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CN102823223B - 恢复流传输为块的内容的方法 - Google Patents

恢复流传输为块的内容的方法 Download PDF

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CN102823223B CN201180016915.6A CN201180016915A CN102823223B CN 102823223 B CN102823223 B CN 102823223B CN 201180016915 A CN201180016915 A CN 201180016915A CN 102823223 B CN102823223 B CN 102823223B
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Abstract

本发明涉及一种用于在客户端装置接收被分割成与内容持续时间对应的块的内容的自适应流传输方法，这些块在服务器被编码成至少第一和第二格式，第一格式与比第二格式更好的内容呈现质量等级对应，块在块接收时段期间被接收。根据本发明，方法包括下列步骤：测量客户端和服务器之间可用于下一个块接收时段的带宽、请求服务器发送以某种格式编码的块以使得该块可以在下一个块接收时段期间被接收以及如果一些带宽可用于下一个块接收时段，那么请求服务器发送一部分以第二格式编码的块，以第一格式编码的该块已被接收。

Description

恢复流传输为块的内容的方法
技术领域
本发明一般涉及自适应视频流传输，尤其涉及一种用于恢复自适应视频流传输内容的方法。
背景技术
这部分旨在向读者介绍本技术领域的各个方面，这些方面可能与下面将要描述和/或要求权利的本发明的各个方面有关。这个讨论被认为有助于向读者提供背景信息以帮助更好地理解本发明的各个方面。因此，应该从这个角度理解这些陈述，而不应该将它们理解为是对现有技术的承认。
媒体传送流传输解决方案主要基于诸如定义在IETF RFC 2326、微软公司的微软媒体服务器（MMS）私有协议或Adobe系统公司的实时消息传送协议（RTMP）私有协议中实时流传输（RTSP）的协议。最近出现了基于HTTP协议的新的流传输技术。自适应流传输技术通过不间断且合适地提升或降低视频质量以适应带宽限制提供了一种补偿与可用带宽有关的异常的网络行为的方法。更确切地说，视频流被编码成几个编码比特流，每个都与一个比特率限制对应，诸如例如300kbps、600kbps、1200kbps、2000kbps或3000kbps。然后，这些流中的每个都被划分为代表例如2秒持续时间的若干块，全部以其中每个块都以参考帧开始的方式很好地对齐；任何给定的块的帧都不参考另一个块的帧。换句话说，视频流被切割成被称作“块”并被编码成理想传送格式的短分段（segment）。块通常为2至4秒长。在视频编解码器级别，这通常意味着每个块都沿着视频画面组（GOP）的边界切割并且与之前或之后的块和GOP无关。这允许每个块可以独立于其它块在稍后被解码。
客户端装置请求HTTP服务器发送保持在与估计的带宽有关的特定比特率上的块，其中可以通过例如测量HTTP请求/应答所用的往返时间测量可用带宽。然后，基于客户端请求一块接一块地传送视频流。这在如图1中图示，图1从较低到较高比特率地展示了块比特率的4个等级。所有与固定的持续时间对应的视频块或多或少是大的。大的块要求更宽的带宽并提供更好的视频质量。块的选择取决于与曲线对应的估计的可用带宽。当然，取决于实施方式、环境、网络技术和客户端应用，策略可能或多或少是保守的。当策略是保守的时候，客户端仅在某一时间后请求更高比特率的块，从而保证平滑的提升过渡。较不保守的策略在客户端一检测到更多的可用带宽后就请求更高比特率的块。以及，通常地，客户端在其一检测到暗示急速的降低过渡的带宽减少就请求更低比特率的块。
