一种视频码率自适应调整方法与流程

本发明涉及多媒体通信技术领域，尤其涉及一种视频码率自适应调整方法。

背景技术：

随着移动通信的日趋成熟和智能手持设备的普及，移动视频已逐渐成为人们获取信息的主要方式，预计到2022年，移动视频业务流量将占据全球无线数据流量的79％，如何提供良好的视频观看体验(qualityofexperience，qoe)已成为移动视频业务的主要关注点。

为了在时变的无线传输条件下保证视频业务qoe，自适应流视频传输技术(adaptivebitratestreaming，abr)通过在用户端，主动由用户匹配下载速率和要下载的视频码率来减少卡顿事件(指在视频播放过程中播放器缓冲区下溢而出现的黑屏或暂停播放的现象)，从而提升移动视频qoe，为了实现自适应的流视频传输，首先要在视频源端，初始化地将源视频以不同码率编码(如标清、高清、超高清等)，每种码率的视频再分割为一组等长的短时间序列(称为视频片段)；其次在用户播放端，需要借助一定的码率自适应调整方法，使各用户根据自身无线信道状态和缓冲队列变化来动态调整下一个视频片段的码率。

普遍来说，最好的观看体验对应于最高的视频质量(以视频码率量化)、最少的视频播放中断和最缓和的视频码率变化。已有的abr方法可以分为三大类：1、基于用户播放器缓冲区的abr、基于网络状态的abr和混合abr，基于缓冲区的abr方法尽可能利用播放器的缓冲区填充量来指导码率调整过程，方法通常将缓冲区分为存储、缓冲和饱和三个阶段，并设置相应的“码率-缓冲区填充量”分段函数以指导码率调整。当缓冲区接近其最大容量时，采取更积极的策略来获取更高码率的视频片段，否则更保守的选择下一个视频片段的码率。然而，不跟踪网络的动态变化，会导致视频码率和带宽的不匹配，不利于提升传输性能。

2、基于网络状态的abr方法，基于先前下载的视频片段的网络状态预测下一个视频片段的下载速率，根据预测值为下一个视频片段选择合适的码率。由于难以保证对下载速率预测的准确性，可能会高估或者低估下一个视频片段的下载速率，这将分别导致发生不必要的卡顿和下载较低码率的视频片段。

3、混合abr方法，综合利用用户播放器的缓冲区填充信息和网络状态信息进行自适应调控，混合abr方法虽然兼具前两种abr方法的优势，但往往需要权衡流程复杂度和有效性。

除了上述局限性，已有方法在整个视频播放过程中平等看待了选定的几个qoe影响因素对用户观看体验的作用，没有考虑随着网络条件的变化，在视频观看过程中对qoe起决定作用的影响因素是时变的，需要针对性的改善相关影响因素则能细粒度地提升qoe。

技术实现要素：

为克服相关技术中存在的问题，本发明实施例提供一种视频码率自适应调整方法，可以使视频质量可以有所提升，使得视频观看体验流畅。

本发明实施例提供一种视频码率自适应调整方法，包括以下步骤：

判断视频下载或观看是否完成，视频下载或观看完成时流程结束，视频下载或观看未完成时，判断视频播放是否处于启动状态；

当视频播放未处于启动状态时，执行稳定状态码率自适应流程；

稳定状态码率自适应流程包括以下步骤；判断缓存是否第一次处于启动状态，若是，为最开始的三个连续视频片段选择最小视频码率r1，流程结束，否则转a；

a、计算下载速率rd′，rd′＝(rd+rc)/2，其中rd代表上一个视频片段下载的平均下载速率，rc代表上一个视频片段的码率；

b、判断rd′是否大于rc，若否，则rnext(t)＝min{rm,rc}，其中rm代表满足无卡顿条件的最大码率，流程结束，否则转c；

c、判断tthr是否小于bo(t)，若否，则rnext(t)＝rc，其中bo(t)代表在下载下一个视频片段之前的缓存填充量，流程结束，否则转d；

d、判断此前三个视频片段的码率是否都是rc，若否，则rnext(t)＝rc，流程结束，否则rnext(t)＝r(c+1)，其中r(c+1)代表rc高一等级的码率，流程结束；

