小说改编的HTTP流方法VBR视频在移动网络

文摘

最近,HTTP流媒体已经成为非常受欢迎的在互联网上提供视频。自适应性,提供者应该生成多个版本的视频以及相关的元数据。提出了各种适应方法支持流媒体客户端在应对强大的带宽变化。然而,大多数现有的方法目标恒定比特率(CBR)的视频。在本文中,我们提出一个新方法质量适应可变比特率(VBR)点播流媒体的视频。应对强烈变化的VBR比特率,我们使用当地的平均比特率的代表比特率的版本。然后buffer-based算法提出保守适应视频质量。通过实验在移动流媒体方面,我们表明,我们的方法可以提供质量稳定以及缓冲稳定即使在很强的带宽和视频比特率的变化。

1。介绍

最近,视频在移动互联网已经迅速得到普及。据预测,全球视频流量将达到总消费的80% 2019年互联网流量(1]。此外,HTTP协议已成为一个具有成本效益的解决方案由于丰富的网络平台和宽带连接(2,3]。此外,对互操作性的HTTP流媒体行业,ISO / IEC MPEG开发了“动态自适应流媒体通过HTTP”(DASH) [4)通过HTTP流媒体视频作为第一标准。

现在由于通信网络的异构性,自适应性是一个主要要求任何流媒体客户端。在冲刺,多个版本的一个原创视频以及相关的元数据(例如,描述比特率和分辨率)生成并存储在服务器4,5]。基于元数据的信息终端和网络,客户端可以自适应地决定哪些应该下载/当数据部分。目前,HTTP流媒体视频改编的问题仍然是一个开放的问题(6]。

提出了各种适应方法对于HTTP流媒体在过去的几年里(7- - - - - -17]。这些方法大致可以分为两组,throughput-based buffer-based;每个人都有自己的优点和缺点(18]。Throughput-based方法决定版本基于估计的吞吐量,同时buffer-based方法主要使用缓冲特征作为决策的参考。Throughput-based方法通常能够快速反应吞吐量变化;然而,流媒体的质量可能会不稳定7]。同时,buffer-based方法试图维持一个光滑的视频流,但可能导致突然改变视频质量当缓冲水平大幅下降8- - - - - -11]。应该注意的是,每一段的数据大小根据请求的版本不同,缓冲区大小和缓冲水平应该以秒的媒体。

到目前为止,现有的适应方法大多集中在CBR(恒定比特率)的视频。HTTP流媒体研究VBR(可变比特率视频仍然是有限的。的VBR视频的问题是,即使吞吐量是稳定的,强大的视频比特率波动可能导致缓冲区下溢(12]。我们以前的工作在12)是第一个研究HTTP流媒体支持VBR视频通过估算即时比特率和即时的吞吐量。在IPTV网络管理的背景下,提前分配带宽,delay-quality权衡的VBR视频优化通过更换一些low-bitrate high-bitrate段段(13]。在[9],buffer-based适应方法提出了VBR视频流通过使用线性偏缓冲预测模型和策略在不同的缓冲范围选择版本。然而,这种方法不考虑比特率值,所以它不能避免突然变化的质量当视频比特率和吞吐量大大不同。

在本文中,我们提出一个新颖的适应方法可有效支持VBR视频。通过扩展我们的初步工作14),该方法可以应付变化的吞吐量以及视频比特率。我们的方法特别是考虑带宽和视频的移动平均比特率没有突然变化提供流媒体质量稳定。移动流媒体语境中的实验结果表明,我们的方法可以提供一致的VBR视频流与平滑的视频质量和稳定的缓冲水平。我们所知,这是第一个方法能提供平滑通过HTTP版本转换VBR视频流。应该注意的是,我们的方法不需要视频片段的确切值比特率做出决策。

本文的组织如下。部分2概述HTTP流媒体和相关工作。我们的方法的原则以及算法描述中详细介绍部分3。部分4提供我们的实验结果和讨论。最后,给出结论和未来工作方向5。