这种流传输技术的实例是Move Networks的“Move Adaptive Stream”、苹果公司的“HTTP实时流传输”和微软公司的“IIS（因特网信息服务）平滑流传输”。在这些流传输解决方案中使用HTTP协议的好处在于它能够无缝地跨越NAT和防火墙。这些HTTP流传输技术通过不间断且合适地提升或降低视频质量以适应带宽限制提供了一种补偿与可用带宽有关的异常的网络行为的方法。
更具体地说，Move Networks的专利WO 2005/109224A2描述了一种在处在客户端侧的代理控制器模块（Agent Controller Module）中并且能够适应波动的网络带宽的机制，这是由于下列事实：将要被流传输的媒体在之前已经被组织成多个细流（streamlet），这种细流也被称作块，它们中的每一个都被从低到高比特率编码。根据可用网络带宽和一些其它额外的信息，包括在代理控制器模块中的监视工具使用HTTP协议以请求服务器发送最合适在TCP/IP连接上流传输的块。基于基本块，质量根据代理控制器模块上移（up-shift）或者下移(down-shift)。
Alex Zambelli的IIS Smooth Streaming Technical Overview（微软公司，2009年3月）描述了TCP/IP连接上基于HTTP协议的IIS平滑流传输技术。将要由服务器流传输的媒体之前被切分成代表例如1到10秒持续时间的块。然后，根据H.264/MPEG-4AVC标准以不同的比特率对这些块编码并将其存储在MP4文件格式容器中。根据网络带宽波动选择比特率并请求无缝地将对应的块流传输到服务器的机制通过应用代码，Silverlight应用，完全被实施在客户端侧。HTTP实时流传输支持响应变化的连接速度在不同数据率的流之间动态切换。
苹果公司在2009年10向IETF提交了一份标题为“HTTP Live Streamingdraft-pantos-http-live-streaming-02”的有关HTTP流传输方法规范的因特网草案。HTTP流传输架构基于3个支柱：服务器、通过Web服务器或Web高速缓存系统的分布和客户端。将要被流传输的媒体是使用H.264编码的视频和使用AAC编码的音频。在服务器端，它被封装在MPEG-TS容器内并使用名称为Apple stream segmenter(苹果流分段器)的特定工具将其分段成相等持续时间的块。这个工具生成若干被保存为*.ts文件和索引文件*;m3u8的块，以组成块播放列表。然后，由于URL指针，客户端先取回索引文件。索引文件反过来规定可用媒体文件、解密密钥和任何可用替代性流的位置。对于选择的流，客户端按顺序下载每一个可用媒体文件。
使用这种自适应流传输技术，视频质量是不规律的。客户端一个块接一个块获得的流由于它是不同比特率的块的混合因此并不具有一致的质量。该视频可以被存储在稍后会被其重放的接收器上。通常地，使用这种流传输应用，由于块可以被记录在本地存储设施上，因此不存在在网络上重新发送流的需要。然而，记录的块序列与在流传输会话期间得到体验的网络条件对应，从而导致不一致的视频质量。
这个问题的一个解决方案可能是从服务器重新获取与低质量的块对应的块。这可以作为在记录的流被重放之前的分组下载来完成。然而，这种做法可能比较耗时。另一种解决方案是在重放被记录的流的过程中即时地替换低质量的块。然而，也无法保证客户在他们需要时能获得更好质量的块。并且，这两种解决方案都强制要求客户端与服务器连接。
发明内容
本发明试图通过提供适时地增强块质量的方法补救至少一些现有技术中与质量较低的块有关的问题。
为了达到这个目的，本发明涉及用于在客户端装置接收被分割成与内容持续时间对应的块的内容的自适应流传输方法，这些块在服务器被编码成至少第一和第二格式，第一格式与比第二格式更好的内容呈现质量等级对应，块在块接收时段期间被接收。
根据本发明，该方法包括下列步骤：测量客户端和服务器之间可用于下一个块接收时段的带宽、请求服务器发送以某种格式编码的块以使得该块可以在下一个块接收时段期间被接收以及如果某些带宽可用于下一个块接收时段，那么请求服务器发送一部分以第二格式编码的块，以第一格式编码的该块已被接收。
