VBR視頻在IPTV點播業(yè)務中的應用*

羅傳飛 ，施唯佳 ，肖 晴

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信IPTV實驗室 上海 200122；3.中國電信股份有限公司上海分公司 上海 200120）

1 引言

視頻本身具有變化的特征，且編碼器采用一系列壓縮編碼算法，使得從視頻編碼器輸出的碼流是VBR（可變比特率）的，H.264 JVT-G012在VBR和CBR（恒定比特率）兩種情形下進行試驗，所有視頻測試序列的平均PSNR改善2 dB以上。因此無論從視頻編碼質量還是從網(wǎng)絡利用率、存儲和CDN成本的角度考慮，VBR編碼和傳輸都比CBR具有更大優(yōu)勢[1]。然而由于數(shù)字電視傳輸信道通常是固定帶寬的，因此應用于數(shù)字電視內容的編碼和傳輸通常采用CBR。IPTV傳輸信道基于IP網(wǎng)絡，具備VBR特性，但是由于在寬帶接入發(fā)展初期接入帶寬有限，限制了VBR的性能和使用，同時節(jié)目內容來自于數(shù)字電視，因此IPTV自然也采用CBR方式。

隨著用戶對視聽娛樂要求的不斷提高，用戶的視頻體驗將從標清（標準清晰度）時代進入高清（高清晰度）和超高清（超高清晰度）時代，高清電視步入全面發(fā)展階段。與標清的節(jié)目相比，高清的節(jié)目具有更高的分辨率、更大的可視角度、更精確的亮度和彩色還原，可帶來更強的視覺沖擊和沉浸效果。另一方面，隨著“寬帶中國”國家戰(zhàn)略的實施，運營商開始進行“光網(wǎng)城市”帶寬提速，以光纖到戶為核心，構建“百兆入戶、千兆（吉比特）進樓”的高性能網(wǎng)絡，積極推動以PON為基礎的FTTx網(wǎng)絡建設，網(wǎng)絡接入帶寬和原來相比已經(jīng)得到極大的提升[2]。

隨著“寬帶中國·光網(wǎng)城市”的建設，用戶接入帶寬逐步向 10 Mbit/s、20 Mbit/s甚至 100 Mbit/s等高速帶寬演進。網(wǎng)絡接入帶寬的提升放寬了對VBR峰值的限制，互聯(lián)網(wǎng)電視通過VBR視頻編碼等技術以相對較低的碼率提供高質量視頻服務（如4 Mbit/s的平均碼率承載高清節(jié)目）。IPTV系統(tǒng)也從標清開始進入高清化服務，采用8～12 Mbit/s CBR，需要對原標清系統(tǒng)（包括網(wǎng)絡帶寬、存儲、CDN服務能力）擴容升級4～6倍。利用CBR編碼提供高清服務無疑需要更大的內容存儲、網(wǎng)絡帶寬和CDN能力，從而造成業(yè)務成本的上升。而VBR技術不管是為IPTV提供低碼率高清視頻服務以進一步提升IPTV視頻服務體驗，還是降低IPTV業(yè)務運營成本，在技術上都提供了一個新的選擇。

2 MPEG VBR視頻流量模型

圖1顯示了在網(wǎng)絡實時捕獲的一段《蜘蛛俠》H.264 VBR視頻流，若不考慮 GOP間的短時自相關性，以秒為時間尺度，VBR視頻流存在比較大的隨機突發(fā)性。同時，從圖中碼率的變化與視頻片段的對比分析，可以看出場景的變化往往導致碼率的劇烈變化，因此整個視頻流序列可以看成由許多個獨立的場景以及場景間的隨機遷移組成，而每個場景都可以看成一個獨立的平穩(wěn)隨機過程，時間為 8～10 s，這與其他H.264 VBR視頻流所作的分析也基本吻合。

對MPEG VBR視頻流統(tǒng)計特性的分析和建模，最早在參考文獻[3，4]中提及，Rose和Melamed都獨立地對VBR 視頻流進行了研究，參考文獻[5]在綜合二者研究成果的同時，對VBR視頻流統(tǒng)計特性進行了完整的分析和研究，提出了一種基于視頻分段和場景聚類的Markov鏈調制轉移模型。

