本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)視頻質(zhì)量動態(tài)自適應(yīng)選擇領(lǐng)域，具體的指出一種基于模糊控制的MPEG-DASH視頻流自適應(yīng)控制方法。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，媒體在網(wǎng)絡(luò)傳輸內(nèi)容中所占的比重越來越大，基于HTTP的動態(tài)流媒體傳輸(DASH)逐漸吸引各國研究者們的關(guān)注。2012年ISO正式批準(zhǔn)MPEG組織提交的MPEG-DASH方案為國際統(tǒng)一DASH傳輸標(biāo)準(zhǔn)，成為DASH系統(tǒng)走向成熟的重要一步。然而，MPEG-DASH標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中僅對媒體描述文件MPD及媒體文件的格式進(jìn)行了定義，對媒體編碼格式，服務(wù)器端視頻等級分配以及客戶端自適應(yīng)選擇策略等等均未進(jìn)行規(guī)范，為研究者們提供了極大的優(yōu)化空間。近年來，對DASH傳輸?shù)难芯堪ǚ?wù)器端視頻等級分配，客戶端自適應(yīng)選擇策略，音視頻傳輸形式，最終用戶評價知覺質(zhì)量模型等等，其中客戶端自適應(yīng)選擇策略更是其中研究的熱點(diǎn)。

在MPEG-DASH傳輸系統(tǒng)中，同一段視頻內(nèi)容被壓縮成多個碼率，并被分割成多個切片存儲在服務(wù)器，客戶端根據(jù)自身硬件條件以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)吞吐量選擇合適的視頻質(zhì)量，并向服務(wù)器發(fā)出申請，以期提供網(wǎng)絡(luò)視頻觀看者最好的質(zhì)量體驗(yàn)，此即為客戶端自適應(yīng)選擇控制過程。同時客戶端根據(jù)自身?xiàng)l件開辟一段緩存區(qū)域存儲下載完成但沒播放的視頻，用于防止由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境突發(fā)變化帶來的視頻停頓。目前，關(guān)于客戶端進(jìn)行視頻質(zhì)量選擇的客戶端自適應(yīng)算法已有很多研究，其算法主要可分為兩大類：基于吞吐量的自適應(yīng)選擇和基于緩存的自適應(yīng)選擇。基于吞吐量的視頻質(zhì)量選擇方法僅考慮當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而不考慮客戶端緩存中視頻余量，為保證視頻平穩(wěn)連續(xù)播放，其選擇機(jī)制表現(xiàn)出視頻質(zhì)量波動大，平均申請視頻質(zhì)量不高的缺點(diǎn)?；诰彺娴囊曨l質(zhì)量選擇機(jī)制，可以提供相較前者更高且更加平穩(wěn)的視頻質(zhì)量，然而，難以設(shè)定緩存門限成為其目前發(fā)展的主要瓶頸。

模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合論，模糊語言變量和模糊推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，其已成為當(dāng)今控制系統(tǒng)的重要組成部分。模糊控制是模擬人的思維、推理和判斷的一種方法，不同于傳統(tǒng)控制方法，模糊控制以模糊的語言變量代替精確的數(shù)值輸入，以經(jīng)驗(yàn)化的規(guī)則設(shè)計代替精確的數(shù)學(xué)模型。將模糊控制與傳統(tǒng)基于緩存算法相結(jié)合，可以解決緩存門限值難以設(shè)定的問題。同時模糊控制的語言規(guī)則來自于人類有關(guān)領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗(yàn)，一套精心設(shè)計的語言規(guī)則可以使客戶端自適應(yīng)控制器具有良好的響應(yīng)，在復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為用戶提供更好的知覺質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是：針對復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供一種視頻質(zhì)量自適應(yīng)控制方法，使其滿足：(1)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬急劇下降，選擇視頻質(zhì)量緊跟網(wǎng)絡(luò)變化，以防發(fā)生緩存泄露造成視頻播放停頓或緩存溢出造成網(wǎng)絡(luò)帶寬浪費(fèi)；(2)針對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為用戶提供盡可能高的視頻質(zhì)量，為用戶提供更好的知覺質(zhì)量體驗(yàn)；(3)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境持續(xù)小范圍波動，盡量維持選擇視頻質(zhì)量穩(wěn)定，以防止視頻質(zhì)量頻繁波動給用戶帶來疲憊感。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于模糊控制的視頻質(zhì)量自適應(yīng)控制方法，包括以下步驟：