根据实施例，该方法包括接收块并将该块传送给呈现装置的步骤。
根据实施例，该方法包括将块存储在存储器中的步骤。
根据本发明的实施例，该方法包括在连续的块接收时段使用可用带宽以请求以第二格式编码的该块所有部分的步骤。
根据本发明的实施例，该方法包括一接收到以第二格式编码的块的所有部分就在存储器中用以第二格式编码的块替换（swap）以第一格式编码的块的步骤。
本发明还涉及一种用于在客户端装置接收被分割成与内容持续时间对应的块的内容的自适应流传输方法，在服务器，根据视频可伸缩视频编码（SVC）技术，将这块编码成一个基础层和至少一个增强层，并且块在块接收时段期间被接收。为了达到这个目的，该方法包括下列步骤：测量客户端和服务器之间可用于下一个块接收时段的带宽、请求服务器发送使用至少一个SVC层编码的块以使得该块可以在下一个块接收时段期间被接收，以及如果一些带宽可用于下一块接收时段，那么请求服务器发送之前在没有至少一个增强层的情况下已经被接收的块的所述至少一个增强层。
根据本发明的实施例，该方法包括接收块并将该块传送给呈现装置的步骤。
根据本发明的实施例，该方法包括将块存储在存储器中的步骤。
根据本发明另一目的是一种包括用于在计算机上执行时执行根据本发明的方法步骤的程序代码指令的计算机程序产品。“计算机程序产品”是指计算机程序支持，其可能不仅仅在于包含程序的存储空间，诸如计算机存储器，而且在于信号，诸如电信号或光信号。
下面将陈述在范围方面与公开的实施例相当的某些方面。应该理解的是，展示这些方面只是为了为读者提供本发明可能会采用的某些形式的简略概要，而不是为了限制本发明的范围。当然，本发明可能包括可能未在下面陈述的多个方面。
附图说明
参考附图，通过非限制性的以下实施例和执行实例，将会更好地理解和例示本发明。在附图中：
图1是沿时间的传送块的图示；
图2是根据实施例的系统的框图；
图3是根据实施例的客户端装置的框图；
图4示例了根据第一实施例的块传送；和
图5示例了根据第二实施例的块传送。
在图3中，表示的方块都是单纯的功能实体，其并不一定要与物理上分开的实体对应。即，它们可以被开发成硬件或软件的形式，或者被实施为一个或若干集成电路。
具体实施方式
应该了解的是，为了清楚地理解本发明，本发明的图和描述都已经被简化以示例相关元素，而为了清楚，除去了典型的数字多媒体内容传送方法和系统中的许多其它的元素。然而，由于这些元素在本领域中是熟知的，因此在本说明书中并未提供这些元素的详细讨论。本说明书中的公开内容关注本领域技术人员已知的所有这样的变化和修改。
下面将描述两个实施例。在第一实施例中，内容被编码成具有若干比特率，而在第二实施例中，使用可伸缩视频编码对内容编码。图2表示了根据实施例的系统。它包括通过因特网连接的客户端1和服务器3。视频文件分割器5生成压缩的视频和音频为块。客户端也与播放器4连接。在服务器侧，根据客户端请求，使用HTTP协议在TCP/IP连接上流传输块。客户端根据下面描述的方法并基于网络带宽估计和显著的多余带宽请求块。
图3示出了根据实施例的客户端。客户端包括网络的第一接口14和通信部件13，该通信部件13包括与位于网络上的服务器通信的协议栈。尤其地，网络是因特网，通信部件是本领域熟知的TCP/IP栈。当然，它也可以是任何其它类型的使得客户端能够与服务器通信的网络和/或通信部件。
客户端还包括连接至适用于解码并呈现内容的视频播放器的第二接口16。当然，第二接口可能能够连接一个以上的播放器。第二接口可以是网络的接口，使得能够连接一个或多个播放器。客户端还包括用于处理存储在客户端中的应用的处理器11。它包括用于在接收自服务器的块被传输到SVC播放器之前缓冲这些块的缓冲器12。客户端还包括存储器17，接收自服务器的块被传送至该存储器17。它优选是非易失性存储器。
客户端还包括用于存储在客户端上运行的应用的非易失性存储器（未显示）。块选择器15是适用于进行如下文所述的块选择的应用。客户端可以被实施为网关装置。替代性地，客户端包括嵌入式SVC播放器。因此，它也可以是诸如机顶盒这样的装置。
