摘  要： 基于校園無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,，研究了流媒體視頻碼率自適應(yīng)技術(shù)。利用分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)保證直播流視頻轉(zhuǎn)碼的實(shí)時(shí)性,，并根據(jù)校園無線網(wǎng)用戶的特殊性,，研究了首次接入視頻碼率選擇策略，以減少碼率切換次數(shù),。實(shí)驗(yàn)證明,，這種方案在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，保證了視頻播放的流暢性,，為用戶提供了友好的體驗(yàn),。
關(guān)鍵詞： 流媒體；碼率自適應(yīng)；無線網(wǎng)絡(luò),；RTP,；轉(zhuǎn)碼

    隨著GPRS和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，智能終端在線點(diǎn)播直播視頻業(yè)務(wù)越來越多,。面對復(fù)雜的用戶和移動環(huán)境,，對于視頻點(diǎn)播而言，需要一定的服務(wù)質(zhì)量保證策略,，以保證不穩(wěn)定無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶的友好體驗(yàn),。
    本文通過終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋、分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼技術(shù)和動態(tài)碼率自適應(yīng)技術(shù),，解決終端所處無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生變化時(shí),，終端視頻收看體驗(yàn)下降的問題。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生變化時(shí),，終端將網(wǎng)絡(luò)狀況參數(shù)反饋給流媒體服務(wù)器,，服務(wù)器根據(jù)反饋進(jìn)行處理，動態(tài)調(diào)整流視頻碼率,。
1 終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋方案
    實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP(Real-time Transport Protocol)[1]用于傳輸數(shù)字音頻和數(shù)字視頻等多媒體數(shù)據(jù),，本身并不提供任何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊⒂行蚝蛯?shí)時(shí),，也不提供其他途徑保證服務(wù)質(zhì)量,，這些工作都依賴于RTCP(Real-time Transport Control Protocol)協(xié)議來完成。
    RTCP[2]協(xié)議為RTP提供關(guān)于媒體傳輸以及媒體源的信息,，如數(shù)據(jù)傳輸延遲,、丟包率、抖動等相關(guān)信息,，以用于RTP協(xié)議的交互控制,。RTCP控制包分為SR、RR,、SDFS,、BYE等。
    RR包中包含了接收的包數(shù),、上個報(bào)文間隔期間接收的包數(shù),、丟失包的總數(shù)、包丟失率,、平均延遲,、延遲抖動等消息；SR包中包含了包發(fā)出時(shí)的時(shí)間標(biāo)簽,、發(fā)送的總包數(shù),、發(fā)送的總字節(jié)數(shù)等信息,。這些信息構(gòu)成了制定控制策略的依據(jù)。
    所以,，終端使用RTCP協(xié)議反饋RTP數(shù)據(jù)包的丟失率,、傳輸抖動等消息，服務(wù)器根據(jù)收到的RTCP RR包,，進(jìn)行分析處理后動態(tài)地切換視頻碼率。
2 終端流視頻碼率自適應(yīng)方案
    流媒體視頻碼率自適應(yīng)[3]調(diào)整是一種反饋控制技術(shù),。它在服務(wù)器端和接收端之間建立一條反饋通道,，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò)帶寬和丟包率來實(shí)時(shí)監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò)狀況，根據(jù)當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)帶寬和丟包率大小來估計(jì)終端網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際狀況,，并據(jù)此動態(tài)調(diào)整服務(wù)器端發(fā)送視頻碼率的大小,。
2.1 首次接入碼率選擇方案
    流視頻文件切換的代價(jià)是巨大的，不僅消耗網(wǎng)絡(luò)資源,，而且占用移動終端的處理能力,，所以選擇一個合適的首次接入碼率傳輸非常重要。根據(jù)首次接入終端的網(wǎng)絡(luò)類型,、當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)帶寬,、當(dāng)前接入用戶數(shù)量、終端的處理能力等,，選擇合適的碼率視頻文件,，減少傳輸過程中碼率切換的次數(shù)。
