为播放缓存不足将会引起播放停顿情况出现，而播放停顿对客户观看过程产生的影响最为直观，所以本发明采用的方法首先需要使qk满足公式qmin<qk<qmax。与此同时，视频质量与播放流畅性也是客户观看过程所能直观感受到的，因此在请求下一个码率片段时需要最大化Qk+1。
作为一种可选方式，本发明假设服务器中存储的视频码率等级{Lk1,Lk2,...,Lk5|Lk1<Lk2<...<Lk5}为300Kbps,700Kbps,1500Kbps,2500Kbps和3500Kbps五个等级，每个视频片段的固定长度T为2秒，整个视频的长度为500秒，ε和取1，影响因子a和b都取0.5。定义bN为下载完第k个视频片段时最近请求的N个视频片段的平均传输带宽，bk为下载第k个视频片段的平均传输带宽，qk为第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存，vk为第k个片段的码率，Lki为该码率vk所对应的码率等级，其中，第k个视频片段时最近请求的N个视频片段的即为第k-N+1个视频片段到第k个视频片段。假设在视频传输过程中网络带宽的变化如图4所示，在整个传输过程中带宽都处于快速变化中。
为尽可能减小初始时延，将客户端请求的初始码率设置为Lk1＝300Kbps，即状态机的初始状态设置为300Kbps，设定状态转移条件中的三个阈值qmin、qmax和θmax分别为10秒，90秒和0.25，计算平均码率和平均带宽所需要的视频片断数N设定为6，暂停时间τs为10秒。假设视频片段是连续请求的，则其平均码率mk、均方差σk和平均带宽bN可以由如下公式计算得出：
Figure BDA0001509047090000151
Figure BDA0001509047090000153
其中，vi表示等级码率Lki所对应的码率，bp表示第p个视频片段的带宽；
根据图3所示，初始的网络带宽设定为2000Kbps，而初始码率等级设定为300Kbps，因此初始阶段播放缓存快速上升，当播放缓存达到设定的第一播放缓存qmin后，此时码率偏移率θk大于设定的阈值第二码率偏移率θmax，根据状态转移条件4，状态机将码率直接从初始码率Lk1提升至Lkb，不必经历码率逐步提升的阶段，从而尽快为客户提供高码率片段。从图4可以看出，当播放缓存达到10秒后，根据状态转移条件4，当码率偏移率θk大于设定的第二码率偏移率θmax，即0.25之后，客户端请求的码率片段迅速从初始码率等级300Kbps上升到最接***均带宽bN的码率等级Lkb，即1500Kbps。
当传输进行到285秒时，客户端的播放缓存低于第一播放缓存qmin，根据状态转移条件5，将码率切换至过渡码率Lkt。Lkt的具体取值需要计算qk+1_t，判断是否满足条件qk≤qk+1_t。在285秒时码率为2500Kbps，按照状态转移条件5，首先将码率下降两个等级，即将700Kbps，计算得到qk+1_t，满足条件qk≤qk+1_t，则将码率切换至700Kbps。当播放缓存提升，重新满足公式qmin<qk<qmax之后，同时码率偏移率满足0≤θk≤θmax，则将Lk(i-1)、Lki和Lk(i+1)，也即是将300Kbps、700Kbps和1500Kbps分别计算QoE，计算Qk+1，得到当码率为1500Kbps时，能够取得Qk+1_max，所以将码率切换至1500Kbps。
状态转移条件1，条件2和条件3也都分别在不同时间得到满足，并进行相应的码率切换操作。因为在整个请求视频的过程中客户端播放缓存都没有超过第二播放缓存qmax，即视频片段的长度没有超过第二播放缓存qmax设定的90秒，所以没有出现播放暂定的情况。
本发明对视频观看过程中的QoE影响因素进行分析，并采用状态机对码率自适应过程进行分析与控制，依据一定的准则将影响因素的数值变化与码率之间的联系作为状态转移的条件，在保证较少码率切换次数的条件下，为客户提供较高的视频码率，且尽量避免码率阶跃和骤降等情况出现，而码率偏移率θk的引入能够较快将初始码率切换到高码率上去，同时能够保证较低的初始播放时延，从而提供较好的QoE。
本发明能够保证较少码率切换次数的条件下，为客户提供较高的视频码率，且尽量避免码率阶跃和骤降等情况出现，能够在片段请求的初始阶段较快将初始码率切换到高码率上去，同时能够保证较低的初始播放时延，从而提供较好的QoE。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，其特征在于，包括：
服务端将存储的视频进行切片，每个视频片段均具有K个不同码率等级；
客户端计算已经完成下载的N个视频片段的平均码率mk、N个视频片段的码率对应的均方差σk以及平均带宽bN；
得到码率偏移率θk以及第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk；
根据第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk的不同范围和码率偏移率θk的不同范围，将第k+1个视频片段的所处的码率等级L(k+1)j从第k个视频片段的所处的码率等级Lki按照码率状态切换公式进行码率切换，其中，所述K个不同码率等级包括：