替代性地，可以将存储器替代性地放置在与客户端装置连接的存储装置中。只有当存储装置与客户端连接时，才会触发执行如下文所述的方法。这可以一检测到连接的存储装置就被自动触发。这还可以在末端用户请求时被触发。
客户端用于接收块的方法总结如下：
-块选择器根据下文描述的方法选择块，
-通信部件向服务器发送请求以接收选择的块，
-通信部件接收块，
-对块进行缓冲，
-将块发送至视频播放器。
根据实施例，块也被发送至存储器17。为了增强这些存储的块的质量，客户端使用剩余可用带宽以请求更高质量的块，正如下文所示。然后，这些更高质量的块被存储在存储器17中。
图4示出了根据第一实施例的方法。块持续时间与附带在块上的视频持续时间对应。客户端在每个块持续时间段请求与某一比特率对应的块。客户端接收块ch1至ch14。在下文中，块持续时间被设定为2秒。在保守的方法中，客户端仅在一定时间后就请求更高比特率的块，从而保证平滑的提升过渡。当客户端估计到可用于下一个块的带宽时，遵循保守方法，请求与留出足够的带宽以在同一时间段请求提升块的部分的比特率对应的块。
图4以从较低到较高比特率的顺序，如与图1所示，展示了块比特率的4个等级。为了简化，与同一比特率对应的块具有相同的大小，即给定比特率的所有块都被表示为具有相同的面积。如图4所示，客户端已经请求了与给予同时下载更多信息的机会的比特率相关的块序号3。客户端使用可用带宽请求块1的第一中间比特率版本的片段（fragment），而该块1在开始时已经被接收为低比特率的块，如具有设置为一的索引的方框。当请求块4时会发生相同的情形。此时，客户端获得块1的第一中间比特率版本的最后一个片段。并且，块6、7、8和9也会逐渐地被它们各自的第一完全中间比特率的版本替换。当然，一个块只有在相应的提升的块已经被完全接收时才会被替换。
替代性地，可以使用其它方法用于提升本地缓存在客户端主机中的视频的整体质量。图4所示的实例与提供平均质量增强的方法对应，其中，首先优先权给予提升最低比特率块。另外一种方法可能首先优先考虑提升特定的块，例如包含高运动序列的块，其中在对质量或者用户体验没有太大影响的情况下，低运动序列以低比特率传递，而高运动序列要求更高的比特率用于一致的质量。
在第一实施例的系统中，视频文件分割器准备根据H.264/MPEG-4AVC标准以不同格式编码并存储在MP4文件格式容器中的块；每种格式都与300、600、1000或2000kbps中的任何比特率对应。视频文件分割器多路复用块以每个支持比特率地生成MPEG传输流块序列。所有这些块都被存储在HTTP服务器中。包含支持比特率的列表、块的数目和每个块的大小的清单文件被发送至客户端。
然后，客户端可以开始请求块传送。客户端每隔2秒发送一个请求，这与视频块的持续时间对应。实际上，客户端估计带宽并请求与估计的带宽减去保守规定（conservative provision）对应的块。因此，接收自HTTP服务器的应答在某一时间后到达，该时间直接与块比特率相关。一旦接收到应答，客户端就计算在请求下一个块之前的剩余时间Time left。然后获取它可以请求的与它想要提升的前面的块相关的字节数目BytesMaxNum。
Time left=2s-块往返时间
BytesMaxNum=估计带宽（字节/秒）*Time left（秒）
然后，客户端发送其它HTTP请求以从将要被提升的块下载某一字节范围。HTTP请求格式支持文件某一字节范围的需求。然而，这要求序列化所有的HTTP请求/应答事务（transaction）。如果HTTP事物比估计的长，那么在有危险饥饿播放器的情况下，这可能延迟下一个块请求。
替代性地，客户端建立第二TCP连接。与提升块的过程相关的HTTP请求通过第二TCP连接发送。客户端按照与上文所述相同的过程工作。客户端估计带宽并通过主TCP连接请求与估计的带宽减去保守规定对应的块。根据给出的估计，客户端计算它可以请求的与它想要提升的前面的块相关的字节数目：
BytesMaxNum=（估计带宽-块比特率）*2秒
客户端可以通过第二TCP连接并行链接在主连接上，可能若干请求要求与将要被提升的块的片段对应的字节。
