一種應(yīng)用于游戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種應(yīng)用于游戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法，包括：S1.將游戲直播平臺(tái)運(yùn)行周期切割成若干個(gè)時(shí)間段；S2.在每一個(gè)時(shí)間段開(kāi)始時(shí)，中央控制單元獲取每個(gè)主播實(shí)時(shí)上傳的信息；S3.中央控制單元基于當(dāng)前收集的信息采用Lyapunov優(yōu)化方法解出最優(yōu)解作為決策結(jié)果，其決策結(jié)果包括視頻流轉(zhuǎn)碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼率選擇決策的決策；S4.基于獲取的決策結(jié)果對(duì)每一個(gè)在線游戲主播做出視頻流轉(zhuǎn)碼決策，對(duì)每一個(gè)在線觀眾做出視頻流分發(fā)決策以及碼率選擇決策。
【專利說(shuō)明】
一種應(yīng)用于游戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及多媒體網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算資源管理領(lǐng)域，更具體地，涉及了一種應(yīng)用于游 戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)革命，智能終端設(shè)備的普及以及游戲產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展， 游戲直播這一新興的視頻娛樂(lè)方式得以蓬勃發(fā)展。繼Twitch, tv游戲直播平臺(tái)在國(guó)外市場(chǎng) 大獲成功后，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出了Douyu. tv，虎牙直播，龍珠直播等一大批游戲直播平臺(tái)。
[0003] 游戲直播平臺(tái)以廣大游戲玩家上傳的實(shí)時(shí)視頻流為視頻源，為游戲玩家提供實(shí)時(shí) 視頻流轉(zhuǎn)碼服務(wù)，以及實(shí)時(shí)視頻流分發(fā)服務(wù)。通過(guò)實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼服務(wù)，游戲直播平臺(tái)能夠 為觀眾提供最適合其設(shè)備能力以及帶寬資源的視頻版本，以保證觀眾能夠獲得較高的用戶 體驗(yàn)。通過(guò)視頻流分發(fā)服務(wù)，游戲直播平臺(tái)能夠?yàn)槊恳粋€(gè)觀眾選擇最適合的接入點(diǎn)。通過(guò)為 觀眾選擇最適合的接入點(diǎn)，游戲直播平臺(tái)能夠保證用戶能夠以較低的延遲觀看游戲視頻， 如圖1，現(xiàn)有游戲直播平臺(tái)架構(gòu)圖。
[0004] 游戲直播平臺(tái)架構(gòu)涉及三個(gè)不同的群體:游戲玩家，游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商和觀眾。 在游戲直播平臺(tái)架構(gòu)中，眾多的游戲玩家根據(jù)各自所處的地域被劃分為不同的玩家群體。 同樣的根據(jù)游戲玩家的所處的地域的不同也被劃分為不同的群體。對(duì)于游戲直播平臺(tái)，為 了滿足不同地域觀眾群體對(duì)于視頻觀看體驗(yàn)的要求，游戲直播平臺(tái)往往選擇在多地建立自 己的數(shù)據(jù)中心，并根據(jù)用戶群所處的地域?qū)⒂脩舻恼?qǐng)求重定向到不同的數(shù)據(jù)中心。此外，由 于不同用戶所使用的終端設(shè)備的能力，所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，游戲直播平臺(tái)必須能夠提 供多種視頻流版本，并根據(jù)用戶自身情況自適應(yīng)地為用戶選擇不同的視頻流版本。
[0005] 隨著智能終端設(shè)備以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及，用戶可以隨時(shí)隨地地訪問(wèn)游戲直播平 臺(tái)，觀看游戲直播。游戲直播平臺(tái)往往使用網(wǎng)關(guān)服務(wù)器或者ISP的DNS服務(wù)來(lái)為用戶提供數(shù) 據(jù)中心選擇重定向服務(wù)。用戶在訪問(wèn)游戲直播平臺(tái)時(shí)，首先向游戲直播平臺(tái)自建的網(wǎng)關(guān)服 務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器通過(guò)自適應(yīng)算法為觀眾選擇最適合的數(shù)據(jù)中心。接著，觀眾直接 與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從數(shù)據(jù)中心獲取實(shí)時(shí)游戲視頻流。同時(shí)，作為一種新興的視頻娛 樂(lè)服務(wù)，觀眾還能夠通過(guò)實(shí)時(shí)文字的方式與游戲玩家進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。由于直播與文字交互 的實(shí)時(shí)性要求，游戲直播平臺(tái)必須要能夠保證觀眾能夠在可容忍的延遲內(nèi)接收到實(shí)時(shí)視頻 流，同時(shí)保證用戶發(fā)出的交互文字能夠?qū)崟r(shí)地被游戲玩家接收到。