{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}，Lki表示第k个视频片段的第i个的码率等级，也即是第k个视频片段的所处的码率等级，i∈{1,2,...,K}，j∈{1,2,...,K}；Lk1<...<Lk(i-1)<Lki<Lk(i+1)<....<LkK，所述已经完成下载的N个视频片段包括：从第k-N+1个视频片段到第k个视频片段；
其中，按照码率状态切换公式进行码率切换的过程包括：
条件1：
Figure FDA0002261046620000011
也即是第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk大于第一播放缓存qmin且小于第二播放缓存qmax，以及码率偏移率θk大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率θmax，以及第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max为
Figure FDA0002261046620000012
时，此时，L(k+1)j＝Lki，将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段所处的码率等级；
条件2：
Figure FDA0002261046620000013
也即是第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk大于第一播放缓存qmin且小于第二播放缓存qmax，以及码率偏移率θk大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率θmax，以及第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max为
Figure FDA0002261046620000021
时，同时，第k个视频片段的第i+1个的码率等级小于等于第k个视频片段的第K个的码率等级，此时，L(k+1)j＝Lk(i+1)，将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段的第i+1个的码率等级；
条件3：即是是第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk大于第一播放缓存qmin且小于第二播放缓存qmax，以及码率偏移率θk大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率θmax，以及第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max为时，同时，第k个视频片段的第i-1个的码率等级小于等于第k个视频片段的第1个的码率等级，此时，L(k+1)j＝Lk(i-1)，将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段的第i-1个的码率等级；
条件4：θk>θmax&&qmin<qk<qmax
当播放缓存达到第一播放缓存qmin时，公式0≤θk≤θmax的限制能够将初始码率直接从Lk1提升至Lkb，此时，L(k+1)j＝Lkb，也即是将第k+1个视频片段的所处的码率等级切换为第k个视频片段的目标码率等级；
条件5：qk≤qmin
如果满足条件5，设{Lkt|Lkt＝Lk(i-2n)，且i-2n>0,n＝1,2,3...}为过渡码率等级，qk+1_t为将第k+1个片段码率设定为过渡码率之后计算所得的播放缓存估计值，当qk≤qk+1_t时，即下一片段的码率下降2n个等级后的估计播放缓存大于当前播放缓存，则将当前第k个视频片段的所处的码率等级Lki切换到过渡码率等级Lkt；否则将当前码率等级Lki下降到初始码率等级Lk1；
条件6：qk≥qmax
在播放缓存满足条件6的情况下，需要进行暂停请求的操作；当qk<qmax时，客户端即继续向服务器请求视频片段，此时，L(k+1)j＝Lki，也即是第k+1个视频片段的所处的码率等级仍旧保持为第k个视频片段的所处的码率等级Lki；
所述码率偏移率θk包括：
Figure FDA0002261046620000031
其中，bN表示最新下载的N个视频片段的平均带宽，mk表示最新下载的N个视频片段的平均码率。
2.根据权利要求1所述的一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，其特征在于，所述根据第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk的不同范围和所述码率偏移率θk的不同范围，将第k+1个视频片段的所处的码率等级L(k+1)j从第k个视频片段的所处的码率等级Lki按照码率状态切换公式进行码率切换包括：
