對(duì)主流自適應(yīng)碼率流媒體技術(shù)的分析

李 建，別紅霞

（1.思科系統(tǒng)（中國）研發(fā)有限公司 SVPTG部門，上海 200233；2.北京郵電大學(xué) 信息與通信學(xué)院，北京 100876）

對(duì)主流自適應(yīng)碼率流媒體技術(shù)的分析

李 建1，別紅霞2

（1.思科系統(tǒng)（中國）研發(fā)有限公司 SVPTG部門，上海 200233；2.北京郵電大學(xué) 信息與通信學(xué)院，北京 100876）

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)多媒體應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，尤其是在線視頻業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)由于其單一的編碼方式難以適應(yīng)差異化的用戶網(wǎng)絡(luò)變化，極大地影響了用戶體驗(yàn)。分析了當(dāng)前在線視頻業(yè)務(wù)面臨的主要問題，同時(shí)介紹了新興的自適應(yīng)碼率流媒體技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)主流自適應(yīng)碼率流媒體和傳統(tǒng)流媒體技術(shù)的分析和比較，表明對(duì)于OTT業(yè)務(wù)而言，標(biāo)準(zhǔn)化的自適應(yīng)碼率流媒體技術(shù)比傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)更加有優(yōu)勢(shì)。

HTTP流化；在線OTT視頻；自適應(yīng)比特率流；MPEG的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流

1 在線視頻業(yè)務(wù)遇到的問題

隨著互聯(lián)網(wǎng)上多媒體應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，盡力而為網(wǎng)絡(luò)模式上的視頻流化技術(shù)得到了廣泛研究。傳統(tǒng)的媒體流化協(xié)議，如實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議/實(shí)時(shí)流化協(xié)議（Re?al-Time Transport Protocol/Real-Time Streaming Proto?col，RTP/RTSP），在網(wǎng)絡(luò)層上一般采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議。這主要是因?yàn)門CP中的后退和重傳機(jī)制會(huì)產(chǎn)生難以忍受的端到端延時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)影響較大。然而，基于TCP的流化也具有很多優(yōu)勢(shì)：可靠的重傳機(jī)制省去了上層錯(cuò)誤恢復(fù)的需要；在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，基于TCP的流媒體數(shù)據(jù)更容易通過防火墻和穿越網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換器（Network Address Translator，NAT）。為更廣泛地服務(wù)用戶，網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)提供商在實(shí)踐上更青睞于HTTP協(xié)議流化而不是需要布置專用網(wǎng)絡(luò)的RTP/RTSP協(xié)議流化方式。

但是傳統(tǒng)的視頻流處理模式，如漸進(jìn)式下載（Pro?gressive Download）和RTSP有一個(gè)共同的問題：對(duì)于某個(gè)給定的視頻，不管在怎樣的網(wǎng)絡(luò)中傳遞，它都只能以一個(gè)特定的目標(biāo)比特率編碼（例如，500 kbit/s）。那么，如果選定的目標(biāo)比特率太高，遇到低速的網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)視頻將不得不被緩存，然后才能播放，導(dǎo)致播放的啟動(dòng)時(shí)間非常緩慢，這在網(wǎng)絡(luò)擁塞或利用率高的時(shí)候是經(jīng)常發(fā)生的。如果所選擇的比特率過低，那么視頻質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)降低，從而影響了客戶的體驗(yàn)質(zhì)量（Quality of Experience，QoE）。

所以，對(duì)于在線視頻行業(yè)來說，提供一個(gè)可靠、持續(xù)而且高質(zhì)量的用戶觀看體驗(yàn)，是一個(gè)嚴(yán)峻的課題。隨著越來越多的內(nèi)容提供商不斷推出高清視頻，但是對(duì)應(yīng)的用戶網(wǎng)絡(luò)卻不能持續(xù)保持這樣的高數(shù)據(jù)吞吐量時(shí)，使得緩沖大、抖動(dòng)厲害等視頻質(zhì)量受損現(xiàn)象變得更加突出?；ヂ?lián)網(wǎng)盡力而為的特征使得端到端的可用帶寬總是隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)波動(dòng)，而且，網(wǎng)絡(luò)流量的自相似性使得波動(dòng)在多尺度范圍內(nèi)廣泛存在。小尺度的帶寬波動(dòng)可以通過在終端引入播放延時(shí)或自適應(yīng)播放抵消，但是更大尺度的帶寬波動(dòng)（數(shù)十秒量級(jí)）造成的質(zhì)量下降則不得不引入新的技術(shù)，如自適應(yīng)比特率流技術(shù)（Adaptive Bitrate Streaming，ABR）來克服。自適應(yīng)比特率流技術(shù)能夠幫助用戶，隨著網(wǎng)絡(luò)的變化自動(dòng)地、有效地選擇不同的分辨率/質(zhì)量。對(duì)于每個(gè)視頻，自適應(yīng)比特率流技術(shù)將其分解成很多“塊”，每個(gè)塊的視頻長(zhǎng)度是可以變化的（例如，蘋果的HTTP Live Streaming一般采用10塊），且每個(gè)塊都采用多比特率編碼。如果遇到網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，不能傳送某個(gè)比特率時(shí)，客戶端將自動(dòng)請(qǐng)求一個(gè)更低的比特率來傳送下一個(gè)“塊”。雖然視頻質(zhì)量會(huì)有所下降，但避免了重新緩沖；相反，如果網(wǎng)絡(luò)改善的話，客戶會(huì)請(qǐng)求更高的比特率來傳送下一塊，視頻質(zhì)量也將相應(yīng)地提高[1-2]。

