面向應(yīng)用層的流媒體性能測(cè)量指標(biāo)

摘要：介紹了一種從流媒體接收者的角度對(duì)流媒體性能進(jìn)行測(cè)量的方法，提出了相應(yīng)的應(yīng)用層評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用已有的商業(yè)化流媒體服務(wù)軟件，通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在不同的條件下對(duì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證這些指標(biāo)的有效性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用層； 流媒體； 性能測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP393．06文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)12-0126-03

0引言

流媒體是指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)媒體，如音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)或其他多媒體文件。它的內(nèi)容可以是預(yù)先經(jīng)過(guò)編碼處理、存放在一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器上的媒體文件，也可以是實(shí)時(shí)的音/視頻媒體。傳統(tǒng)的Internet應(yīng)用需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)延遲和抖動(dòng)不是很敏感，但是在流媒體應(yīng)用中情況則完全不同。流媒體應(yīng)用能夠容忍一定程度的包丟失，但是對(duì)延遲和抖動(dòng)卻很敏感。由于各種原因，在以IP協(xié)議為核心的互聯(lián)網(wǎng)上提供流媒體服務(wù)時(shí)，流媒體的性能經(jīng)常隨著網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間的變化而變化，不能滿足用戶的需求^[1]。為此，除了采用一些內(nèi)部機(jī)制保證業(yè)務(wù)質(zhì)量外，還需要從外部對(duì)流媒體業(yè)務(wù)性能進(jìn)行測(cè)量，了解流媒體應(yīng)用的瓶頸，從而提高性能。同時(shí)，為了推動(dòng)流媒體新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，必須有一套能夠衡量媒體接收端的媒體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

早些時(shí)候，研究者也提出過(guò)各自的媒體性能衡量指標(biāo)，有些是基于傳輸層的^[2]，通過(guò)測(cè)量傳輸層的參數(shù)進(jìn)行媒體性能評(píng)估；有些關(guān)注于接收者觀看時(shí)的生理反應(yīng)或者需要人為參與^[3]。實(shí)踐證明這些方法均能夠在一定程度上反映流媒體的性能，但這些方法部署起來(lái)復(fù)雜，而且結(jié)果也易受主觀因素的影響。本文引入了一套面向應(yīng)用層的流媒體性能衡量指標(biāo)，測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單，并且能夠直觀反映流媒體的接收質(zhì)量。最后在RealNetworks公司的流媒體系統(tǒng)中，通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)驗(yàn)證這些指標(biāo)的有效性。

1相關(guān)工作

1.1主觀評(píng)價(jià)

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在ITU－R BT.500－11^[3]中推薦使用平均主觀得分法（MOS）來(lái)評(píng)價(jià)接收者感知的媒體質(zhì)量。做法通常是給接收者播放一段視頻（約8~10 s），接收者采用5分制評(píng)價(jià)。其中5分為很好（excellent），4分為好（good），3分為中（fair），2分為差（poor），1分為不可接收（unsatisfactory）。記錄他們的評(píng)分，然后對(duì)所有評(píng)論者的評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出平均分作為評(píng)價(jià)結(jié)果。MOS為接收媒體質(zhì)量提供了定量指標(biāo)，但是對(duì)流媒體而言，這種評(píng)價(jià)方法存在著弊端。MOS的特性使得必須有接收者參與（評(píng)分），這將花費(fèi)大量的人力和時(shí)間，并且這種方法不能避免主觀因素的影響。另外在ITU－R BT.500－7標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種主觀的評(píng)價(jià)方法，即雙刺激連續(xù)質(zhì)量分級(jí)法（DSCQS）和單刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法（SSCQE），不過(guò)這些方法已經(jīng)被ITU－R BT.500－11所取代。

1．2客觀測(cè)量

客觀測(cè)量基于仿人眼視覺(jué)模型的原理對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)估，并給出客觀評(píng)價(jià)分。近幾年，隨著人們對(duì)人眼視覺(jué)系統(tǒng)研究的深入，客觀測(cè)量的方法和工具不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其測(cè)量結(jié)果也與主觀評(píng)價(jià)較吻合。國(guó)際上成立了ITU－R視頻質(zhì)量專家組（Video Quality Experts Group，VQEG）專門(mén)研究和規(guī)范圖像質(zhì)量客觀測(cè)量的方法和標(biāo)準(zhǔn)。