S1、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否大于第一播放缓存且小于第二播放缓存，以及码率偏移率θk是否大于第一码率偏移率且小于第二码率偏移率，若同时满足，则计算第k+1个视频片段码率的QoE影响因素的最大值Qk+1_max对应的码率等级Lmax，将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为所述码率等级Lmax，流程结束，否则，转至步骤S2；
S2、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否小于第一播放缓存，若是则转至步骤S3，否则，转至步骤S5；
S3、将第k个视频片段的码率等级Lki下降两个等级得到过渡码率等级Lkt，判断是否满足条件过渡码率等级Lkt≥Lk1，是则将第k+1个视频片段码率设定为过渡码率等级Lkt之后计算所得的播放缓存估计值qk+1_t，并转步骤S4，否则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j置为Lk1，流程结束，其中，过渡码率等级Lkt表示第k个视频片段的过渡码率等级；Lkt∈{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}；
S4、判断第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否小于播放缓存估计值qk+1_t，若小于，则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为过渡码率等级Lkt，流程结束，否则转步骤S3；
S5、判断播放缓存码率偏移率是否大于第二码率偏移率，以及第k个视频片段下载完成时客户端的播放缓存qk是否大于第一播放缓存且小于第二播放缓存，是则将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为目标状态Lkb的码率等级，流程结束，否则继续进入下一步骤；其中，目标状态Lkb表示第k个视频片段的目标码率等级，也即最接***均带宽的码率等级，Lkb∈{Lk1,...,Lk(i-1),Lki,Lk(i+1),....,LkK}；
S6、进行暂停请求操作，暂停时间为τs，将第k+1个片段码率的码率等级L(k+1)j切换为第k个视频片段所处的码率等级Lki。
3.根据权利要求2所述的一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，其特征在于，所述计算第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max对应的码率等级Lmax包括：
Figure FDA0002261046620000041
其中，
Figure FDA0002261046620000042
表示第k+1个视频片段的码率等级保持不变时QoE影响因素，也即是第k+1个视频片段的码率等级保持为Lki时的QoE影响因素；
Figure FDA0002261046620000043
表示码率等级为Lk(i+1)的QoE影响因素，
Figure FDA0002261046620000044
表示码率等级为Lk(i-1)的QoE影响因素，所述第k+1个视频片段码率的QoE影响因素最大值Qk+1_max对应的码率等级Lmax包括：Lmax∈{Lki,Lk(i+1),Lk(i-1)}；其中，Lk(i+1)表示第k个视频片段的第i+1个的码率等级，Lk(i-1)表示第k个视频片段的第i-1个的码率等级；i∈{1,2,...,K}。
4.根据权利要求2所述的一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，其特征在于，所述播放缓存估计值qk+1_t包括：
Figure FDA0002261046620000045
其中，τs表示暂停时间，T表示一个视频片段的时长，vk+1表示第k+1个视频片段的码率。
5.根据权利要求1所述的一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，其特征在于，所述码率状态切换公式对应码率等级状态；所述码率等级状态包括：码率等级过渡状态、码率等级目标状态、码率等级保持状态、码率等级加一状态，码率等级减一状态和码率等级暂停请求状态。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于状态机的动态自适应视频传输的码率切换方法，其特征在于，所述码率状态切换公式包括：
其中，Lki表示第k个视频片段的所处的码率等级，Lkt表示过渡码率等级，Lkb表示目标状态，即最接***均带宽的码率等级，L(k+1)j表示第k+1个视频片段所处的码率等级，Lk(i+1)表示第k个视频片段的第i+1个的码率等级，Lk(i-1)表示第k个视频片段的第i-1个的码率等级；i∈{1,2,...,K}。
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