[0006] 為了提供上述兩種服務(wù):實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼服務(wù)和視頻分發(fā)服務(wù)。游戲直播平臺(tái)運(yùn) 營(yíng)商需要向云服務(wù)提供商購(gòu)買相應(yīng)的服務(wù)以及帶寬。對(duì)于游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商而言，實(shí)時(shí) 視頻流轉(zhuǎn)碼服務(wù)開(kāi)銷和帶寬開(kāi)銷構(gòu)成了其主要的運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)于游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商來(lái) 說(shuō)，提供實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼服務(wù)，不僅僅能夠提高觀眾的用戶體驗(yàn)，同時(shí)能夠降低視頻分發(fā)所 帶來(lái)的帶寬開(kāi)銷。
[0007] 綜上所述，從游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的角度出發(fā)，為了最小化運(yùn)營(yíng)成本(轉(zhuǎn)碼開(kāi)銷和 帶寬開(kāi)銷），同時(shí)保證用戶的良好觀看體驗(yàn)，游戲直播平臺(tái)需要設(shè)計(jì)一種策略來(lái)最優(yōu)化資源 分配和視頻流分發(fā)，使得游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商能夠以最小的開(kāi)銷提供盡可能好的用戶體 驗(yàn)。
[0008] "K·Pires，and G·Simon，"DASH in Twitch:Adaptive Bitrate Streaming in Live Game Streaming Platforms"，in VideoNext, 2014."公開(kāi)了將 DASH 技術(shù)引入到游戲 直播平臺(tái)，并且針對(duì)實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼決策問(wèn)題提出了兩個(gè)啟發(fā)式算法。通過(guò)啟發(fā)式算法指 導(dǎo)游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商對(duì)不同游戲主播做出轉(zhuǎn)碼決策。該技術(shù)主要以每個(gè)主播所擁有的觀 眾數(shù)量作為是否對(duì)其原始視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼的標(biāo)準(zhǔn)。由于游戲直播平臺(tái)中觀眾數(shù)量分布不 均，導(dǎo)致了只有熱門主播的視頻流能夠得到轉(zhuǎn)碼，這就影響了觀看相對(duì)冷門的頻道的用戶 的體驗(yàn)。
[0009] UF. Chen,C. Zhang,F. Wang,and J·Liu，"Crowdsourced Live Streaming Over The Cloud"，in INF0C0M，2015."公開(kāi)了從游戲主播角度出發(fā)，考慮當(dāng)游戲主播上傳游戲視 頻時(shí)，如何為其選擇一個(gè)最優(yōu)的服務(wù)器來(lái)接收其上傳的視頻流。在衡量服務(wù)器最優(yōu)性時(shí)，該 技術(shù)主要以地域分布以及服務(wù)器負(fù)載兩個(gè)指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。在該技術(shù)中，只討論了如何 為游戲玩家選擇一個(gè)最優(yōu)的視頻上傳點(diǎn)，并沒(méi)有將游戲直播平臺(tái)中的其他角色，如:觀眾， 加入到算法設(shè)計(jì)的考慮中。單純地從游戲玩家的角度進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，無(wú)法保證算法的實(shí)際 優(yōu)化效果，且無(wú)法保證用戶體驗(yàn)。
[0010] UR.Shea,D.Fu,and J.Liu,towards Bridging Online Game Playing and Live Broadcasting:Design and Optimization"，in N0SSDAV, 2015 ·" 提出了一種新的游戲直播 平臺(tái)架構(gòu)。該技術(shù)試圖在架構(gòu)中將游戲直播平臺(tái)與云游戲平臺(tái)結(jié)合起來(lái)。同時(shí)，該技術(shù)還測(cè) 量了主流開(kāi)源直播軟件0BS的能耗情況。該技術(shù)僅僅測(cè)量了開(kāi)源直播軟件0BS的能耗情況并 提出了一個(gè)新型的直播平臺(tái)架構(gòu)，并沒(méi)有進(jìn)一步深入地探討其中涉及到的問(wèn)題，也沒(méi)有提 出一個(gè)最優(yōu)化算法以指導(dǎo)游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商做出決策。
[0011] UR.Aparicio-Pardo,K.Pires,A.Blanc,and G·Simon，"Transcoding Live Adaptive Video Streams at a Massive Scale in the Cloud"，in MMSys，2015 ·''該技術(shù) 從游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的角度出發(fā)，考慮如何對(duì)實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。該技術(shù)試 圖提出一種策略，在有限轉(zhuǎn)碼資源的前提下，盡可能地優(yōu)化轉(zhuǎn)碼輸出視頻分辨率，從而盡可 能提高觀眾的體驗(yàn)。該技術(shù)僅僅通過(guò)轉(zhuǎn)碼任務(wù)調(diào)度的方式來(lái)最優(yōu)化每個(gè)轉(zhuǎn)碼任務(wù)的輸出視 頻分辨率，在優(yōu)化過(guò)程中沒(méi)有考慮觀眾的因素，也沒(méi)有考慮游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的成本因 素。