2 自適應(yīng)比特率流技術(shù)概括

自適應(yīng)比特流媒體技術(shù)，相對(duì)于過去傳統(tǒng)的流協(xié)議RTP，RTSP等技術(shù)而言，是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)流媒體技術(shù)。今天的自適應(yīng)流媒體技術(shù)幾乎專門基于HTTP[3]設(shè)計(jì)，能夠有效地在大型分布式HTTP網(wǎng)絡(luò)中工作。

自適應(yīng)比特流媒體技術(shù)通過實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的帶寬和CPU處理能力，并相應(yīng)地調(diào)整傳遞的視頻流質(zhì)量。它要求編碼器能夠把一個(gè)單源視頻編碼生成多個(gè)不同比特率，同時(shí)播放器客戶端[4]根據(jù)可用的資源[5]在不同的編碼流之間進(jìn)行切換，逐漸切換到最合適的那個(gè)碼率上來。結(jié)果：自適應(yīng)比特流媒體技術(shù)，通過適時(shí)切換碼流，在減少緩存下溢概率的同時(shí)，利用很小的緩沖，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)播放，并盡可能爭(zhēng)取為不同網(wǎng)絡(luò)都提供最好的播放質(zhì)量[6]，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)比特率流技術(shù)原理圖

就目前的具體實(shí)現(xiàn)而言，自適應(yīng)比特流技術(shù)通過HTTP方法傳送視頻流，把視頻源內(nèi)容編碼成多個(gè)不同的比特率，而且每個(gè)不同的比特率流進(jìn)一步被分割成小的幾秒鐘的片段[5]。流媒體客戶端通過一個(gè)清單文件了解到存在多個(gè)不同比特率的流片段。啟動(dòng)時(shí)，客戶端從最低比特率流開始請(qǐng)求，如果客戶發(fā)現(xiàn)下載速度大于該段的比特率，隨后會(huì)要求更高的比特率段；后來，如果客戶發(fā)現(xiàn)下載速度低于當(dāng)前段的比特率，它將要求一個(gè)更低比特率的段（如圖2所示）。實(shí)現(xiàn)中，視頻片段的大小可以根據(jù)特定的實(shí)現(xiàn)有所不同，通常在2～10 s[5]。

圖2 自適應(yīng)比特流隨可用帶寬變化示意圖

3 主流自適應(yīng)比特率流媒體技術(shù)

3.1 Adobe的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)流媒體（AdobeDynamic Streaming）

Adobe的自適應(yīng)流媒體解決方案是提供給所有帶有Adobe的Flash插件設(shè)備的一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。該方案中，服務(wù)器存儲(chǔ)不同比特率的數(shù)據(jù)流，在播放過程中，動(dòng)態(tài)選擇不同的質(zhì)量和編碼大小來適應(yīng)用戶的帶寬和CPU變化。Adobe的自適應(yīng)流媒體使用RTMP流協(xié)議，支持的視頻編解碼器包括H.264和VP6，其優(yōu)點(diǎn)是Adobe Flash插件在客戶端廣泛存在。

最新版本的Flash播放器和Flash媒體服務(wù)器已經(jīng)支持在傳統(tǒng)的RTMP以及HTTP上傳輸自適應(yīng)比特流?；贖TTP流的優(yōu)勢(shì)是可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器正常的端口進(jìn)行播放，不需要防火墻對(duì)外開放額外的端口；基于HTTP的流也允許視頻片段被瀏覽器、代理器和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）緩存，大大降低了在源服務(wù)器上的負(fù)載[7]。