当视频处于启动状态时，执行启动状态码率自适应流程。

进一步地，设rc为上一个视频片段的码率，高于或低于rc一个码率等级的视频码率分别表示为r(c+1)和r(c-1)；rd为上一个视频片段的下载速率。

进一步地，rm是指满足的下一个视频片段码率的最大值，是以rd′＝(rd+rc)/2为网络条件。

进一步地，所述稳定状态码率自适应流程是基于码率-缓存填充量分段函数来确定视频码率，该分段函数记为rnext(t)＝fi(bo(t))。

进一步地，所述启动状态码率自适应流程包括以下步骤：

e、计算第i次(i＝1，2，…，n)进入稳定状态时fi(bo(t))的分段间隔指示器表示在第i个稳定状态下当rnext(t)从任意码率ri提升到r(i+1)时bo(t)的增量；

f、判断bo(t)是否大于100s，若是，则rnext(t)＝rn，流程结束，否则转g；

g、计算在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rd为下载速率、rc

为视频码率可以下载的视频时长τ′；

h、判断τ′是否大于若是，则表示在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rc下载视频，bo(t)的增加会超过此时令rnext(t)＝r(c+1)，流程结束，否则转i；

i、判断τ′是否小于若是，则表示在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rc下载视频，bo(t)的减少会超过此时令rnext(t)＝r(c-1)，流程结束；否则表示在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rc下载视频，bo(t)的变化为缓存填充大小可能不足以改变下一个视频片段的码率，此时令rnext(t)＝rc，流程结束。

进一步地，的计算方法如下：

进一步地，τ′＝(rd′*τ)/rc，其实际值可以不是4s的整数倍。

进一步地，在启动状态将缓存填充为40秒时，最后一个加入缓存的视频片段码率为rbase，rbase∈r，rbase是一个不确定的值，与启动状态的网络条件及r集合都有关系，因此，每次从启动状态切换到稳定状态时需要根据新的rbase值更新以新求解下一个视频片段的码率。

本发明的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：本发明综合利用用户播放器的网络状态信息和缓冲区填充信息，根据视频播放过程中时变的qoe决定因素，动态调整码率自适应策略，有针对性地改善决定性的用户体验影响因素，有效提升移动视频观看体验。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例一视频码率自适应调整方法的流程图。

图2是本发明实施例一稳定状态码率自适应流程的流程图。

图3是本发明实施例一码率-缓存填充量的示意图。

图4是本发明实施例二视频片段的动态码率变化情况的示意图。

图5是本发明实施例二视频片段动态变化的＝bo(t)的示意图。

图6是本发明实施例二视频观看qoe评分的比较示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置及相关应用、方法的例子。

实施例一

图1是本发明实施例一视频码率自适应调整方法的流程图，如图1所示，该视频码率自适应调整方法，包括以下步骤：

步骤101、判断视频下载或观看是否完成，视频下载或观看完成时流程结束。

步骤102、视频下载或观看未完成时，判断视频播放是否处于启动状态。

步骤103、当视频播放未处于启动状态时，执行稳定状态码率自适应流程；判断缓存是否第一次处于启动状态，若是，为最开始的三个连续视频片段选择最小视频码率r1，流程结束，否则转a。

步骤104、计算下载速率r′d，r′d＝(rd+rc)/2。

其中rd代表上一个视频片段下载的平均下载速率，rc代表上一个视频片段的码率。

步骤105、判断r′d是否大于rc，若否，则rnest(t)＝min{rm,rc}，其中rm代表满足无卡顿条件的最大码率，流程结束，否则转c。

rm是指满足的下一个视频片段码率的最大值，是以r′d＝(rd+rc)/2为网络条件。

步骤106、判断tthr是否小于bo(t)，若否，则rnest(t)＝rc，其中bo(t)代表在下载下一个视频片段之前的缓存填充量，流程结束，否则转d。

设rc为上一个视频片段的码率，高于或低于rc一个码率等级的视频码率分别表示为r(c+1)和r(c-1)；rd为上一个视频片段的下载速率。

步骤107、判断此前三个视频片段的码率是否都是rc，若否，则rnest(t)＝rc，流程结束，否则rnest(t)＝r(c+1)，流程结束。

当视频处于启动状态时，执行启动状态码率自适应流程。

稳定状态码率自适应流程是基于码率-缓存填充量分段函数来确定视频码率，该分段函数记为rnest(t)＝fi(bo(t))。

启动状态以减少卡顿为目标，在第一次启动状态时，最开始的三个视频片段取最低码率，这使得r′d＞rc和tthr＜bo(t)很容易满足，因此视频很快就可以开始播放，启动状态下的视频码率与网络性能也可以适当匹配，使得视频质量可以有所提升。

图2是本发明实施例一稳定状态码率自适应流程的流程图，如图2所示，该启动状态码率自适应流程包括以下步骤：

步骤201、计算第i次(i＝1，2，…，n)进入稳定状态时fi(bo(t))的分段间隔指示器表示在第i个稳定状态下当rnext(t)从任意码率ri提升到r(i+1)时bo(t)的增量。

的计算方法如下：

步骤202、判断bo(t)是否大于100s，若是，则rnest(t)＝rn，流程结束，否则转g。

步骤203、计算在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rd为下载速率、rc为视频码率可以下载的视频时长τ′。

τ′＝(r′d*τ)/rc，其实际值可以不是4s的整数倍。

步骤204、判断τ′是否大于若是，则表示在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rc下载视频，bo(t)的增加会超过此时令rnest(t)＝r(c+1)，流程结束，否则转i。