因此，通過(guò)該技術(shù)得到的任務(wù)調(diào)度策略并不能有效地保證用戶體驗(yàn)，也不能保證游戲直 播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的成本能夠被控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 針對(duì)游戲直播平臺(tái)中存在的運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高，觀眾分布不均衡等問(wèn)題，本發(fā)明提出 了一種應(yīng)用于游戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法，是一種游戲直播平臺(tái)中的轉(zhuǎn)碼資源 優(yōu)化和自適應(yīng)流適配方法。該方法在滿足觀眾體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了盡可能地降低運(yùn)營(yíng)商 的運(yùn)營(yíng)成本。
[0013] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0014] -種應(yīng)用于游戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法，包括以下步驟：
[0015] S1.將游戲直播平臺(tái)運(yùn)行周期切割成若干個(gè)時(shí)間段；
[0016] S2.在每一個(gè)時(shí)間段開(kāi)始時(shí)，中央控制單元獲取每個(gè)主播實(shí)時(shí)上傳的信息；
[0017] S3.中央控制單元基于當(dāng)前收集的信息采用Lyapunov優(yōu)化方法解出最優(yōu)解作為決 策結(jié)果，其決策結(jié)果包括視頻流轉(zhuǎn)碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼率選擇決策的決策；
[0018] S4.基于獲取的決策結(jié)果對(duì)每一個(gè)在線游戲主播做出視頻流轉(zhuǎn)碼決策，對(duì)每一個(gè) 在線觀眾做出視頻流分發(fā)決策以及碼率選擇決策；
[0019] 步驟S3中求解獲得決策的方式具體為:將最小化運(yùn)營(yíng)成本、最優(yōu)化用戶體驗(yàn)的優(yōu) 化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)yapunov優(yōu)化問(wèn)題，中央控制單元當(dāng)前收集的信息作為該優(yōu)化問(wèn)題的已知條 件，將用戶Q〇E指標(biāo)作為約束條件，并同時(shí)設(shè)置一個(gè)可容忍的延遲下界來(lái)保證用戶體驗(yàn)質(zhì) 量，然后解出最優(yōu)解作為決策結(jié)果；
[0020] 定義一個(gè)虛擬隊(duì)列0(t);同時(shí)定義虛擬隊(duì)列更新方程：
[0021]
[0022]其中，D(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲，W表示第t個(gè)時(shí)間段在線 觀眾數(shù)量，#表示第t個(gè)時(shí)間段直播平臺(tái)中在線觀眾總?cè)藬?shù)，ε表示觀眾所能容忍的最大延 遲閾值，虛擬隊(duì)列9(t)用于衡量觀眾實(shí)際感受到的延遲與預(yù)定義閾值之間的累積差距； [00 23] 根據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，定義L(t)和Δ (0(t))如下：
[0024]
[0025] Δ (0(t))=L(t+l)-L(t)
[0026] L(t)用于衡量隊(duì)列的大小，△ (0(t))表示相鄰兩個(gè)時(shí)間段隊(duì)列數(shù)組的變化量;根 據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，依據(jù)用戶用電請(qǐng)求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)計(jì)算出滿 足如下最優(yōu)化方程的視頻流轉(zhuǎn)碼及分發(fā)策略：
[0027]
[0028] 其中V是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)目標(biāo)優(yōu)化方程和用戶延遲隊(duì)列之間的權(quán)衡;α是 一個(gè)可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)優(yōu)化目標(biāo)之間的權(quán)重，即運(yùn)營(yíng)成本與用戶體驗(yàn)之間的權(quán)重;D(i，t) 表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲，C b(i，t)表示為了服務(wù)于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開(kāi) 銷，Q(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所生產(chǎn)的用戶體驗(yàn)值;C s(j，t)表示在第t個(gè)時(shí)間段，為 給游戲主播j提供轉(zhuǎn)碼服務(wù)，游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商需要支出的轉(zhuǎn)碼費(fèi)用。
[0029] 優(yōu)選的，觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲D(i，t)必須在觀眾感受到的視頻觀 看延遲在可容忍的范圍之內(nèi)，即滿足下式；
[0030]
[0031] T表示游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)的總時(shí)長(zhǎng)。