2。相关工作

HTTP流媒体系统的一般体系结构包括服务器,发布网络,客户(3,4]。在MPEG DASH术语中,支持自适应性,视频编码多个版本(也称为替代品或陈述),其中每个进一步分成一小段一小段。一起视频片段元数据驻留在服务器和将请求的客户端。在大多数情况下,为每个请求从客户端,服务器将发送一个段。因此,视频将会由一个序列的HTTP请求-响应事务。请求的版本(低或高)段决定基于终端的元数据和状态/网络。图1描述的说明媒体交付。更多关于HTTP流媒体的信息结构以及破折号概念能找到在2,4]。

一般来说,一个适应方法需要回答两个关键问题:当前版本应该维护吗?和如果没有,应该转向哪个版本?正如前面提到的,现有的方法可以分为throughput-based组和buffer-based组。Throughput-based他们估计的方式方法不同或使用的吞吐量。吞吐量估计而言,最简单的方法是使用测量吞吐量完全收到后段(称为即时吞吐量)的吞吐量估计下一段。另一种方法是使用平滑吞吐量测量(3,10),以避免短期波动,使用即时吞吐量的缺点。然而,这可能会导致反应后期的客户大吞吐量下降。在[3我们提出一个吞吐量估计方法,具有即时吞吐量和平滑的吞吐量。此外,其他研究也存在方式获得基于采样的吞吐量值估计的吞吐量和RTT [12),探索或存储数据(查找表)15]。一旦客户端获得估计吞吐量,版本可以在许多方面决定。一个简单的解决方案是使用安全系数来计算一个适当的版本下段(3]。在[7),版本是由TCP-like控制机制一定程度成正比的即时吞吐量作为输入的关键。

Buffer-based方法,主要使用缓冲特性决定的视频版本,可能会考虑一个吞吐量的估计。一个受欢迎的策略,这些方法是将缓冲划分为多个与缓冲阈值范围,,,()[8,10,11]。当缓冲水平停留在不同的范围,应用不同的动作。例如,方法的8,10)尽量保持当前版本在一个特定的缓冲区范围(例如,~的方法(8),~的方法(10])和动态开关上下其他缓冲区的质量范围。与此同时,的方法11)选择视频版本变化后即时吞吐量(也使用升级和降尺度因素)基于不同的缓冲范围。在[16]介绍trellis-based方法代表所有可能的变化版本和相应的缓冲水平在不久的将来。因此,这种方法可以做出正确的决定在未来的某个部分的比特率。在[17),缓冲水平偏差和即时吞吐量受聘为适应输入比例积分控制器。

然而,大多数现有的方法已经开发只对CBR视频的背景下,一个版本的比特率是恒定的。CBR视频相比,视频编码在VBR业务模式有重要的优势在质量上和网络资源的使用(20.]。然而,视频比特率的变化随着时间的推移,吞吐量一起波动,导致一个巨大的挑战对HTTP自适应流媒体(12]。两个例子的比特率的不同版本不同,特别是在一些场景的变化,如图2。这些视频的详细信息将在部分描述4。

我们以前的工作在12)是第一个研究VBR视频流通过HTTP。除了吞吐量估计,该方法还考虑了即时视频比特率的估计,可分为(1)intrastream估计和(2)interstream估计。段前估计比特率在一个版本,而后者估计段在不同版本的比特率。这种方法可以提供一个非常稳定的缓冲,此外,可以支持一个CBR-like流媒体服务的VBR视频。在[9),buffer-based适应方法VBR视频,提出了缓冲区分为多个范围。为了不考虑不同视频比特率,这种方法使用了一个线性偏趋势预测的缓冲水平在不同的缓冲范围选择版本。如果没有缓冲水平估计的重大变化,客户端将维持当前版本为下一段。然而,这种方法仍然会导致突然版本变化如果实际缓冲水平大幅下降。