步骤205、判断τ′是否小于若是，则表示在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rc下载视频，bo(t)的减少会超过此时令rnest(t)＝r(c-1)，流程结束；否则表示在播放一个时长为τ的视频片段过程中，以rc下载视频，bo(t)的变化为缓存填充大小可能不足以改变下一个视频片段的码率，此时令rnest(t)＝rc，流程结束。

稳定状态以缓和码率变化为目标，基于动态的码率-缓存填充量分段函数逐级缓和平稳地调整视频码率，使得视频观看体验流畅。

图3是本发明实施例一码率-缓存填充量的示意图，如图3所示，在启动状态将缓存填充为40秒时，最后一个加入缓存的视频片段码率为rbase，rbase∈r，rbase是一个不确定的值，与启动状态的网络条件及r集合都有关系，因此，每次从启动状态切换到稳定状态时需要根据新的rbase值更新以新求解下一个视频片段的码率。

实施例二

通过仿真实验将本发明面向时变qoe影响因素的视频码率自适应调整方法(variqoe)与两种经典码率自适应流程(bba-0和bdrm)进行对比，从卡顿次数、平均视频码率和码率变化次数、qoe分数方面验证流程性能，bba-0和bdrm的码率自适应策略如下：

bba-0：在基本额填满之前都以r1为码率下载视频，在基本额填满之后以固定的tx进行码率调整。

bdrm：不考虑基本额，以rd为下载速率的估计值。当rd＞rc时，以最差网络速率保守地估计下一个视频片段的tthr。

否则，rnest(t)＝min{rm,rc}。

为了验证本发明方法的有效性，随机生成[2mb/s，28mb/s]范围内的1000个下载速率，模拟下载1000个视频片段的时间内网络带宽的变化情况，同时设置一个视频码率集合r＝{1，1.5，2，2.5，…，13}mb/s，最低视频码率为1mb/s，最高码率为13mb/s，间隔0.5mb/s，共25个可能的码率取值。

本发明方法将下载3个1mb/s的视频片段作为码率自适应的开始，同时也对bo(t)进行初始化。随后在每个需要进行码率调整的时刻，根据bo(t)大小来决定采用启动状态基于网络带宽预测的流程还是采用稳定状态基于缓存填充大小的流程，来确定下一个要下载的视频片段的码率，并根据选定的视频码率，更新bo(t)，更新过程加上了新下载的视频片段时长，并减去了下载过程中从缓冲区取到播放器的视频时长，bo(t)＜0时会发生卡顿，此时将以最小码率下载视频，直至bo(t)≥τ时再继续使用本发明的码率自适应方法。基于上述实验设置，可得到下载的1000个视频片段的码率值、过程中bo(t)、视频码率的变化、以及卡顿次数和码率切换次数，将以上参数输入到式(4)的qoe评分模型中，可模拟出用户观看视频的qoe评分。

图4是本发明实施例二视频片段的动态码率变化情况的示意图，如图4所示，以随机生成的1000个下载速率，对比三种码率自适应流程的视频码率变化，variqoe的码率上升较为平缓，且码率急剧下降的次数较少；bdrm的码率会有大幅波动，在较高码率和较低码率之间波动；bba-0的码率同样上升较为平缓，但码率退化时瞬降为最低码率。

图5是本发明实施例二视频片段动态变化的＝bo(t)的示意图，如图5所示，以随机生成的1000个下载速率，对比三种码率自适应流程的缓冲区变化。图5展示了不同流程的缓存变化bo(t)情况，可以看出，variqoe的bo(t)在启动状态和稳定状态都是缓慢波动的，且bo(t)降低到0以下(即发生卡顿事件)的次数极少；bdrm的bo(t)在较低水平迅速波动，且发生卡顿事件的次数较多；bba-0的bo(t)在较高水平大幅波动，但没有发生卡顿。

图6是本发明实施例二视频观看qoe评分的比较示意图，如图6所示，在以上实验结果的基础上，可以得到一系列bo(t)、视频码率的变化、以及卡顿次数和码率切换次数的参数值，为了量化三种码率自适应流程的综合性能，将这些参数值代入到qoe评分模型中，预测用户的实时qoe评分，这也是码率自适应方法的一个终极性能指标。图6给出了三种方法的qoe评分比较，variqoe在大多数情况下保持稳定的qoe水平，其平均qoe评分为4.1854，优于对比流程。

已有的码率自适应方法没有考虑时变的qoe影响因素，而本发明variqoe方法基于不同qoe决定因素定义两种视频播放状态，并定义适合的优化目标对两种状态下的码率自适应进行优化。variqoe不仅避免了bba-0视频码率提升的保守性，而且避免了bdrm对缓冲状态的疏忽，因此在面向用户体验的码率自适应环境中性能良好。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。