對一般 MPEG視頻流 （包括H.264，因為它和其他MPEG標準一樣，也是采用變換編碼和預測編碼的混合編碼結構，H.264在混合編碼的框架下引入了更精細化的編碼方式，提高了編碼效率），現(xiàn)有流量模型主要可分為 3類:基于 Markov過程的；基于TES過程的；基于自相似過程的。以上模型在VBR流量生成和經(jīng)驗數(shù)據(jù)擬合中都可應用于排隊系統(tǒng)分析和網(wǎng)絡性能仿真。然而，這些模型在實際應用中均存在一定的問題，例如有的模型是基于視頻幀或者在GOP基礎上進行的，在應用于VBR聚合視頻流量分析上難以獲得基于秒以上的時間尺度的統(tǒng)計信息。有的模型則存在相當高的計算復雜度，難以應用到實際的系統(tǒng)分析中。

圖1 H.264 VBR視頻流量

3 IPTV點播業(yè)務聚合VBR視頻總流量建模

圖2顯示了一個典型 H.264壓縮的VBR視頻流特征，視頻流碼率的突發(fā)與時間的關系和場景的變化相當明顯，變化不大的視頻場景造成了較低的編碼碼率，場景變化劇烈的地方產(chǎn)生的編碼碼率也增加得很明顯。VBR視頻流的平均碼率約為6 Mbit/s，但峰值碼率可高達15 Mbit/s，峰值碼率和平均碼率之比受時間的影響相當大，從 0.3變化到接近3倍，這使得流媒體服務器計算預留VBR視頻流的資源相當困難。但是，編碼碼率變化的隨機性也為聚合VBR視頻流共享帶寬創(chuàng)造了機會，VBR視頻流之間的峰值和谷值交錯有效地形成“自我平均”的作用[6]，如圖3所示。點播業(yè)務所依賴的CDN和存儲都可以受益于這種自我平均特性，同樣的CDN帶寬能力可以提供更多的并發(fā)VBR流服務，同樣的存儲空間可以容納更多的VBR編碼節(jié)目量。

圖2 H.264 VBR視頻碼率變動與視頻場景的關系

圖3 多路聚合CBR和VBR視頻流的對比[7]

利用視頻場景變化的隨機性實現(xiàn)可變碼率碼流自我平均作用并不是一個新概念，所有廣播類電視頻道都可以通過VBR編碼和傳輸，但是都需要額外的視頻統(tǒng)計復用處理，通過統(tǒng)計復用和碼率控制使幾個電視頻道可以同時由一個相對狹窄的數(shù)字電視下行頻點進行傳輸。然而Gbit/s和10 Gbit/s IP網(wǎng)絡可以提供更寬的內容傳輸管道，使得多路聚合的VBR視頻流無需額外的視頻統(tǒng)計復用處理和視頻平滑處理，就能充分利用其碼率變化的統(tǒng)計隨機特性達到“自我平均”的作用。在IPTV點播業(yè)務中應用這種特性，由于無需額外的視頻處理，可以在兼容IPTV現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)和終端設備的前提下，獲得VBR視頻額外的統(tǒng)計增益。

在IPTV點播業(yè)務中應用大規(guī)模VBR視頻流的統(tǒng)計隨機特性進行自我平均，需要在理論上回答幾個關鍵問題。

·如何描述單個和聚合的VBR視頻流量？影響VBR視頻流量自我平均的因素是什么？

·如何計算自我平均特性帶來的統(tǒng)計增益？需要什么樣的新帶寬規(guī)劃和資源預留原則來保障聚合的VBR流量?