在本文中,我们提出一个新颖的适应方法,可以有效地支持VBR视频点播流媒体。我们的方法包括以下的特点:(我)应对强大的视频比特率变化,我们建议使用本地平均比特率(移动)代表比特率的版本。因为这代表比特率稳定在短期内,它帮助客户明确区分可用的版本和成为一个好版本选择每次实例。(2)因为客户没有足够的信息段所有版本的比特率,我们提供一个算法来获得每个版本的估计有代表性的比特率。(3)关于第一个关键问题,质量稳定是有效地维护时使用平滑吞吐量预测(1)缓冲区并不危险,使用代表比特率(2),(3)被保守的质量交换。(iv)关于第二个关键问题,支持质量平稳过渡,避免简单地跳到最低版本在恐慌的情况下,切换时初throughput-bitrate不匹配。

3所示。提出适应的方法

在本节中,我们提出一个新的buffer-based质量适应方法VBR视频流。一些符号以及它们的定义中使用的纸提供了符号。

3.1。处理吞吐量和比特率的波动

一般来说,基于测量吞吐量和视频比特率,客户端应该选择一个适当的版本为下一个环节。假设在收到当前(或最后一个)的版本,客户端比特率的措施和吞吐量这部分。现在客户端将决定版本在接下来的部分。我们的方法也会利用客户端缓冲区处理吞吐量和视频比特率的波动。根据当前缓冲区的水平版本,客户端将决定是否应该增加,减少,或维护。

版本选择的第二段,需要估计收到的吞吐量基于吞吐量的历史片段。为了避免即时吞吐量的短期波动的影响,我们使用一个平滑吞吐量测量(3,10]随着吞吐量的估计在接下来的部分: 在哪里是一个加权值,设置为0.1。

视频比特率高度波动,我们建议使用一个代表比特率为每一个版本,可以区分可用的版本,也可以适当保持质量的稳定性。表示代表比特率的版本在市场指数。在我们的方法中,计算的平均比特率最近的版本。

问题是,客户端只知道收到的比特率部分,这可能属于不同的版本。所以,在收到每一段,我们将估计其他版本的部分比特率相同的索引。这是启用的比特率估计方法在我们之前的研究12),其他版本的部分比特率估计接收到的比特率的部分使用interstream比特率的预测。具体来说,估计比特率的版本可以计算的(实际)比特率接收的部分与选定的版本如下: 在哪里和量化参数(QP)的版本和值吗是一个经验因素作为模型的近似误差补偿(12]。在我们的符号(见符号),比特率可以是实际的比特率或估计一个。一旦得到所有段的比特率,比特率代表每个版本的部分指数计算的平均比特率的部分和前一段的版本。该算法计算代表比特率提供了算法1。在该算法中,当前代表比特率实际上是使用前面的代表比特率计算。另外,值得注意的是,当,将被设置为。节4,我们将研究如何不同的值影响我们的方法的性能。

3.2。适应算法

我们的算法将地址上面的两个关键问题,以避免rebuffering和减少的数量和程度(版本)开关。基于当前缓冲区的客户,我们定义了四种可能的情况下在流媒体会话中,上升趋势,稳定,下降趋势,恐慌情况下。在这四种情况下,客户端将可能转变,积极维护,开关,或降低版本。为了这个目的,我们的方法将缓冲区分为三个与阈值范围和()。在这里缓冲区的大小以及目标缓冲区的适应方法。

当当前的缓冲水平超过的上升趋势情况下被激活(缓冲水平可能比的原因,请参阅我们的以前的工作18])。然而,它不是很好如果客户经常之间来回走上升趋势的情况下,下降趋势情况。为了避免这种波动,我们的方法切换到下一个更高版本(只有代表比特率)的版本是小于吞吐量预测的下一个部分(例如,;否则,客户端将维持当前版本。

稳定的情况下是由条件。在这种情况下,缓冲水平是判断病情非常安全,所以不需要改变质量。客户端只是维护当前版本,以避免不必要的切换。

下降趋势的情况下被激活时。在这种情况下,客户端需要仔细确定请求的版本为了避免缓冲区下溢以及质量的突然变化时,吞吐量和/或视频比特率大幅改变。一般来说,版本应该减少;然而,它是不必要的切换总是当缓冲水平是在这个范围内。在这个过程中,我们定义的目标比特率下一段比特率最高的代表,它是低于吞吐量估计:。如果即时比特率和代表比特率不超过目标比特率(和),当前版本将维护。否则,客户端将切换到下一个更低的版本。