[0032] 優(yōu)選的，轉(zhuǎn)碼費(fèi)用Cs(j，t)定義如下：
[0033]
[0034] 其中，P(j，t)表示在第t個(gè)時(shí)間段由游戲玩家j所上傳的視頻被轉(zhuǎn)碼成的碼率版 本，Bs(m)指的是第m個(gè)碼率版本所對(duì)應(yīng)的視頻碼率，t是指第t個(gè)時(shí)間段，τ表示虛轉(zhuǎn)碼的視 頻時(shí)長(zhǎng)。&表示轉(zhuǎn)碼服務(wù)提供商將原始碼率為P( j，t)，時(shí)長(zhǎng)為τ的視頻流轉(zhuǎn)碼為目標(biāo)碼率為 Bs(m)的視頻流所收取的費(fèi)用。
[0035] 優(yōu)選的，觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所生產(chǎn)的用戶體驗(yàn)值Q(i，t)滿足下式：
[0036] Q(i , t) =Φ(6(?) ,Bv(i , t))
[0037] 其中，Q(i，t)表示用戶體驗(yàn)值，G(i)表示用戶所觀看的游戲視頻的基本碼率要求， Bv(i，t)表示用戶v在時(shí)間段t所接收到的碼率;ΦΟ函數(shù)表示觀看基本碼率要求為G(i)且接 收到碼率為B v( i，t)的用戶體驗(yàn)值。
[0038] 優(yōu)選的，服務(wù)于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開(kāi)銷Cb(i，t)滿足下式：
[0039] Cb(i，t)=Bv(i，t) · U(Z(i，t)，t)
[0040] 其中，Z(i，t)表示的用戶i在第個(gè)t時(shí)間段所選擇的數(shù)據(jù)中心，U(Z(i，t)，t)表示編 號(hào)為Z(i，t)的數(shù)據(jù)在第t個(gè)時(shí)間段的單位帶寬價(jià)格。
[0041] 優(yōu)選的，其約束條件還包括視頻碼率要求，是針對(duì)當(dāng)前游戲類型，觀眾在觀看該游 戲視頻時(shí)，要獲得基本的用戶體驗(yàn)所應(yīng)該選擇的最低視頻碼率；由下式確定：
[0042]
[0043] 其中，Bv(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所接收到的視頻流碼率，G(i)代表觀眾i 所選擇的游戲類型，E(G(i))表示觀眾i要獲得最基本的用戶體驗(yàn)所需要請(qǐng)求的視頻碼率； 整個(gè)表達(dá)式用于確保對(duì)每一個(gè)觀眾i，在每一個(gè)時(shí)隙t，其所接收到的視頻碼率都能夠保證 其獲得最基本的用戶體驗(yàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 圖1為現(xiàn)有游戲直播平臺(tái)架構(gòu)圖。
[0045] 圖2為本發(fā)明中實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼與分發(fā)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。
[0047]游戲直播平臺(tái)
[0048] 游戲直播平臺(tái)（Live Game Video Streaming Platform)是以游戲玩家實(shí)時(shí)上傳 的游戲視頻為視頻源，為觀眾提供實(shí)時(shí)游戲視頻服務(wù)的視頻平臺(tái)。游戲直播平臺(tái)主要負(fù)責(zé) 對(duì)游戲玩家上傳的實(shí)時(shí)視頻流進(jìn)行在線轉(zhuǎn)碼，并將轉(zhuǎn)碼后的視頻流分發(fā)給觀眾。
[0049] 游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商
[0050] 游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商（Crowdsourced Live Game Video Streaming Service Provider)是游戲直播平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)商。借助云計(jì)算、云存儲(chǔ)等相關(guān)技術(shù)，對(duì)游戲玩家上傳的 游戲視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼，并將轉(zhuǎn)碼后的視頻流分發(fā)給觀眾。
[0051 ] Lyapunov 優(yōu)化框架
[0052] Lyapunov優(yōu)化框架用于設(shè)計(jì)針對(duì)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的在線決策算法，并使決策達(dá)到最優(yōu) 的同時(shí)保持系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。該優(yōu)化框架的最大優(yōu)勢(shì)是不需要提前知道系統(tǒng)未來(lái)的狀態(tài) 信息。
[0053] 針對(duì)游戲直播平臺(tái)中存在的運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高，觀眾分布不均衡等問(wèn)題，本發(fā)明提出 了一種應(yīng)用于游戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法。該方法在滿足觀眾體驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)了盡可能地降低運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。