步驟1：設(shè)計三輸入兩輸出模糊控制器：其中，

(1)三輸入分別為估計吞吐量，客戶端緩存中的視頻余量和緩存變化量，輸出為申請視頻質(zhì)量等級指示參數(shù)和申請視頻延時指示參數(shù)；

(2)分別設(shè)定估計吞吐量，緩存視頻余量和緩存變化量的隸屬模糊子集和隸屬函數(shù)，根據(jù)各個參數(shù)表現(xiàn)的物理意義，將其模糊子集分別設(shè)定為{偏小，中等，偏大}，{偏小，適中，偏大}，{劇烈下降，下降，平穩(wěn)，上升}，其隸屬函數(shù)分別選用三角、梯形和三角隸屬函數(shù)；

(3)確定模糊規(guī)則，模糊規(guī)則確立的基本原則為：當(dāng)吞吐量偏大且緩存中視頻余量較多時，將申請視頻質(zhì)量等級指示參數(shù)調(diào)高，以提供用戶盡可能高的視頻質(zhì)量；當(dāng)吞吐量較小且緩存中視頻余量較少時，降低申請視頻質(zhì)量等級指示參數(shù)，防止出現(xiàn)視頻播放中斷；

(4)設(shè)定模糊推理機(jī)，選用“或”規(guī)則對各個規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)一；

(5)選用重心法對輸出模糊結(jié)果進(jìn)行解模糊；

步驟2：客戶端向服務(wù)器申請媒體描述文件，了解服務(wù)器端視頻存儲情況。

步驟:3：進(jìn)入初始緩存階段，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境未知，先向服務(wù)器端申請最低質(zhì)量視頻，以使初始延時最短，當(dāng)緩存達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)入緩存穩(wěn)定階段，啟動基于模糊控制的自適應(yīng)控制。

步驟4：計算估計吞吐量：根據(jù)切片下載速度，計算網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并根據(jù)計算得網(wǎng)絡(luò)吞吐量，估計下一切片下載時網(wǎng)絡(luò)吞吐量；

步驟5：計算緩存中視頻余量：根據(jù)申請視頻比特率，網(wǎng)絡(luò)吞吐量及前一切片下載完成時緩存中視頻余量，計算緩存中視頻余量；

步驟6：計算緩存變化量：計算當(dāng)前緩存余量與前一切片下載完成時緩存余量的差值，作為緩存變化量；

步驟7：對輸入進(jìn)行模糊化：根據(jù)以上步驟得到三輸入的精確值，對應(yīng)隸屬函數(shù)圖形得到各個輸入的模糊化結(jié)果，即各個輸入變量相對于其各個模糊子集的隸屬程度；

步驟8：建立輸入與輸出關(guān)系，對輸出進(jìn)行解模糊，得到申請視頻質(zhì)量等級指示參數(shù)和申請視頻延時指示參數(shù)模糊化輸出結(jié)果。

步驟9：根據(jù)得到申請視頻質(zhì)量指示參數(shù)確定下一切片申請視頻切片質(zhì)量等級，根據(jù)申請視頻延時指示參數(shù)確定下一切片視頻申請開始時間。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，顯示出以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)同時考慮估計吞吐量，緩存中視頻余量，緩存變化量進(jìn)行視頻質(zhì)量自適應(yīng)選擇，可以提供用戶平均質(zhì)量更高，質(zhì)量波動更平穩(wěn)的視頻體驗(yàn)。

(2)將模糊控制引入傳統(tǒng)基于緩存視頻自適應(yīng)選擇機(jī)制，解決傳統(tǒng)基于緩存算法門限值難以設(shè)定問題。同時，模糊控制規(guī)則由人類經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，可以提供更加貼合人類感知的視頻質(zhì)量選擇方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方案的實(shí)現(xiàn)框圖

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式的實(shí)現(xiàn)流程圖

圖3為估計吞吐量隸屬函數(shù)

圖4為緩存視頻余量隸屬函數(shù)

圖5為緩存變化量隸屬函數(shù)

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

步驟1：客戶端向服務(wù)其申請媒體文件，得到視頻在服務(wù)器端的存儲信息，主要得到視頻在服務(wù)器端共存有N等級比特率及相應(yīng)比特率大小信息(b₁，b₂，…，b_N)，為后續(xù)申請?zhí)峁┮罁?jù)。