如本文第2節(jié)所述，已有大量的研究對單個VBR視頻流量進行建模，可以采用基于視頻分段和場景聚類的Markov鏈調制轉移模型描述單個VBR視頻流量，統(tǒng)計表明絕大多數(shù)場景的持續(xù)時間在 20 s以內，盡管研究發(fā)現(xiàn)VBR流量存在長相關和自相似特性，當滯后的場景數(shù)超過5個時，即使對同一場景類，如圖4所示其正的自相關性也基本上消失[8]。

假設 n個IPTV用戶點播的VBR視頻流量為 X1，X2，…，Xn，記期望 E(Xi)=mi，方差 D(Xi)=Si2，i=1，2，…，n，n 個IPTV用戶點播聚合的總流量為 X=X1+X2+…+Xn,根據(jù)Xi獨立同分布和數(shù)學期望以及方差的性質:E(X)=m=m1+m2+…+mn，D(X)=S2=S12+S22+…+Sn2，則當 n 足夠大（n>20）時，根據(jù)廣義中心極限定理，n個IPTV用戶點播聚合的VBR總流量的概率分布趨于正態(tài)或高斯X～N(m,S2)分布，根據(jù)X～N(m,S2)高斯正態(tài)分布可以為實際應用部署提供帶寬規(guī)劃、資源預留的定性分析依據(jù)。

4 現(xiàn)場試驗過程和結果

圖4 4類場景的持續(xù)個數(shù)自相關曲線示意[8]

為了發(fā)揮寬帶提速的優(yōu)勢，結合VBR視頻編碼傳輸實現(xiàn)IPTV“提質量、降碼率、省成本”的目標，在上海電信開展基于VBR視頻編碼與傳輸?shù)腎PTV點播現(xiàn)場試驗。試驗方案采用VBR編碼方式，結合離線多次編碼和碼率控制技術，峰值碼率和平均碼率之比控制在2～3倍，在同樣視頻質量下，VBR平均碼率比CBR降低了30%～50%，試驗方案采用RTSP/RTP實時流協(xié)議，網(wǎng)絡傳輸碼率嚴格按照VBR編碼碼率進行，因此兼容了原來采用CBR方式的節(jié)目和現(xiàn)網(wǎng)機頂盒，平臺和流服務通過純軟件升級，無需硬件投資。

圖5顯示了現(xiàn)場試驗播放的《白晝冷光》1080P高清VBR視頻流碼率分布的直方圖，統(tǒng)計表明該節(jié)目的碼率概率分布可以采用對數(shù)正態(tài)分布進行擬合，平均值為6.5 Mbit/s，峰值碼率和平均碼率之比控制在3倍之內，標準方差為2～3。

圖6顯示了現(xiàn)場試驗采用的 《白晝冷光》1080P高清VBR視頻流的自相關曲線。統(tǒng)計表明當時間間隔在120 s以上，VBR視頻流的自相關性逐步降低到0.2以內，進一步驗證了當場景時延超過 5個時，即使對同一場景類，其自相關性也基本上消失[7]。對人類行為動力學的研究表明，人類行為時間間隔分布存在滿足反比冪函數(shù)的胖尾[6]，為了進一步觀察不同用戶點播同一個VBR視頻流的時間間隔，并評估其相關性，隨機統(tǒng)計了不同流媒體服務器用戶訪問的時間間隔分布，IPTV點播業(yè)務用戶服務訪問時間間隔符合Weibull分布，在2000個并發(fā)用戶訪問過程中，平均間隔大于200 s。

圖5 H.2641080P高清VBR視頻碼率直方圖

圖6 H.2641080P高清VBR視頻流的自相關曲線

圖7顯示了現(xiàn)場試驗采用的《白晝冷光》和《蝙蝠俠》1080P高清VBR視頻流的互相關曲線。統(tǒng)計表明兩個不同VBR視頻流之間的相關性低于0.2，因此不同用戶點播的VBR視頻流可以認為是獨立同分布的隨機過程。