VQEG規(guī)定了兩個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)參數(shù)，即峰值信噪比(PSNR)和均方差(MSE)；此外還有許多圖像質(zhì)量模型，這些模型在測(cè)量圖像質(zhì)量時(shí)都基于人眼視覺(jué)特性。一些研究者^[4]認(rèn)為，當(dāng)發(fā)生丟包或者低速率傳輸媒體時(shí)，這種測(cè)量方法不能很好地工作，而且也不能刻畫(huà)應(yīng)用層的一些關(guān)鍵信息，如再緩沖次數(shù)、平均緩沖時(shí)間、幀率（FPS）等。

2應(yīng)用層媒體性能測(cè)量指標(biāo)

當(dāng)前主流的商業(yè)流媒體播放產(chǎn)品主要有Real公司的RealPlayer、Microsoft公司的Media Player、Apple公司的QuickTime^[5]。它們雖然屬于不同的公司，但是播放流式媒體的基本原理是相同的。圖1給出了以視頻點(diǎn)播和廣播為例考察用戶獲取流媒體服務(wù)的典型流程。

接收者和服務(wù)器之間需要通過(guò)三次交互才能獲得流媒體內(nèi)容。首先是用戶瀏覽器和Web服務(wù)器（流媒體內(nèi)容的發(fā)布點(diǎn)）交互，以獲取具體的流媒體內(nèi)容定位信息（媒體源文件的URL）。然后，用戶瀏覽器通過(guò)內(nèi)容定位信息獲得具體的媒體源文件。該源文件通常是一個(gè)SMIL或者XML格式的媒體同步和控制文件，包含了具體的流媒體內(nèi)容的位置（URL）和控制方法。在客戶端，該源文件觸發(fā)用戶端的媒體播放器，媒體播放器根據(jù)源文件的要求安排媒體流，同時(shí)根據(jù)媒體流的URL請(qǐng)求流媒體內(nèi)容傳輸。

2．1RealPlayer

大多數(shù)的媒體播放器在播放流媒體之前，媒體數(shù)據(jù)先要在接收端緩沖，其主要作用是平滑媒體數(shù)據(jù)傳輸波動(dòng)，提高播放質(zhì)量。緩沖區(qū)的大小和利用百分比決定了播放過(guò)程中接收者的接收質(zhì)量。在播放過(guò)程中，如果緩沖的數(shù)據(jù)不夠甚至傳輸中斷，播放器會(huì)進(jìn)行重緩沖，重緩沖會(huì)嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量、降低收看效果。

RealNetworks公司的RealPlayer是使用較多的幾個(gè)流媒體播放器之一，本文選用它作為播放器。首先介紹幾個(gè)相關(guān)的特性：

a）流技術(shù)。RealPlayer能夠從流媒體服務(wù)器接收流化的媒體內(nèi)容。這期間要用到一些相關(guān)的傳輸協(xié)議，如RTSP等。當(dāng)然也可以選擇TCP、UDP、HTTP等協(xié)議。

b）自適應(yīng)帶寬。Real System采用Sure Stream，通過(guò)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀況調(diào)整流媒體的比特率來(lái)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，使用戶獲得更好的效果。Microsoft公司的intelligent streaming也可以達(dá)到同樣的效果。要達(dá)到自適應(yīng)帶寬的目的，還需要多比特編碼（多層編碼）技術(shù)支持。

c）緩沖區(qū)初始化。RealPlayer需要初始化播放器緩沖區(qū)，消除媒體服務(wù)器與播放器之間的網(wǎng)絡(luò)延遲帶來(lái)的負(fù)面影響。設(shè)置大的緩沖區(qū)可以容忍更大的網(wǎng)絡(luò)延遲，同時(shí)也增加了播放延遲，因此緩沖區(qū)并不是越大越好。

d） 再緩沖。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)條件惡化時(shí)，RealPlayer有可能耗盡緩沖區(qū)內(nèi)的媒體數(shù)據(jù)。這時(shí)播放器不得不停止播放（沒(méi)有數(shù)據(jù)），等待新的數(shù)據(jù)填充緩沖區(qū)。

2．2性能測(cè)量指標(biāo)