有时我们可以看到即时的吞吐量比即时比特率可能会小得多。尽管缓冲区没有危险,下降趋势的情况下应该被激活之前避免迅速减少在未来的版本。这是通过增加的价值。在我们的方法中,控制使用逻辑函数如下: 通过这种方式,更大的之间的不匹配和的价值就越高会,同时仍然满足条件。

最后的情况,称为恐慌的情况下,当缓冲水平是危险的;也就是说,。以确保缓冲不会是空的,客户端将积极切换版本。然而,而不是直接跳到最低版本,客户端采用的方法我们的以前的工作12在这种情况下。具体来说,客户端将选择一个版本的即时比特率是最高的,但仍低于即时吞吐量: 总结了我们的方法的算法伪代码的算法2。

一般来说,可以看出我们的方法试图提供一个平滑的视频由两个技巧。首先,它在提高质量,因为有些保守,只允许当缓冲区满了。此外,选中的版本是受到长期的吞吐量和比特率值。第二,下降趋势的情况下也是保守的,避免不断转换质量。与此同时,在恐慌的情况下,我们考虑到即时比特率和即时的吞吐量。因此,客户端可以开关逐步在可能的情况下;和不需要切换到最低版本如果即时比特率更高的版本仍然满足吞吐量约束。

4所示。实验结果和讨论

在本节中,我们将评估方法和两种参考方法在随需应变的VBR视频流在移动网络的背景下,关注版本切换和缓冲的行为水平在最初的缓冲阶段。两个带宽的痕迹,一个简单的和一个复杂的,用于我们的实验。

4.1。实验设置

我们的试验台组织用于实验是类似于18),包括一个HTTP Web服务器、流媒体客户端,一个IP网络如图3。IP网络包括路由器和有线连接服务器和客户机的连接。2.2.21版本的服务器是一个Apache HTTP服务器上运行Ubuntu 12.04。我们的试验台使用DummyNet工具(21)安装在客户端模拟网络特征。丢包率设置为0%,假定使用的带宽跟踪实验已经考虑包丢失而引起的波动。DummyNet的RTT值设置为40毫秒。在Java和客户端实现上运行Windows 7的笔记本Core i5 2.6 GHz CPU和4 GB RAM。

测试视频“索尼演示”和《终结者2》(1930帧的帧率和分辨率为1280×720。每个视频的持续时间是600秒。我们编码6 VBR高调版本的h / AVC [22QP),对应6个不同的值,也就是说,22日,28日,34岁,38岁的42,48。每个版本分为小2秒的视频片段。QP指数的版本,每个版本的平均比特率表中列出1。视频的比特率跟踪版本图所示2。

当我们专注于流媒体点播,客户端的缓冲区大小设置为50年代(即。段时间25日),类似于以前的工作(例如,9,14])。相比之下,两个参考方法是基于即时throughput-instant比特率的方法(12)(称为髂胫)和buffer-based方法与趋势预测9)(称为TBB)工作。TBB方法实现缓冲阈值在[设置是一样的9]。在我们的方法中,和分别是10年代和50年代。同时,我们调查是否段的数量用于代表比特率影响我们方法的性能。的值认为是10、30、50和这些选项的方法被称为AVG-10 AVG-30和AVG-50分别。

4.2。简单的带宽场景

首先,我们调查方法的性能在一个简单的带宽情况下,可用带宽时突然下降。带宽与两个矩形带宽水平,2500 kbps, 500 kbps,如图4(一)。这种情况下是非常重要的在评估适应方法,因为我们需要知道他们如何执行时带宽急剧下降。在这种情况下,索尼使用演示视频。

图4显示请求的版本的比较、比特率和缓冲水平的三个方法。很明显,TBB方法试图维持高质量(第5版)的太久,即使可用带宽下降,并保持低水平很长一段间隔,导致最严重的缓冲水平曲线(图4 (c))以及质量的急剧下降(约年代,在版本5 - 1图4 (b))。至于按招投标法,因为它请求版本变化后即时吞吐量和即时视频比特率,质量是积极改变随着时间的推移而缓冲水平变化非常小。