[0054] 本發(fā)明充分考慮了不同游戲類型對(duì)于觀眾體驗(yàn)的影響，本發(fā)明針對(duì)不同的游戲類 型提出了一種通用的資源優(yōu)化和自適應(yīng)流適配算法。同時(shí)，本發(fā)明還充分考慮了觀眾分布 的地域性，當(dāng)觀眾請(qǐng)求視頻流時(shí)，本方法能夠?yàn)槊恳粋€(gè)觀眾選擇一個(gè)最適合的接入點(diǎn)。通過(guò) 為觀眾選擇合理的接入點(diǎn)，本方法能夠盡可能地降低用戶的觀看延遲。本發(fā)明通過(guò)建立用 戶Q〇E模型、用戶觀看延遲模型以及運(yùn)營(yíng)商開(kāi)銷模型，基于Lyapunov優(yōu)化框架，設(shè)計(jì)出基于 自適應(yīng)流適配技術(shù)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)優(yōu)化方法。
[0055] 本發(fā)明的基本技術(shù)包括：用戶QoE模型、用戶視頻觀看延遲模型、直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商 開(kāi)銷模型以及視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法。
[0056] 用戶QoE模型
[0057] 在游戲直播平臺(tái)中，用戶QoE(Quality of Experience用戶體驗(yàn)質(zhì)量)反映了觀眾 對(duì)于游戲直播平臺(tái)提供的服務(wù)的滿意程度。用戶QoE是衡量游戲直播平臺(tái)性能的重要指標(biāo) 之一。
[0058]首先，本發(fā)明針對(duì)不同的觀眾觀看的不同游戲類型，定義了與游戲類型相關(guān)的QoE 指標(biāo)，并定義了不同游戲類型視頻的基本視頻碼率要求?；疽曨l碼率要求指的是，針對(duì)當(dāng) 前游戲類型，觀眾在觀看該游戲視頻時(shí)，要獲得基本的用戶體驗(yàn)所應(yīng)該選擇的最低視頻碼 率。
[0059]
[0060] 其中，Bv(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所接收到的視頻流碼率，G(i)代表觀眾i 所選擇的游戲類型，E(G(i))表示觀眾i要獲得最基本的用戶體驗(yàn)所需要請(qǐng)求的視頻碼率。 整個(gè)表達(dá)式用于確保對(duì)每一個(gè)觀眾i，在每一個(gè)時(shí)隙t，其所接收到的視頻碼率都能夠保證 其獲得最基本的用戶體驗(yàn)。
[0061] 本發(fā)明定義用戶QoE與用戶接收到的視頻碼率直接相關(guān)，具體定義為：
[0062] Q(i , t) =Φ(6(?) ,Bv(i , t))
[0063] 其中Q(i，t)表示用戶體驗(yàn)值，G(i)表示用戶所觀看的游戲視頻的基本碼率要求， Bv(i，t)表示用戶v在時(shí)間段t所接收到的碼率;Φ〇函數(shù)表示觀看基本碼率要求為G(i)且接 收到碼率為B v( i，t)的用戶的用戶體驗(yàn)值。
[0064]用戶視頻觀看延遲模型
[0065] 本發(fā)明進(jìn)一步考慮用戶視頻觀看延遲對(duì)于觀眾的影響，在游戲直播平臺(tái)中，觀眾 感受到的延遲主要由三個(gè)部分組成：
[0066] 1、主播端延遲;主播端延遲指的是從主播開(kāi)始上傳視頻流到視頻流被直播平臺(tái)接 收所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。
[0067] 2、平臺(tái)轉(zhuǎn)碼延遲;轉(zhuǎn)碼延遲指的是游戲直播平臺(tái)從接收到主播上傳的原始視頻流 到轉(zhuǎn)碼得到目標(biāo)碼率視頻流所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。
[0068] 3、客戶端延遲;客戶端延遲主要包括兩個(gè)方面：
[0069] a)客戶端網(wǎng)絡(luò)延遲;客戶端網(wǎng)絡(luò)延遲主要指的是視頻流從游戲直播平臺(tái)發(fā)送到觀 眾客戶端所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。
[0070] b)客戶端視頻播放延遲;客戶端視頻播放延遲主要指的是從客戶端接收到視頻流 到解碼視頻流并播放所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。
[0071] 在本發(fā)明中，要求觀眾感受到的視頻觀看延遲在可容忍的范圍之內(nèi)。
[0072]
[0073]其中D(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的觀看延遲。#表示在第t個(gè)時(shí)間 段游戲直播平臺(tái)當(dāng)前的觀眾總數(shù)量。ε是游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商預(yù)先設(shè)定的延遲閾值，用于保 證觀眾感受到的平均延遲在可容忍范圍內(nèi)。
[0074]直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)銷模型
[0075]本發(fā)明在保證用戶QoE的基礎(chǔ)上，盡可能降低直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。在游戲 直播中，游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本主要包括兩個(gè)方面：
[0076] 1、帶寬開(kāi)銷。直播平臺(tái)帶寬開(kāi)銷主要指的是，游戲直播平臺(tái)為分發(fā)游戲視頻流所 需要購(gòu)買的網(wǎng)絡(luò)帶寬的資金消耗。網(wǎng)絡(luò)帶寬開(kāi)銷與游戲直播平臺(tái)所服務(wù)的用戶數(shù)量以及用 戶觀看的視頻碼率有直接的關(guān)系。
[0077] 2、視頻轉(zhuǎn)碼開(kāi)銷。直播平臺(tái)視頻轉(zhuǎn)碼開(kāi)銷主要指的是，游戲直播平臺(tái)為了能夠提 供多個(gè)不同碼率版本的視頻流所需要購(gòu)買的視頻轉(zhuǎn)碼服務(wù)所花費(fèi)的資金。