3.2 蘋果的自適應(yīng)直播流媒體（AppleLivestreaming）

蘋果公司發(fā)布了一個(gè)客戶端的HTTP自適應(yīng)直播流媒體解決方案。該方案中，按照預(yù)定義的時(shí)間長(zhǎng)短和視頻質(zhì)量要求的不同，服務(wù)器上的視頻內(nèi)容會(huì)被分成多個(gè)片段。服務(wù)器對(duì)外發(fā)布一個(gè)播放列表（.m3u8文件）來包含所有可用的視頻片段，這些自適應(yīng)數(shù)據(jù)流提供了許多不同的比特率，供客戶端設(shè)備與服務(wù)器間交互使用?？蛻舳艘罁?jù)一個(gè)秘密的專有算法，在播放視頻時(shí)，動(dòng)態(tài)地選擇下載視頻段的視頻質(zhì)量。蘋果的HTTP自適應(yīng)直播流媒體采用基于MPEG-2 TS的H.264編碼，已經(jīng)成為iPhone3和后續(xù)新版本（包括iPad）上的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能[8]。

3.3 微軟的自適應(yīng)平滑流媒體（MicrosoftSmooth Streaming）

微軟的平滑流媒體技術(shù)是由微軟提供的一個(gè)自適應(yīng)的流媒體技術(shù)，是對(duì)IIS媒體服務(wù)的一個(gè)擴(kuò)展?？蛻舳送ㄟ^HTTP協(xié)議來自適應(yīng)流媒體[9]，目前支持VC-1和H.264編解碼。微軟平滑流媒體技術(shù)采用流切換的方法來自適應(yīng)不同的編碼流，在默認(rèn)配置下，IIS自適應(yīng)平滑流媒體對(duì)視頻流采用七層編碼，輸出的比特率范圍為300 kbit/s～2.4 Mbit/s。

3.4 MPEG的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流媒體（MPEG-DASH）

對(duì)于視頻生產(chǎn)者，視頻流格式的不兼容和設(shè)備規(guī)范的差異性，使得視頻內(nèi)容在跨移動(dòng)設(shè)備上的播放變得困難。專有的客戶端技術(shù)已成為一個(gè)主要的障礙，迫使生產(chǎn)商提供多個(gè)內(nèi)容來兼容不同的供應(yīng)商。

為了解決這些挑戰(zhàn)，運(yùn)動(dòng)圖像專家組標(biāo)準(zhǔn)（MPEG）提出了動(dòng)態(tài)自適應(yīng)HTTP流（MPEG-DASH），承諾大大降低流媒體傳輸?shù)膹?fù)雜性和成本。MPEG-DASH是基于HTTP自適應(yīng)比特率的流媒體解決方案中唯一的一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)[10]，將徹底改變自適應(yīng)HTTP流的多技術(shù)林立的局面，為消費(fèi)者提供可靠的跨平臺(tái)的觀看體驗(yàn)。

MPEG-DASH是基于3GPPRelease 9自適應(yīng)HTTP流（AHS）和IPTV論壇發(fā)布2的HTTP自適應(yīng)流發(fā)展起來的[10]。相比其他以供應(yīng)商為中心的解決方案，規(guī)范化的MPEG-DASH可以采用通用的部署，大大簡(jiǎn)化部署成本，給市場(chǎng)以信心。

因?yàn)镸PEG-DASH統(tǒng)一的IP視頻流傳輸和消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，用戶在各種終端上都將能夠享受到同樣豐富的、充滿活力的用戶體驗(yàn)，而不會(huì)因?yàn)槠浣K端的不兼容而被生產(chǎn)商忽視。反過來，生產(chǎn)商由于MPEG-DASH標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性，必須支持格式的數(shù)量可以下降到1個(gè)，這將大幅降低生產(chǎn)和傳輸成本。并使生產(chǎn)商有更多的資源投入到內(nèi)容建設(shè)上，而不是花錢生產(chǎn)和交付更多的格式。

雖然蘋果公司尚未表示是否會(huì)采用MPEG-DASH或繼續(xù)精煉自己的自適應(yīng)流媒體格式（HLS），但隨著MPEG-DASH標(biāo)準(zhǔn)的采用，將極大地滿足設(shè)備的擴(kuò)展性，簡(jiǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施部署的同時(shí)保證用戶視頻的觀看質(zhì)量。