至于我们的方法,所有的三个选项有类似行为的比特率,版本切换,和缓冲水平。我们的方法减少了视频质量逐渐没有开关大于1而缓冲水平高于25秒。同时,我们的方法所提供的最低版本是2,而另两种方法有时跳版本1。

4.3。复杂的带宽的场景

在本部分中,我们评估适应方法跟踪(图与一个复杂的带宽5从移动网络(获得)11]。测试视频,“索尼演示”和“《终结者2》,”在这种情况下。

图6显示了“索尼实验结果演示”视频。见图6(一),很难使用曲线段的比特率比较适应的方法。从图6 (b)很明显,TBB方法的行为类似于简单的带宽情况。通常,这种方法试图维持一个高版本只要缓冲水平许可。这种行为导致突然下降的质量(例如,在版本6 - 3在100年代和240年代在版本5 - 1)。该方法的同时,缓冲水平曲线是最严重的(图6 (c)),与前面的场景。

至于按招投标法,它的比特率曲线密切遵循吞吐量曲线,结果在一个高度波动的版本和许多开关曲线,包括开关很大度。无论如何,这种方法最稳定的缓冲水平曲线见图6 (c)。

与此同时,我们的方法提供了质量稳定和缓冲稳定。版本(图曲线的方法6 (b))没有突然开关。此外,当吞吐量减少,所选版本的我们的方法总是高于或等于其他方法。缓冲水平曲线的方法不那么稳定的国际旅游展的方法;然而,它总是高于TBB的方法。TBB方法相比,我们的方法是更保守在switching-down switching-up和保守。

一些统计数据表中提供的适应结果2。相关的统计数据比特率,要求版本,版本切换,和缓冲水平。比特率,按招投标法最低平均比特率。它的质量也非常波动与许多开关和大开关/偏差程度。TBB方法以来最高的平均比特率这个方法倾向于选择和保持最好的质量。然而,其平均版本是有趣的是低于我们AVG-10选项(4.19和4.30)。甚至按招投标法平均比特率很低,但其平均版本高于TBB的方法。事实上,所有方法的平均版本值非常相似(约4.2或4.3)。在三个选项中,AVG-10选项是最激进的,因为它总是试图请求更高版本;然而,这将导致更比其他选项开关。 These points will be explained and discussed further in the next part.

此外,我们的方法提供了最小值的开关和开关的程度。此外,我们的方法的最低版本高于其他方法。最小值和标准偏差(STD)缓冲水平的我们的方法也比TBB的方法。更多信息缓冲,缓冲的累积分布函数(CDFs)提供在图的水平7(一)。再一次,很明显,我们的方法更稳定的缓冲的TBB方法。

图8展示了《终结者2》视频的实验结果,可以找到类似的行为的方法。再次我们的方法提供了一个平滑曲线和一个更稳定的版本比TBB缓冲水平曲线的方法。的攻击性AVG-10也可以看到在图8 (b)。例如,在330年代~ 370年代,不久AVG-10选项增加了质量版本6,然后降低了质量版本5和版本4。与此同时,其他两个选项仍然请求版本5在同一区间。

适应结果的统计提供了《终结者2》视频表3。的平均版本值这个视频,我们的方法都是高于TBB的方法。AVG-10选项尤其的平均比特率高于TBB的方法。这是因为版本的《终结者2比特率小于索尼演示,所以AVG-10选项可以很容易达到尽可能高的质量。此外,其他参数也表明,我们的方法提供了一个平滑的质量和更稳定的缓冲区比TBB的方法。

此外,CDFs的缓冲水平(图7 (b))确定缓冲区的稳定水平的方法。图7 (b)还表明,缓冲水平AVG-30和AVG-50选项好一点比AVG-10选项。这是因为AVG-10选项比另一个更激进的选择。尤其是相比索尼演示视频(图7(一)),TBB的缓冲区的方法则是更糟的缓冲方法是更好的。这实际上是由于《终结者2视频的特点,讨论了在接下来的部分。