步驟2：設(shè)置緩存開始階段結(jié)束條件，進(jìn)入緩存開始階段，客戶端根據(jù)從視頻描述文件中得到的視頻存儲信息，向服務(wù)器申請最低等級質(zhì)量視頻，直到緩存達(dá)到預(yù)設(shè)值，進(jìn)入緩存穩(wěn)定階段，開啟基于模糊控制的視頻自適應(yīng)選擇機(jī)制。

步驟3：計算估計吞吐量。記錄客戶端從申請切片到切片下載完成所需時間，時間長度記為t，申請視頻比特率為b，每段視頻切片播放時長為τ，則下載該切片期間網(wǎng)絡(luò)吞吐量表示為T＝b*τ/t,使用該吞吐量作為進(jìn)行下一切片下載是的估計吞吐量。本發(fā)明中，為了能同時得到估計吞吐量與其相鄰兩等級視頻比特率得接近程度，將估計吞吐量相關(guān)輸入進(jìn)一步處理為其中b_k為服務(wù)器端存有的小于當(dāng)前估計吞吐量的最高視頻質(zhì)量。

步驟4：計算當(dāng)前客戶端緩存中的視頻余量u。當(dāng)前緩存中視頻余量與前一切片下載完成時緩存中的視頻余量bu,則當(dāng)前緩存與申請視頻質(zhì)量和下載切片需要時間關(guān)系b＝bu+τ-t，緩存視頻余量與估計吞吐量結(jié)合作為視頻質(zhì)量選擇的主要依據(jù)

步驟5：計算緩存變化量bc。存變化量表示當(dāng)前緩存視頻余量與上一切片下載完成時緩存視頻余量的差值bc＝b-bu，作為系統(tǒng)誤差輸入，幫助系統(tǒng)收斂到最終穩(wěn)定狀態(tài)

步驟6：輸入模糊化。分別設(shè)定估計吞吐量，緩存視頻余量和緩存變化量的隸屬模糊子集和隸屬函數(shù)，根據(jù)各個參數(shù)表現(xiàn)的物理意義，將其模糊子集分別設(shè)定為{偏小，中等，偏大}，{偏小，適中，偏大}，{劇烈下降，下降，平穩(wěn)，上升}，其隸屬函數(shù)由經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，并通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，本發(fā)明最終選用三角和梯形隸屬函數(shù)分別對應(yīng)三個輸入，參見圖3，圖4，圖5，根據(jù)以上步驟得到三輸入的精確值，對應(yīng)隸屬函數(shù)圖形得到各個輸入的模糊化結(jié)果，即各個輸入變量相對于其各個模糊子集的隸屬程度

步驟7：確定模糊規(guī)則。模糊規(guī)則確立的基本原則為，當(dāng)吞吐量偏大且緩存中視頻余量較多時，將申請視頻質(zhì)量等級指示參數(shù)調(diào)高，以提供用戶盡可能高的視頻質(zhì)量。當(dāng)吞吐量較小且緩存中視頻余量較少時，應(yīng)降低申請視頻質(zhì)量等級指示參數(shù)，防止出現(xiàn)視頻播放中斷。

步驟8：由于客戶端緩存一般有限，尤其對于移動終端，內(nèi)存十分有限?？蛻艚K端設(shè)備會根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定緩存上限，為防止不間斷申請造成緩存視頻余量超過緩存上限造成溢出，輸出設(shè)置申請視頻延時指示參數(shù)，其主要設(shè)計思想為當(dāng)緩存中視頻余量較多時，則延時向服務(wù)器端申請下一切片的行為，以防止緩存發(fā)生溢出，依照當(dāng)前緩存中視頻余量多少設(shè)定申請延時長短。

步驟9：設(shè)定模糊推理機(jī)。本發(fā)明選用“或”規(guī)則對各個規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)一，得到最終模糊化輸出結(jié)果。

步驟10：輸出解模糊。確定解模糊規(guī)則，本發(fā)明選用重心法對輸出模糊結(jié)果進(jìn)行解模糊，得到申請視頻質(zhì)量指示參數(shù)和申請視頻延時指示參數(shù)最終精確輸出。

步驟11：根據(jù)申請視頻質(zhì)量指示參數(shù)決定最終下一切片視頻質(zhì)量等級選擇，根據(jù)視頻延時指示參數(shù)決定下一視頻切片申請發(fā)起時間。

步驟12：等待知道切片下載完成，重復(fù)上步驟3-11，直到切片全部下載完成。