圖8顯示了100個IPTV用戶根據(jù)用戶實際訪問流媒體服務器的時間間隔同時點播60個不同VBR節(jié)目所產(chǎn)生的聚合視頻流量。測試長達10 h，經(jīng)過每個視頻流隨機的峰值和谷值合成，即使沒有經(jīng)過額外的視頻平滑處理，所有VBR視頻流的波峰與波谷都被自我平均，自我平均后的聚合視頻流的峰值和平均值之比由單VBR視頻流的3倍降低到1.14倍。圖9顯示對長達10 h的聚合視頻流量的分布進行正態(tài)性檢驗，可以看到，擬合的正態(tài)分布的密度曲線幾乎是個標準鐘形，可以認為數(shù)據(jù)是正態(tài)分布的。

5 結果分析

通過在上海電信IPTV現(xiàn)網(wǎng)進行VBR點播業(yè)務的大規(guī)模試驗測試，在編碼端結合多次編碼和VBR碼率控制，設置高清1080P節(jié)目平均碼率為4～6 Mbit/s，峰值碼率和平均碼率之比控制在2～3倍，測試表明可以達到同樣節(jié)目CBR編碼在8～12 Mbit/s的視頻質量。盡管VBR視頻流存在長時依賴和自相似特性，但是針對大量的VBR節(jié)目視頻流的測試表明當時延間隔達到120 s時，單個VBR視頻流自相關性降低到0.2以內，兩個不同的VBR視頻流之間的相關性也低于0.2，因此可以根據(jù)中心極限定理，采用高斯正態(tài)模型對聚合VBR總流量進行建模。同時根據(jù)IPTV用戶現(xiàn)網(wǎng)訪問流媒體服務器的時間間隔進行長達10 h的請求測試，也表明自我平均后產(chǎn)生的聚合VBR視頻流量峰值和平均值之比由單VBR視頻流的3倍降低到1.14倍，對聚合視頻總流量的分布檢驗也符合正態(tài)分布。因此，在IPTV點播業(yè)務中采用VBR編碼視頻可以有效地提高原系統(tǒng)CDN、存儲的服務能力，降低核心網(wǎng)絡的流量，可以在兼容IPTV現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)和終端設備的前提下，通過高斯正態(tài)模型計算聚合VBR視頻流自我平均帶來的統(tǒng)計增益，為帶寬規(guī)劃和CDN能力部署提供計算依據(jù)。

圖7 H.2641080P高清VBR視頻流的互相關曲線

圖8 100個用戶點播60個VBR節(jié)目產(chǎn)生的總流量

圖9 100個用戶點播60個VBR節(jié)目產(chǎn)生的總流量的正態(tài)性檢驗

通過在上海電信IPTV現(xiàn)網(wǎng)進行VBR點播業(yè)務的大規(guī)模試驗，根據(jù)IPTV用戶現(xiàn)網(wǎng)訪問流媒體服務器的時間間隔，分別測試了100個用戶、1000個用戶和2000個用戶并發(fā)的VBR聚合總流量，測試與試驗表明相對于原采用CBR視頻方式，在用戶接入帶寬高于VBR視頻峰值的條件下，采用VBR視頻方式具有以下優(yōu)點:

·在同樣服務質量和并發(fā)用戶數(shù)下，可降低30%～50%核心網(wǎng)匯聚流量；

·在同樣服務質量和節(jié)目數(shù)量下，可降低30%～50%系統(tǒng)所需存儲；

·在同樣服務質量和系統(tǒng)資源下，可增加20%～40%并發(fā)用戶數(shù)。

6 結束語

隨著國務院“寬帶中國·光網(wǎng)城市”的推進和落實，寬帶用戶接入帶寬達到100 Mbit/s，寬帶大提速將推動更多的信息消費應用需求，尤其是高清視頻點播的快速普及，通過研究VBR視頻的流量特性和在IPTV系統(tǒng)進行大規(guī)?，F(xiàn)場試驗，結合寬帶提速放寬了對VBR峰值的限制，為IPTV高清化實現(xiàn)“提質量、降碼率、省成本”提供了一個結合寬帶提速和VBR的應用方案。

致謝本文的研究工作在中國電信IPTV實驗室完成，在此表示衷心的感謝！

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2 寬帶中國戰(zhàn)略公布:2015年城市家庭網(wǎng)速20 Mbit/s.http://news.qq.com/a/20130817/005970.htm

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