4.4。讨论

从以上实验结果,我们可以看到一些有趣的点。首先,在某些情况下的平均比特率TBB方法是高于我们建议的方法,而其平均版本是低于我们的方法。这可以解释这一事实有时即时比特率是非常高的。因此,有更多的高比特率,尤其是那些属于最高版本,将大大增加平均比特率。《终结者2》的视频,比索尼演示视频比特率,低版本的平均比特率TBB方法并不比我们的方法。

与此同时,在低吞吐量的时期,所选版本的TBB方法低于我们的方法,导致较低的平均价值的版本。的VBR视频的比特率是高度波动,平均比特率不应主要的参数指标来评估性能的VBR视频流(如[9]);相反,应该考虑平均的参数版本。这不同于CBR视频流,平均比特率总是高利息。

我们的适应方法的结果表明,正常的缓冲区大小(即。,similar to that in CBR video streaming) is already enough to cope with strong bitrate variations of VBR videos. Also, a representative bitrate for each version is important for VBR videos. Even the ITB method benefits a lot from learning the instant bitrate. Though having a highly fluctuating version curve, this method can be used for live streaming thanks to its very stable buffer. On the other hand, the TBB method does not consider bitrate values and thus poorly handles the strong variations of VBR video. For example, although Terminator 2 video has lower version bitrates than Sony Demo video, the buffer stability of the TBB method in the case of Terminator 2 video is worse than in the case of Sony Demo video. This is just because the version bitrates of Terminator 2 video are extremely varying (with repeated and quick changes from a high value to a low value), whereas the performance of our method is not degraded in the case of Terminator 2 video.

我们方法的三个选项是相似的普通版本的值。然而,在三个选项中,AVG-10选项似乎更积极地转换和维护高质量的。这是因为这个选项的代表比特率是更“本地”,可以快速检测low-bitrate段间隔,在客户端可以切换到更高版本时吞吐量许可。这样的属性可以提高平均版本;然而,这也会导致更多的开关的统计AVG-10选项。上述统计数据显示,AVG-30 AVG-50选项几乎相同的性能和质量稳定性和良好的缓冲稳定。

总的来说,结果表明,我们的方法比参考方法更有效提供流媒体质量稳定、平滑版本转换即使可用带宽急剧下降。如果用户喜欢流和尽可能高的质量,更应该使用“本地”代表比特率。另一方面,如果用户更喜欢一个稳定的流媒体会话用更少的交换机版本,应该使用更多的“全球”代表比特率。

应该注意的是,实际上,CBR的视频的质量是“变量”和质量的VBR视频”不变。“与此同时,所示12提供quasi-CBR],这是完全可行的服务从VBR视频流数据集。上面的结果还表明,与代表比特率估计的简单的方法,我们不需要确切地知道所有的VBR视频的比特率段即使即时比特率是非常不同的。这意味着VBR视频和本文提出的基于客户机的适应方法可以很容易地部署在DASH-compliant流媒体系统而不需要修改当前的标准规范。

5。结论

在本文中,我们提出了一个适应方法对VBR视频移动流媒体语境和评估方法。应对强烈变化的视频比特率,我们雇了一个当地的平均比特率的代表比特率的版本。buffer-based算法被提出保守适应视频质量通过考虑一个平滑吞吐量估计,代表比特率,甚至即时比特率。实验结果表明,我们的方法可以提供平滑的视频质量和稳定的缓冲水平,即使在很强的带宽和视频比特率的变化。对于未来的工作,我们将专注于生活场景,如监督,与VBR视频流来源。

符号

:	段的吞吐量
:	吞吐量预测的部分
:	当前的缓冲水平
:	的最小缓冲阈值
:	柔性缓冲阈值
:	缓冲区的大小和目标缓冲区的水平
:	段的比特率在版本。它可以是实际的价值或估计价值
:	代表比特率的版本在段
:	可用的视频版本的数量
:	该指数的版本选择(版本更高质量的更高的索引值)。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

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