    考慮到高校學(xué)生接入無線網(wǎng)具有階段集中的特性,，根據(jù)校園無線網(wǎng)絡(luò)接入終端的數(shù)量或無線網(wǎng)流量的大小,，設(shè)置合適的首次接入碼率，然后結(jié)合剛接入無線網(wǎng)絡(luò)狀況預(yù)測進(jìn)行上下微調(diào)整,，從而減少碼率切換次數(shù),，保證終端視頻播放的流暢度。
2.2 流媒體服務(wù)器碼率切換方案
    流媒體服務(wù)器可以根據(jù)自適應(yīng)碼率控制算法[4]選擇不同的流視頻傳輸碼率[5],。例如,，在實(shí)現(xiàn)中對包丟失率定義若干閾值，a：4%,，b：8%,，c：10%，d：12%,；當(dāng)包丟失率處于(a,，b](某個數(shù)值范圍)時(shí)，切換選擇文件庫中相應(yīng)碼率的流視頻,。這樣需要同一視頻文件,，有不同碼率等級的版本,，對于電視直播流，也有不同碼率等級的文件,。
    本方案通過分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng),，保證了點(diǎn)播和直播流視頻文件的實(shí)時(shí)提供，實(shí)現(xiàn)了從50 kb/s～300 kb/s的6個遞增的碼率等級,。
2.2.1 分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)
    針對滿足各終端環(huán)境對視頻轉(zhuǎn)碼工作的高要求,，提出了基于Hadoop的使用實(shí)時(shí)調(diào)度策略的分布式轉(zhuǎn)碼方案，使用mapreduce編程框架和mencoder進(jìn)行分布式轉(zhuǎn)碼,，達(dá)到嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)碼完成時(shí)間的目的,。
    (1)文件切割接口：cut fileName fileTime playTime
    Cut是流視頻文件切割腳本，fileName表示要處理的流視頻文件,，fileTime表示要處理的流視頻文件的總播放時(shí)間,，playTime表示要切割成的每段流視頻的播放時(shí)間。
    (2)文件轉(zhuǎn)碼接口：transcode fileName 參數(shù)1,，參數(shù)2,，…，參數(shù)n
    Transcode表示本地轉(zhuǎn)碼腳本,，fileName表示要轉(zhuǎn)碼的文件名,，參數(shù)表示對流視頻文件碼率等轉(zhuǎn)碼參數(shù)的設(shè)置。
    當(dāng)流視頻文件切割處理結(jié)束后,，系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)就會將各流視頻段分發(fā)到各子節(jié)點(diǎn),，各子節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)調(diào)用轉(zhuǎn)碼腳本進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，最后存儲到流媒體服務(wù)器,。
2.2.2 轉(zhuǎn)碼方案
    源視頻分為點(diǎn)播流視頻和電視直播流視頻,。
    (1)點(diǎn)播流視頻轉(zhuǎn)碼：在離線狀態(tài)下，通過轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)預(yù)先壓縮一系列碼率（50 kb/s～300 kb/s）不等的流視頻文件存儲在服務(wù)器端,。
    (2)電視直播流視頻轉(zhuǎn)碼：因?yàn)殡娨曋辈チ饕曨l需要實(shí)時(shí)傳輸,，這就需要轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼。系統(tǒng)實(shí)時(shí)地從視頻源獲得一定播放長度的直播流視頻段,，調(diào)用轉(zhuǎn)碼服務(wù)器系統(tǒng)轉(zhuǎn)成一系列碼率不等的流視頻文件,，暫時(shí)存放在流媒體服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)碼率切換方案進(jìn)行調(diào)整,。
2.2.3 碼率調(diào)節(jié)策略
    當(dāng)估計(jì)到終端網(wǎng)絡(luò)丟包率突然上升,、網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，降低服務(wù)器端發(fā)送視頻文件的碼率,，保證用戶收看視頻的流暢度,。在實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)丟包率突然上升時(shí),，將發(fā)送的視頻文件降低2個碼率級別,，因?yàn)閬G包率突然上升表明網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡化,，很大程度上影響終端的正常播放。
    當(dāng)丟包率下降時(shí),，延遲調(diào)整碼率,，待丟包率趨于平穩(wěn)后，再調(diào)高碼率級別,，以消去短時(shí)間內(nèi)丟包波動的情況,。
