[发明专利]一种兼顾吞吐量和视频缓冲的码率自适应调整装置和方法

权利要求书

1.一种兼顾吞吐量和视频缓冲的码率自适应调整装置，其特征在于：所述装置的码率自适应模块输出待请求媒体分段的传输码率信息时，兼顾包括HTTP传输模块、缓冲管理模块和索引解析模块中的吞吐量和视频缓冲信息：先利用Holt-Winters法对历史吞吐量进行平滑处理，预先估算待请求媒体分段的吞吐量；然后依据缓冲管理模块中的当前视频缓冲长度，计算缓冲权重参数，对估算吞吐量进行加权调整，得到最佳传输码率；最后码率自适应模块依据最佳传输码率从可选码率列表中选择输出待请求媒体分段的传输码率；设有码率自适应、索引解析、解码渲染、缓冲管理、时间轴控制和HTTP传输共六个模块；其中：

码率自适应模块，负责分别根据来自媒体服务器、经由HTTP传输模块的媒体分段的下载速率，并通过计算获得的媒体分段的吞吐量信息，从缓冲管理模块直接获得的当前视频缓冲长度，以及从索引解析模块得到的可选码率列表，对吞吐量和视频缓冲长度进行兼顾处理后，从可选码率列表中决策选择待请求媒体分段的传输码率，再将该待请求媒体分段的传输码率输出给缓冲管理模块；

索引解析模块，负责接收来自HTTP传输模块的索引文件，并对该索引文件的数据进行解析，生成该装置能够识别的数据结构，并从该数据流中获得所播放媒体流的包括可选码率、媒体分段地址的信息，再分别输出可选码率和媒体分段地址的信息，提供给相应的码率自适应模块和缓冲管理模块选择与使用；

缓冲管理模块，作为该装置的运行控制中心，负责管理与控制媒体分段的下载和播放：向解码渲染模块提供音视频数据，结合时间轴控制模块提供的时间信息和码率自适应模块提供的待请求媒体分段的传输码率，处理决定下一时间段所应请求的媒体分段，同时将从索引解析模块获取的、该媒体分段的下载地址传递给HTTP传输模块，还负责缓冲来自HTTP传输模块的媒体分段，以及将检测到的当前已缓冲视频数据的长度信息输出给码率自适应模块，以供其执行自适应调整计算待请求媒体分段的传输码率决策参考；

时间轴控制模块，负责感知媒体播放进度变化的同时，进行时间定位：在发生包括播放、暂停、拖动进度条的用户事件，即原时间轴信息发生改变时，根据新的时间定位重新实时计算媒体分段的序号和关键帧的位置，且同时将新的时间定位信息传送给缓冲管理模块；

HTTP传输模块，负责藉由网络与媒体服务器交互进行数据传输，以便得到所需的媒体索引文件和媒体分段的数据，同时记录媒体分段下载速率的相关信息；并分别将索引文件和媒体分段的数据对应传送给索引解析模块和缓冲管理模块进行处理与缓冲，将媒体分段下载速率的相关信息传送给码率自适应模块，用作实时计算待请求媒体分段的传输码率的参考因素；

解码渲染模块，负责从缓冲管理模块中读取媒体缓冲区的媒体数据，再对该媒体数据进行解码和渲染处理，以便将视频和音频呈现给用户。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述码率自适应模块是实现该装置进行码率自适应调整计算的关键模块，也就是在请求媒体分段时，该码率自适应模块负责进行兼顾吞吐量和视频缓冲的码率自适应调整计算，以使该装置能够采用最佳状态的传输码率输出用户所请求的媒体分段内容，即从可选码率列表中选择适宜的码率传输媒体数据。

3.一种根据权利要求1所述的兼顾吞吐量和视频缓冲的码率自适应调整装置的工作方法，其特征在于：先利用Holt-Winters法对历史吞吐量进行平滑处理，并预先估算待请求媒体分段的吞吐量；再依据视频缓冲长度的实时动态变化，计算缓冲权重参数，以便对估算吞吐量进行加权调整，得到最佳传输码率；最后依据最佳传输码率从可选码率列表中选择输出待请求媒体分段的传输码率。

4.根据权利要求3所述的码率自适应调整装置的工作方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

步骤1，码率自适应模块根据其从缓冲管理模块中获取的、来自媒体服务器和经由HTTP传输模块的最近下载完成的媒体分段L_i的大小、客户端开始请求该媒体分段的时间和该媒体分段下载完成的时间，按照下述公式计算该装置的媒体分段的实际吞吐量X_i：式中，L为媒体分段的大小，其中的自然数下标或上标i都为对应的媒体分段序号，自然数下标t为计时时间，下标req和res分别为客户端开始请求该媒体分段的计时时间和完成下载的计时时间；

步骤2，码率自适应模块采用Holt-Winters法和下述公式组合分别计算和记录其接收到的序号为i的媒体分段吞吐量的一次、二次和三次平滑吞吐量数值；式中，S⁽¹⁾、S⁽²⁾和S⁽³⁾分别为计算得到的该媒体分段L_i的一次平滑吞吐量、二次平滑吞吐量和三次平滑吞吐量，系数α为权重因子，其取值范围是0α1，且设置初始平滑吞吐量和均等于其实际吞吐量X₁；

步骤3，码率自适应模块依据步骤2得到的序号为i的媒体分段吞吐量的一次、二次和三次平滑吞吐量数值，计算序号为i+1的待请求媒体分段的估算吞吐量数值：根据Holt-Winters法，设T为媒体分段的估算吞吐量，则第i+1个媒体分段的估算吞吐量为：其中，a_i,b_i,c_i均为预测参数，且各自的计算公式如下：

步骤4，码率自适应模块根据当前视频的缓冲长度实时计算缓冲权重参数：

从缓冲管理模块获取当前视频缓冲长度Buff_i+1后，根据该Buff_i+1的大小划分为下述三种不同情形，对缓冲权重参数ε数值执行相应地实时动态调整：

1，提升阈值BUFF_high＜Buff_i+1时，认为已缓冲视频数据过剩，则允许待请求媒体分段的传输码率超过其估算吞吐量，此时的缓冲权重参数ε数值应大于1，且当前视频的缓冲长度Buff_i+1超出提升阈值BUFF_high越多，则ε的数值应越大；

2，衰减阈值BUFF_low＞Buff_i+1时，认为已缓冲视频数据不足，若继续按估算吞吐量进行下载，就容易发生卡顿，此时的缓冲权重参数ε数值应小于1，且Buff_i+1的数值越小，则ε的数值也应越小；

3，BUFF_low＜Buff_i+1＜BUFF_high时，认为已缓冲视频数据的大小适宜，既不易发生卡顿，也不易造成缓冲区上溢，则缓冲权重参数ε保持为1，不作变化；

根据上述三种不同情况，得到码率参数ε的三个计算公式：

式中，δ₁和δ₂为描述ε变化速度的幅度因子；

步骤5，码率自适应模块按照下述公式计算其请求的序号为i+1的媒体分段最佳传输码率Best_i+1：Best_i+1＝εT_i+1，式中，T_i+1为估算吞吐量，ε为缓冲权重参数；

步骤6，码率自适应模块依据最佳传输码率Best_i+1，从可选的码率列表Bitrates[]中决策选择不大于Best_i+1的最大码率作为待请求媒体分段的最终传输码率B_i+1，且若Best_i+1小于Bitrates[]中的最低码率时，则决策选择B_i+1为Bitrates[]中的最低码率；然后，将该选择结果传输至缓冲管理模块，以供缓冲管理模块控制下载相应的待请求媒体分段。