3.5 流媒體技術(shù)比較

傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)和多個(gè)主流自適應(yīng)流媒體的比較如表1所示。該表從音視頻的編碼，流媒體的封裝方式、復(fù)用方法和數(shù)字版權(quán)管理（DRM）等多方面進(jìn)行了比較，不難看出各種流媒體技術(shù)的差異。

表1 主流流媒體技術(shù)的比較

4 結(jié)論

采用自適應(yīng)比特率流（ABR），在任何給定的時(shí)間下，該技術(shù)能夠自動(dòng)適應(yīng)不斷變化的用戶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和播放條件，從而保證消費(fèi)者能夠體驗(yàn)到最高質(zhì)量的視頻。

雖然基于HTTP的自適應(yīng)比特率技術(shù)（ABR）比傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)在操作上要復(fù)雜些，同時(shí)還有額外的編碼成本，甚至還有關(guān)于復(fù)雜的自適應(yīng)比特率邏輯和TCP流量控制邏輯之間的競(jìng)爭(zhēng)作用[11]，但是相對(duì)于傳統(tǒng)的非HTTP流媒體解決方案需要大規(guī)模部署專門的流媒體服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施，基于HTTP的ABR可以利用已有的HTTPWeb服務(wù)器，運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的HTTP服務(wù)器軟件，極大地降低了軟件許可成本，方便了部署和擴(kuò)展。

[1] HODGKINSK.Companies need to do a better job streaming mo?bile video[R].[S.l.]：IntoMobile，2012.

[2] Skyfire.Only 18%using adaptive streaming[R].[S.l.]：Streaming Media，2011.

[3]AKHSHABIS，BEGEN A C，DOVROLISC.An experimental eval?uation of rate-adaptation algorithms in adaptive streaming over HTTP[C]//Proc.Second Annual ACM Conference on Multimedia Systems.New York，USA：ACM Press，2011：220-225.

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[5]MüLLER C，LEDERER S，TIMMERER C.An evaluation of dy?namic adaptive streaming over HTTP in vehicular environments [C]//Proc.the ACM Multimedia Systems Conference 2012 and the 4th ACM Workshop on Mobile Video.Chapel Hill，North Caroli?na：ACM Press，2012：122-125.

[6] GANNES L.The next big thing in video:adaptive bitrate stream?ing[EB/OL].[2013-10-10].http://pro.gigaom.com/blog/how-to-de?liver-as-much-video-as-users-can-take/.

[7]Adobe Systems.HTTP dynamic streaming[EB/OL].[2013-10-10]. http://www.adobe.com/products/httpdynamicstreaming/pdfs/httpdyna micstreaming_datasheet.pdf.

[8]PANTOSR.HTTP live streaming[S].2011.

[9] Microsoft，smooth streaming protocol specification[EB/OL].[2013-10-10].http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ff469518.aspx.

[10] ETSI 3GPP 3GPP TS 26.247，Transparent end-to-end pack?et-switched streaming service（PSS）；progressive download and dynamic adaptive streaming over HTTP（3GP-DASH）[S].2008.

[11] AKHSHABI S，BEGEN A C，DOVROLIS C.An experimental evaluation of rate-adaptation algorithms in adaptive streaming over HTTP[J].Signal Processing:Image Communication，2012，27（4）：271-287.

Analysis on M ainstreams of Adaptive Bitrate Stream ing Technologies

LI Jian1，BIE Hongxia2
（1.Dept.of SVPTG,Cisco Systems(China)R&D Co.Ltd.,Shanghai 200233,China; 2.School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China）

With the rapid growth of Internet multimedia applications,especially the development of online video services, the traditional streaming media technology has a great impact on the user experience,because its single encoding mode is difficult to adapt to the changes of user network.The main problems of the online video business faced are analyzed,and the characteristics and advantages of the emerged adaptive bit rate streaming technology are introduced.Through the analysis and comparison of adaptive bit rate streaming and traditional streaming technology,it is indicated that for online video,particularly OTT video,the standard adaptive bit rate streaming technology,which helps unify infrastructure and consumer electronics configurations,is much superior to the traditional one.

HTTP streaming;online OTT video;adaptive bitrate streaming;MPEG-DASH

TP37

A

?? 京

2013-12-20

【本文獻(xiàn)信息】李建，別紅霞.對(duì)主流自適應(yīng)碼率流媒體技術(shù)的分析[J].電視技術(shù)，2014，38（12）.

李 建（1978－），碩士生，主研多媒體通信、寬帶通信；

別紅霞（1971—），女，教授，博士生導(dǎo)師，主研多媒體通信。