[0078]對(duì)于地理位置分布不同的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，由于分布的地理位置不同，單位帶寬價(jià) 格也不盡相同，并且單位帶寬價(jià)格隨著時(shí)間波動(dòng)。而對(duì)于實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼開(kāi)銷而言，游戲直 播平臺(tái)需要花費(fèi)的資金與視頻轉(zhuǎn)碼任務(wù)的原始輸入視頻流碼率，輸出視頻碼率以及視頻時(shí) 間長(zhǎng)直接相關(guān)。為了能夠節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商希望能夠同時(shí)降低這兩方面 的資金開(kāi)銷。
[0079] 在本發(fā)明中，服務(wù)于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開(kāi)銷Cb(i，t)滿足下式：
[0080] Cb(i,t)=Bv(i,t) *U(Z(i,t),t)
[0081] 其中，Z(i，t)表示的用戶i在第個(gè)t時(shí)間段所選擇的數(shù)據(jù)中心，U(Z(i，t)，t)表示編 號(hào)為Z(i，t)的數(shù)據(jù)在第t個(gè)時(shí)間段的單位帶寬價(jià)格。
[0082] 除了帶寬開(kāi)銷，由于游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商需要提供多個(gè)版本的視頻流，因此，運(yùn)營(yíng) 商需要購(gòu)買實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼服務(wù)。在本發(fā)明中，轉(zhuǎn)碼開(kāi)銷定義如下：
[0083]
[0084] 其中，P(j，t)表示在第t個(gè)時(shí)間段由游戲玩家j所上傳的視頻被轉(zhuǎn)碼成的碼率版 本，Bs(m)指的是第m個(gè)碼率版本所對(duì)應(yīng)的視頻碼率，t是指第t個(gè)時(shí)間段，τ表示虛轉(zhuǎn)碼的視 頻時(shí)長(zhǎng)。&表示轉(zhuǎn)碼服務(wù)提供商將原始碼率為P(j，t)，時(shí)長(zhǎng)為τ的視頻流轉(zhuǎn)碼為目標(biāo)碼率為 Bs(m)的視頻流所收取的費(fèi)用。
[0085]視頻流轉(zhuǎn)碼與分發(fā)方法
[0086] 下面結(jié)合流程圖2和實(shí)施實(shí)例對(duì)視頻流轉(zhuǎn)碼與分發(fā)方法做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0087] 圖2為本發(fā)明中實(shí)時(shí)視頻流轉(zhuǎn)碼與分發(fā)方法的流程圖，具體步驟如下：
[0088] (S101)將游戲直播平臺(tái)運(yùn)行周期切割成若干個(gè)時(shí)間段。
[0089] (S102)在每一個(gè)時(shí)間段開(kāi)始時(shí)，中央控制單元獲取每個(gè)主播實(shí)時(shí)上傳的信息，包 括視頻碼率，用戶數(shù)量，用戶帶寬等信息。
[0090] (S103)根據(jù)當(dāng)前收集的信息求解出視頻流轉(zhuǎn)碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼 率選擇決策，該求解過(guò)程的約束條件是在保證用戶Q〇E的基礎(chǔ)上最優(yōu)化游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng) 商的運(yùn)營(yíng)成本。
[0091] (S104)根據(jù)步驟(S103)的求解策略對(duì)每一個(gè)在線游戲主播做出視頻流轉(zhuǎn)碼決策， 對(duì)每一個(gè)在線觀眾做出視頻流分發(fā)決策以及碼率選擇決策。
[0092] 在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，步驟(S102)中當(dāng)前收集的信息包括:在線游戲主播數(shù)量， 在線觀眾數(shù)量，觀眾帶寬，游戲玩家上傳視頻流原始碼率，觀眾所觀看的游戲視頻類型，觀 眾與接入數(shù)據(jù)中心之間的網(wǎng)絡(luò)延遲等信息。
[0093] 在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，本發(fā)明可以將最小化運(yùn)營(yíng)成本、最優(yōu)化用戶體驗(yàn)的優(yōu)化 問(wèn)題轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)yapunov優(yōu)化問(wèn)題，將用戶請(qǐng)求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息作為該優(yōu)化問(wèn)題的已知條 件，將部分用戶Q〇E指標(biāo)(如:碼率、延遲)作為約束條件，并同時(shí)設(shè)置一個(gè)可容忍的延遲下界 來(lái)保證用戶體驗(yàn)質(zhì)量，然后解出最優(yōu)解作為決策結(jié)果。為了使用Lyapunov優(yōu)化框架，本發(fā)明 將基于時(shí)間平均的延遲約束條件轉(zhuǎn)化為基于隊(duì)列穩(wěn)定性的條件，在這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題中定義一 個(gè)虛擬隊(duì)列9(t)。同時(shí)定義虛擬隊(duì)列更新方程：
[0094]
[0095]其中，D(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲，W表示第t個(gè)時(shí)間段在線 觀眾數(shù)量，#表示第t個(gè)時(shí)間段直播平臺(tái)中在線觀眾總?cè)藬?shù)，e表示觀眾所能容忍的最大延 遲閾值，虛擬隊(duì)列9(t)用于衡量觀眾實(shí)際感受到的延遲與預(yù)定義閾值之間的累積差距； [00 96] 根據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，定義L(t)和Δ (0(t))如下：