客户端可以与主连接无关地关闭第二TCP连接。如果体验带宽减少并且想优先考虑主连接以维持平滑的回放体验，那么这可能会发生。
在本发明的第二实施例中，根据在H.264/MPEG-4AVC Annex G中标准化的可伸缩视频编码（SVC）压缩技术对块进行编码。SVC定义了三个粒度参数：时间可伸缩性、空间可伸缩性和信噪比（SNR）可伸缩性。根据诸如目标多样性或带宽开销这样的准则，对流进行的编码并不一定要求编码成所有存在的可伸缩类型。这决定了每种可伸缩性类型的层的数目。对HTTP流传输，SVC内容被存储在文件中。SVC文件被格式化为MPEG-2传输流或MP4文件。尤其，这些格式允许管理用于呈现的定时信息。
在不需要额外数据的情况下，通常生成MPEG-2传输流以广播TV频道。使用SVC视频广播TV频道被规定在标准“Information Technology-GenericCoding of Moving Pictures and Audio:System:Transport of scalable video overITU-T Rec.H.222.0|ISO/IEC 13818-1;Amendment 3;03/2009”中。它定义了常规电视频道C（一个基本流（ES）AVC，一个ES音频）的节目映射表（PMT），每个增强层“I”都有对应的ES。
MP4文件格式存储器被规定在有关“Information Technology-Coding ofAudio,Pictures Multimedia and Hypermedia Information-Part 14:MP4 fileformat”的ISO/IEC FDIS 14496-14:2003(E)中。它适用于在有关“InformationTechnology-Coding of audio-visual objects-Part 15:Advanced Video Coding(AVC)file format,AMENDMENT 2:File format support for Scalable VideoCoding”的ISO/IEC 14496-15:2004/FDAM 2:2008(E)中规定的SVC内容。示例图示的SVC文件格式描述可以在论文“File Format for Scalable VideoCoding:P.Amon;T.Rathgen;D.Singer;IEEE Transaction on circuits&Systemfor video Technology,vol.17,2007年九月”中找到。
在第二实施例中，SVC编码视频被分割成块。块不仅仅包含一个SVC样本，而且是单个相邻流的分段，即连续画面的集合。因此，块具有在下文中被称为“块偏移”的开始时间和在下文中被称为“块持续时间”的持续时间。并且，块排列在画面组（GOP）或整数的GOP上。通常地，块大小的范围是从1秒到10秒持续时间。这意味着每个块都以关键帧开始。块的内容还与一种可伸缩性的仅仅一层对应。所有的块文件都具有相同的格式。每个块都具有统一资源标识符（URI）。
无论存储格式（MPEG2-TS或MP4文件）是什么，SVC内容都可以被分割成每块的文件或者被存储为如它在服务器上。在第一种情形中，客户端请求URI，而在第二中，它请求时间码或持续时间或字节偏移（从文件的开始处偏移）和字节范围。可用块在由流传输服务器生成并提供的播放列表中列出。这个播放列表可以指向其它播放列表，诸如每格式类型的播放列表。播放列表描述块内容，诸如编解码器或所需带宽，以及请求它们的方式。播放列表的格式可以是描述在“HTTP Live Streamingdraft-pantos-http-live-streaming-02”中的格式，利用编解码器信息扩展以描述各种SVC层。
第二实施例的系统与第一实施例的系统相似，但是在这里其内容被编码成SVC层而不是被编码成不同质量等级。尤其地，视频文件分割器使用4个互补层（complementary layer）对块进行准备；1个基础层和3个增强层。在第一实施例中，更高质量的块被发送到存储器。在第二实施例中，所有的块都被发送到存储器。