根據(jù)以上分析，本文提出了面向應(yīng)用層的測(cè)量指標(biāo)：

a）緩沖時(shí)間，從流媒體數(shù)據(jù)到達(dá)播放器到開(kāi)始播放的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間與緩沖區(qū)大小、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。緩沖時(shí)間可以衡量媒體流數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和延遲抖動(dòng)等性能，對(duì)流媒體播放的性能有直接影響。

b）播放速率。由幀率、畫(huà)面分辨率、色彩深度、編碼方式等諸多因素決定，是直接影響性能的重要因素。由于自適應(yīng)帶寬技術(shù)的存在，播放速率還受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響。

c）再緩沖次數(shù)和時(shí)間。在播放過(guò)程中，緩沖區(qū)中的媒體數(shù)據(jù)耗盡，流媒體數(shù)據(jù)不能達(dá)到播放的要求，需要重新進(jìn)行緩沖。再緩沖的時(shí)間和次數(shù)可以描述流媒體在播放過(guò)程中的質(zhì)量，客觀來(lái)講，這是影響流媒體性能最重要的指標(biāo)。

d）幀率。人的眼睛由于生理原因會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)停留，電影膠片就是利用這個(gè)原理。但是當(dāng)每個(gè)畫(huà)面停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，眼睛就會(huì)覺(jué)察到不是連續(xù)的情景，這就意味著用戶看到的是一個(gè)個(gè)畫(huà)面，導(dǎo)致媒體的質(zhì)量下降。

由于Real流媒體系統(tǒng)的某些特性（減少啟動(dòng)延遲、編碼方式），本文暫對(duì)播放速率、再緩沖次數(shù)和幀率這幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證。

3流媒體性能測(cè)量

3．1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

以上討論的均是能夠反映流媒體性能的應(yīng)用層指標(biāo)。本文通過(guò)改變傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)研究能否使用這些指標(biāo)評(píng)估流媒體性能。媒體播放器位于應(yīng)用層，因此本文的應(yīng)用層測(cè)量主要是從這些應(yīng)用程序中提取流媒體的性能特征。實(shí)驗(yàn)采用RealNetworks公司的流媒體系統(tǒng)，包括流媒體服務(wù)器（Helix Server）、流媒體編碼器（RealProducer）、流媒體播放器（RealPlayer）幾部分，如表1所示。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境改變是利用NistNet^[6]來(lái)實(shí)現(xiàn)的。NistNet是運(yùn)行在Linux下的IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬工具，可以把一臺(tái)裝有Linux的PC機(jī)作為路由器，從而達(dá)到改變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的目的。NistNet能模擬包括可調(diào)包分發(fā)延遲、擁塞、帶寬限制、包亂序等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這些都是影響流媒體性能的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)觀察應(yīng)用層的流媒體性能改變。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

流媒體服務(wù)器安裝在HP ProLiant ML150；NistNet安裝在一臺(tái)普通的裝有Red Hat Linux的PC機(jī)上，內(nèi)核為2.4.20－8，作為路由器，啟動(dòng)了路由功能；流媒體播放器安裝在一臺(tái)普通PC機(jī)上，操作系統(tǒng)為Windows XP。利用RealProducer Plus編碼器對(duì)一段長(zhǎng)度為4 min14 s的MV進(jìn)行兩次編碼作為媒體源，一次編碼是單一比特率450 kbps編碼；一次是使用了SureStream技術(shù)的多比特率編碼，分別為64、150、256、384、512 kbps。

3．2網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化下的流媒體性能

1）改變帶寬帶寬是影響流媒體性能最重要的因素之一，因此實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化就是對(duì)帶寬的改變。實(shí)驗(yàn)中，選取多比特率編碼的MV作為媒體源。播放60 s時(shí)，利用NistNet對(duì)帶寬限制到240 kbps，120 s時(shí)恢復(fù)。其間觀察媒體播放情況，并測(cè)量播放速率和幀率；實(shí)驗(yàn)重復(fù)20次，選取其中10次作為測(cè)量數(shù)據(jù)。播放速率變化如圖3所示。