[0097]
[0098] Δ (0(t))=L(t+l)-L(t)
[0099] L(t)用于衡量隊(duì)列的大小，△ (0(t))表示相鄰兩個(gè)時(shí)間段隊(duì)列數(shù)組的變化量;根 據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，依據(jù)用戶用電請(qǐng)求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)計(jì)算出滿 足如下最優(yōu)化方程的視頻流轉(zhuǎn)碼及分發(fā)策略：
[0100]
[0101]其中V是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)目標(biāo)優(yōu)化方程和用戶延遲隊(duì)列之間的權(quán)衡;α是 一個(gè)可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)優(yōu)化目標(biāo)之間的權(quán)重，即運(yùn)營(yíng)成本與用戶體驗(yàn)之間的權(quán)重;D(i，t) 表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲，Cb(i，t)表示為了服務(wù)于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開(kāi) 銷，Q(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所生產(chǎn)的用戶體驗(yàn)值;C s(j，t)表示在第t個(gè)時(shí)間段，為 給游戲主播j提供轉(zhuǎn)碼服務(wù)，游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商需要支出的轉(zhuǎn)碼費(fèi)用。
[0102] 該算法過(guò)程的偽代碼如下所示。
[0103]
[0104]
[0105] 對(duì)于上述偽代碼中步驟5所需求解的優(yōu)化目標(biāo)，可以進(jìn)一步通過(guò)本發(fā)明提出的執(zhí) 行于每一個(gè)時(shí)隙的多項(xiàng)式時(shí)間求解算法，如下所示。
[0106]
[0107]
[0108] 本友明提出丨一柙奴用t游雙且攢干臺(tái)的視頻沭轉(zhuǎn)媽和分友萬(wàn)'/云，本友明評(píng)細(xì)捆 述了視頻流轉(zhuǎn)碼策略，視頻流碼率選擇策略以及視頻流分發(fā)策略。本發(fā)明在具體實(shí)施時(shí)可 以有多種方法，包括但不局限于：
[0109] 1、使用預(yù)測(cè)算法調(diào)整算法中的閾值；
[0110] 2、針對(duì)觀眾QoE模型做小幅調(diào)整，比如為用戶添加等級(jí)屬性(付費(fèi)用戶，非付費(fèi)用 戶等）。
[0111] 本發(fā)明中，各模塊的結(jié)構(gòu)和連接方式都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的 基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別算法模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
[0112] 本發(fā)明提出的系統(tǒng)工作流程中的關(guān)鍵數(shù)學(xué)模型和方法有：用戶QoE模型、用戶視頻 觀看延遲模型、游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)銷模型、視頻流轉(zhuǎn)碼與分發(fā)方法。用戶QoE模型表達(dá) 了游戲直播平臺(tái)中觀眾對(duì)于視頻服務(wù)的直觀體驗(yàn)，是本發(fā)明的基礎(chǔ)。本發(fā)明提出的視頻流 轉(zhuǎn)碼與分發(fā)算法能根據(jù)有限的系統(tǒng)狀態(tài)信息、用戶QoE反饋和用戶觀看延遲等信息，動(dòng)態(tài)地 做出游戲玩家轉(zhuǎn)碼決策，觀眾碼率選擇決策以及觀眾接入數(shù)據(jù)中心選擇決策，在保證用戶 QoE的基礎(chǔ)上，優(yōu)化游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的總開(kāi)銷。本發(fā)明提出的視頻流轉(zhuǎn)碼與分發(fā)算法是 本發(fā)明的核心內(nèi)容。
[0113]以上所述的本發(fā)明的實(shí)施方式，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā) 明的精神原則之內(nèi)所作出的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種應(yīng)用于游戲直播平臺(tái)的視頻流轉(zhuǎn)碼和分發(fā)方法，其特征在于，包括以下步驟：51. 將游戲直播平臺(tái)運(yùn)行周期切割成若干個(gè)時(shí)間段；52. 在每一個(gè)時(shí)間段開(kāi)始時(shí)，中央控制單元獲取每個(gè)主播實(shí)時(shí)上傳的信息；53. 中央控制單元基于當(dāng)前收集的信息采用Lyapunov優(yōu)化方法解出最優(yōu)解作為決策結(jié) 果，其決策結(jié)果包括視頻流轉(zhuǎn)碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼率選擇決策的決策；54. 