图5示出了根据第二实施例的方法。客户端接收从ch1到ch14的块，由未使用索引标识出来的基础层和增强层表示。恢复的块用索引表示。这里，客户端已经请求与给予同时下载更多信息的机会的比特率相关的块3。客户端已经使用可用带宽请求开始时已经被接收为基础层块的块1的第一增强层片。当请求块4时相同发生；请求块1和块2的第二增强层。使用块5，客户端请求块1的第三增强层。利用块6发生相同，其中块2的第三增强层被请求。在块6的时间，客户端获得完整的使用增强层1和2提升过的序列，某些块被使用增强层3进一步改善。时间进一步，块3、5、6、7、8也都被提升。为了简单，基础层和增强层块被表示成具有各自相同的大小。
第二实施例展示了SVC层的特定排列，其中增强层1依赖于基础层，增强层2依赖于增强层1等等。可替代性地，可以使用另外一种其中所有的增强层都依赖于基础层的SVC方案。这当然不那么灵活但生成更少的开销。
在说明书、权利要求和附图中公开的参考可以被独立地或以任何合适的组合提供。特征在合适的地方可以被实施为硬件、软件或两者的组合。
本文中引用的“一个实施例”或“实施例”是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一种实施形式中。说明书中各个地方出现的词语“在一个实施例中”并不一定都是指同一个实施例，分开或可替代性的实施例不必须相互排除其它实施例。
权利要求中出现的参考标号是图示方式，并且应该对权利要求的范围不具有限制性影响。

Claims (7)

1.一种用于在客户端装置接收被分割成与内容持续时间对应的块的内容的自适应流传输的方法，所述块在服务器被编码成至少第一和第二格式，所述第二格式与比所述第一格式更好的内容呈现质量等级对应，块在块接收时段期间被接收，
在所述客户端装置，所述方法包括下列步骤：
-测量所述客户端和所述服务器之间可用于下一个块接收时段的带宽，
-请求所述服务器发送以所述至少第一或第二格式中的任何一种编码的块以使得所述块可以在所述下一个块接收时段期间根据可用带宽被接收，
-一接收到所述块，将所述块发送给呈现装置，并在存储器中存储所述块，以及
-如果以所述第一格式编码的所述存储的块已经被接收，并且如果带宽可用于所述下一个块接收时段，那么使用所述可用带宽请求所述服务器发送以所述第二格式编码的所述块的片段。
2.如权利要求1所述的方法，如果所述块包括与高运动序列对应的内容，那么执行请求以所述第二格式编码的所述块的片段的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，包括一接收到以第二格式编码的所述块的所有片段就在所述存储器中用以第二格式编码的所述块替换所述存储的块的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，以所述第一格式编码的所述块通过第一TCP/IP连接被接收，以所述第二格式编码的所述块通过第二TCP/IP连接被接收。
5.一种用于在客户端装置接收被分割成与内容持续时间对应的块的内容的自适应流传输方法，所述块在服务器根据可伸缩视频编码SVC技术被编码成一个基础层和至少一个增强层，块在块接收时段期间被接收，
在所述客户端装置，所述方法包括下列步骤：
-测量所述客户端和所述服务器之间可用于下一个块接收时段的带宽，
-请求所述服务器发送用至少一个SVC层编码的块以使得所述块可以在所述下一个块接收时段期间根据可用带宽被接收，
-一接收到所述块，将所述块发送给呈现装置，并在存储器中存储所述块，以及
-如果带宽可用于所述下一个块接收时段，那么请求所述服务器发送之前在没有至少一个增强层的情况下已经被接收的块的一个增强层的片段并在所述存储器中存储所述增强层。
6.如权利要求5所述的方法，如果所述块包括与高运动序列对应的内容，那么执行请求所述服务器发送一个增强层的片段的步骤。
7.如权利要求5所述的方法，所述块通过HTTP请求被请求。
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