從圖中可看出，60 s時(shí)，RealPlayer檢測(cè)到可用帶寬的改變，通知流媒體服務(wù)器改變發(fā)送的媒體服務(wù)速率，從原來(lái)的450降到150 kbps左右。但是流媒體服務(wù)器檢測(cè)到數(shù)據(jù)包丟失率較高，便繼續(xù)降低發(fā)送的媒體服務(wù)速率，直到100 kbps。

帶寬不足以播放最優(yōu)質(zhì)量流媒體時(shí)，媒體服務(wù)器除了降低媒體服務(wù)速率外，也會(huì)定期檢測(cè)帶寬。因此在120 s帶寬限制取消時(shí)，媒體服務(wù)器在140s左右檢測(cè)到可用帶寬增加，隨即增加了媒體服務(wù)速率。60 s改變帶寬時(shí)，緩沖區(qū)內(nèi)已經(jīng)緩沖了一定帶寬沒(méi)有改變時(shí)的流媒體內(nèi)容。因此當(dāng)帶寬改變后一定時(shí)間內(nèi)播放器仍然在播放之前緩沖的內(nèi)容，時(shí)間長(zhǎng)度是由網(wǎng)絡(luò)可用帶寬和緩沖區(qū)大小決定的。從圖4中可以看出，在90 s時(shí)幀率明顯下降，此時(shí)播放的內(nèi)容就是帶寬改變后流媒體服務(wù)器發(fā)過(guò)來(lái)的媒體數(shù)據(jù)；同樣情況也出現(xiàn)在120 s，帶寬恢復(fù)后，仍然播放了大約60 s緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。

在服務(wù)速率和幀率下降的過(guò)程中，接收端可明顯感覺(jué)到畫(huà)面質(zhì)量下降。其中主要表現(xiàn)為畫(huà)面分辨率降低、畫(huà)面出現(xiàn)暫時(shí)停頓和跳躍等現(xiàn)象。由此可知，服務(wù)速率和幀率能夠在一定程度上反映流媒體性能。

在測(cè)量流媒體再緩沖概率實(shí)驗(yàn)中，為了避免SureStream的影響更改了流媒體源，使用的單一比特450 kbps編碼。為了控制流媒體播放器緩沖區(qū)的使用率，限制初始網(wǎng)絡(luò)帶寬為480 kbps。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)帶寬限速240 kbps/1~10 s，觀察其RP（再緩沖的概率，rebuffering probability），如圖5所示。此時(shí)接收端畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停頓，嚴(yán)重影響了流媒體的服務(wù)性能，降低了媒體的可觀賞性。

2）改變丟包率和延遲流媒體技術(shù)中，丟失的數(shù)據(jù)包可以通過(guò)重發(fā)來(lái)彌補(bǔ)，但數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制所能達(dá)到的效率很大一部分取決于路徑延遲。實(shí)驗(yàn)中綜合考慮丟包率p和延遲的影響，測(cè)量應(yīng)用層流媒體服務(wù)質(zhì)量。

圖6中分別對(duì)丟包率p從1%~15%、延遲為0和200 ms，測(cè)量了流媒體播放速率?？梢钥闯?，丟包率為2%~6%，流媒體播放速率變化較大，并且與延遲的大小并無(wú)太大聯(lián)系。丟包率的增加最主要的表現(xiàn)是媒體畫(huà)面出現(xiàn)了馬賽克，延遲的影響主要在播放前的緩沖階段。實(shí)驗(yàn)中延遲為200 ms時(shí)，當(dāng)丟包率達(dá)到9%以上，出現(xiàn)了找不到媒體源的情況；丟包率到15%時(shí)，五次實(shí)驗(yàn)均未找到媒體源。這表明延遲太大會(huì)影響媒體播放器到服務(wù)器之間的消息響應(yīng)。

媒體服務(wù)器采用丟包后重發(fā)的機(jī)制，因此丟包率對(duì)應(yīng)用層幀率和再緩沖概率影響均不大。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的在不同丟包率和延遲下，幀率幾乎沒(méi)有改變（圖7），同樣也沒(méi)有再緩沖情況發(fā)生。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種面向應(yīng)用層的流媒體性能測(cè)量的基本方法，引入了一套相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。與其他的流媒體性能評(píng)估方法相比，該測(cè)量方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)更能直觀地反映觀看者的感受，并且易于部署，測(cè)量具有獨(dú)立性，是對(duì)現(xiàn)有方法的一種有益補(bǔ)充。

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