3 終端視頻碼率自適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同，整個系統(tǒng)可以劃分為分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼服務(wù)器,、流媒體服務(wù)器和移動終端三個部分,，如圖1所示。

3.1 分布式實(shí)時(shí)調(diào)度轉(zhuǎn)碼服務(wù)器
    分布式實(shí)時(shí)調(diào)度轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)主要將點(diǎn)播文件和電視直播源信號轉(zhuǎn)換成列碼一系列碼率不等的流視頻文件存儲在流媒體服務(wù)器,。
3.2 流媒體服務(wù)器
    流媒體服務(wù)器主要由以下4個模塊組成：
    (1)首次接入碼率選擇模塊：根據(jù)首次接入終端的網(wǎng)絡(luò)類型、當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)帶寬,、當(dāng)前接入用戶數(shù)量,、終端的處理能力等，選擇合適的碼率流視頻文件,，生成相應(yīng)的RTSP點(diǎn)播或者直播URL路徑,，提供給終端。
    (2)終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋處理模塊：主要是根據(jù)終端反饋回來的RTCP RR數(shù)據(jù)包,，獲取丟包率,、網(wǎng)絡(luò)帶寬等信息來估計(jì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，作為碼率切換模塊調(diào)整的依據(jù),。
    (3)碼率切換模塊：通過預(yù)測得到的下一時(shí)刻丟包率,、網(wǎng)絡(luò)帶寬等超過了切換門限值，就結(jié)束當(dāng)前碼率的視頻傳輸,，切換到文件庫中合適碼率的視頻文件,。
    (4)RTSP傳輸模塊：該模塊主要將封裝好的RTP數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端。
3.3 移動終端
    移動終端主要由RTSP接收模塊,、RTCP網(wǎng)絡(luò)狀況反饋模塊和視頻顯示模塊三部分組成,。
    (1)RTSP接收模塊：該模塊通過RTSP協(xié)議接收服務(wù)器端發(fā)送的RTP數(shù)據(jù)包，送給終端解碼器進(jìn)行解碼,。
    (2)RTCP網(wǎng)絡(luò)狀況反饋模塊：移動終端通過RTCP RR包將丟失包的總數(shù),、包丟失率、平均延遲,、延遲抖動等消息發(fā)送給流媒體服務(wù)器,，用來描述當(dāng)前終端的網(wǎng)絡(luò)狀況。
    (3)視頻顯示[6]模塊：移動終端通過解碼器解碼,，播放視頻,。
4 實(shí)驗(yàn)測試分析
4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
    分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)環(huán)境：分割服務(wù)器,、Hadoop集群；流媒體服務(wù)器環(huán)境：ubuntu系統(tǒng),，dss達(dá)爾文開源流媒體服務(wù)器軟件,；測試終端：1臺小米1s手機(jī)、1臺聯(lián)想筆記本電腦,；電視直播源：機(jī)頂盒設(shè)備,。

    整個測試過程，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好,，分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)很好地保證了直播流視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)提供,，流媒體服務(wù)器監(jiān)聽用戶終端請求，及時(shí)響應(yīng)和提供視頻傳輸,，并實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋,，動態(tài)調(diào)整視頻碼率，保證了用戶友好的收看體驗(yàn),。
    在無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,、易受到干擾的情況下，研究了碼率自適應(yīng)技術(shù)以提高用戶的收看體驗(yàn),。通過首次接入碼率選擇方案,，減少了觀看過程中碼率切換的次數(shù)，有效地節(jié)省了資源,。分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)解決了轉(zhuǎn)碼的需求,，并保證了電視直播視頻轉(zhuǎn)碼的實(shí)時(shí)性。在視頻碼率切換模塊中,，服務(wù)器使用閾值比較方案選擇下一時(shí)刻傳輸?shù)囊曨l碼率,。這種方案考慮因素比較單一，精度不準(zhǔn)確,，下一步工作會改進(jìn)選擇方案,，增加計(jì)算網(wǎng)絡(luò)狀況的因子，以使碼率切換方案更加準(zhǔn)確,，使終端觀看體驗(yàn)更加友好,。
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