基于獲取的決策結(jié)果對(duì)每一個(gè)在線游戲主播做出視頻流轉(zhuǎn)碼決策，對(duì)每一個(gè)在線 觀眾做出視頻流分發(fā)決策以及碼率選擇決策； 步驟S3中求解獲得決策的方式具體為:將最小化運(yùn)營(yíng)成本、最優(yōu)化用戶體驗(yàn)的優(yōu)化問(wèn) 題轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)yapuno V優(yōu)化問(wèn)題，中央控制單元當(dāng)前收集的信息作為該優(yōu)化問(wèn)題的已知條件， 將用戶QoE指標(biāo)作為約束條件，并同時(shí)設(shè)置一個(gè)可容忍的延遲下界來(lái)保證用戶體驗(yàn)質(zhì)量，然 后解出最優(yōu)解作為決策結(jié)果； 定義一個(gè)虛擬隊(duì)列9(t);同時(shí)定義虛擬隊(duì)列更新方程：其中，D(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲，Vt表示第t個(gè)時(shí)間段在線觀眾 數(shù)量，Nt表示第t個(gè)時(shí)間段直播平臺(tái)中在線觀眾總?cè)藬?shù)，ε表示觀眾所能容忍的最大延遲閾 值，虛擬隊(duì)列9(t)用于衡量觀眾實(shí)際感受到的延遲與預(yù)定義閾值之間的累積差距； 根據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，定義L(t)和△ (0(t))如下：Δ (9(t))=L(t+l)-L(t) L(t)用于衡量隊(duì)列的大小，△ (0(t))表示相鄰兩個(gè)時(shí)間段隊(duì)列數(shù)組的變化量；根據(jù) Lyapunov優(yōu)化框架，依據(jù)用戶用電請(qǐng)求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)計(jì)算出滿足 如下最優(yōu)化方程的視頻流轉(zhuǎn)碼及分發(fā)策略：其中V是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)目標(biāo)優(yōu)化方程和用戶延遲隊(duì)列之間的權(quán)衡;α是一個(gè) 可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)優(yōu)化目標(biāo)之間的權(quán)重，即運(yùn)營(yíng)成本與用戶體驗(yàn)之間的權(quán)重;D(i，t)表示 觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲，C b(i，t)表示為了服務(wù)于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開(kāi)銷，Q (i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所生產(chǎn)的用戶體驗(yàn)值;C s(j，t)表示在第t個(gè)時(shí)間段，為給游 戲主播j提供轉(zhuǎn)碼服務(wù)，游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商需要支出的轉(zhuǎn)碼費(fèi)用。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所感受到的延遲D(i， t)必須在觀眾感受到的視頻觀看延遲在可容忍的范圍之內(nèi)，即滿足下式；T表示游戲直播平臺(tái)運(yùn)營(yíng)的總時(shí)長(zhǎng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，轉(zhuǎn)碼費(fèi)用Cs(j，t)定義如下：其中，P(j，t)表示在第t個(gè)時(shí)間段由游戲玩家j所上傳的視頻被轉(zhuǎn)碼成的碼率版本，BS (m)指的是第m個(gè)碼率版本所對(duì)應(yīng)的視頻碼率，t是指第t個(gè)時(shí)間段，τ表示虛轉(zhuǎn)碼的視頻時(shí) 長(zhǎng)。&表示轉(zhuǎn)碼服務(wù)提供商將原始碼率為P(j，t)，時(shí)長(zhǎng)為τ的視頻流轉(zhuǎn)碼為目標(biāo)碼率為B s (m)的視頻流所收取的費(fèi)用。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所生產(chǎn)的用戶體驗(yàn)值 Q(i，t)滿足下式： Q(i，t)=iKG(i)，Bv(i，t)) 其中，Q(i，t)表示用戶體驗(yàn)值，G(i)表示用戶所觀看的游戲視頻的基本碼率要求，Bv(i， t)表示用戶V在時(shí)間段t所接收到的碼率;Φ()函數(shù)表示觀看基本碼率要求為G(i)且接收到 碼率為Bv(i，t)的用戶體驗(yàn)值。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，服務(wù)于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開(kāi)銷Cb(i，t)滿 足下式： Cb(i ,t) =Bv(i ,t) *U(Z(i,t),t) 其中，Z(i，t)表示的用戶i在第個(gè)t時(shí)間段所選擇的數(shù)據(jù)中心，U(Z(i，t)，t)表示編號(hào)為 Z(i，t)的數(shù)據(jù)在第t個(gè)時(shí)間段的單位帶寬價(jià)格。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其約束條件還包括視頻碼率要求，是針對(duì) 當(dāng)前游戲類型，觀眾在觀看該游戲視頻時(shí)，要獲得基本的用戶體驗(yàn)所應(yīng)該選擇的最低視頻 碼率；由下式確定：其中，Bv(i，t)表示觀眾i在第t個(gè)時(shí)間段所接收到的視頻流碼率，G(i)代表觀眾i所選擇 的游戲類型，E(G(i))表示觀眾i要獲得最基本的用戶體驗(yàn)所需要請(qǐng)求的視頻碼率;整個(gè)表 達(dá)式用于確保對(duì)每一個(gè)觀眾i，在每一個(gè)時(shí)隙t，其所接收到的視頻碼率都能夠保證其獲得 最基本的用戶體驗(yàn)。
【文檔編號(hào)】H04N21/2343GK105933727SQ201610345162
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】吳迪, 鄭元?dú)g, 劉學(xué)正
【申請(qǐng)人】中山大學(xué)