基于HLS流媒體視頻直播的QoE分析模型設計與實現

許 雯

(西安航空學院 計算機學院，陜西 西安 710077)

基于HLS流媒體視頻直播的QoE分析模型設計與實現

許 雯

(西安航空學院 計算機學院，陜西 西安 710077)

從QoE的角度，提出了一種貼近用戶真實感受的視頻播放質量評估模型。介紹了HLS流媒體直播技術的工作原理，提出了一種基于HTTP報文分析的視頻QoE評價模型的實現思路。通過仿真實驗結果表明，該模型對于HLS流媒體的QoE評估是十分有效的。

HLS；QoE；流媒體；直播

0 引言

視頻業務在當今網絡4G飛速發展的時代，廣泛應用于視頻直播、視頻點播、視頻電話、網絡電視等方面。而網絡視頻業務的興起使網絡運營商和服務提供商更加關注視頻的用戶體驗[1]。目前，針對視頻QoE(Quality of Experience)的評估方法主要集中在通過視頻傳輸過程中服務質量QoS(Quality of Service)的參數變化，來分析QoS對視頻QoE的影響[1-4]，也有以視頻基本特征為基礎建立QoE評價模型[5]，但是，這些方式往往存在QoE不精確的問題。基于內容評價模型更接近真實的QoE，文獻[6]提出了一種基于視頻內容的QoE評價模型，文獻[7]提出了視頻業務QoE自適應測量工具，這些模型測量結果更接近用戶實際反饋，但也存在QoE語義不明確的問題。

本文定義了度量QoE的KPI(Key Performance Indicator)指標，提出一種基于解析視頻內容的QoE評價模型，通過對TCP(Transmission Control Protocol)報文和HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)報文的深度解析，反饋真實的用戶體驗。

1 HLS Live工作原理

HLS(Http Live Streaming)技術是由蘋果公司提出的一種基于HTTP的自適應視頻流媒體協議[8]。HLS技術是由服務組件、視頻分布存儲及終端播放軟件三部分組成。服務組件會將視頻流錄入編碼，并將該視頻流分割成多個簡短的可播放的ts媒體文件，同時，還會創建一個m3u8索引文件，它是以UTF-8 編碼的 m3u 文件。該索引文件包含了可播放的ts媒體文件列表，以及每個ts媒體文件的HTTP請求URL(Uniform Resoure Locator)。

用戶終端在播放一個視頻時，首先會向HLS服務器發送一條獲取播放列表m3u8的請求，該請求包含了當前終端的硬件信息、播放器信息以及當前網絡信息。服務器接收到請求后，會對該終端的信息分析，返回一個最恰當的播放列表。終端播放器再根據播放列表，依次通過HTTP協議請求ts視頻段，服務端將返回對應的媒體流。最終播放器在接收完每一個ts視頻塊后，進行解碼播放。

2 QoE分析模型設計

2.1 QoE分析指標

QoE分析指標是一種最能直觀明了反映用戶體驗的性能指標，本文對KPI指標作出如下定義。

2.1.1 初始播放延遲時間

從用戶在終端點播視頻播放按鈕，到視頻開始播放的間隔時長。初始播放延遲越長， QoE越差。

2.1.2 總ReBuffer次數

當正在播放的視頻發生一次緩沖，就認為是一次ReBuffer。ReBuffer次數越多，QoE越差。

2.1.3 總ReBuffer時間

當正在播放的視頻發生一次緩沖，就認為是一次ReBuffer，所消耗的時間稱為一次ReBuffer時長，總ReBuffer時間為所有ReBuffer時間之和。ReBuffer時間越長，QoE越差。

2.1.4 整體播放時間

整體播放時間=初始播放延遲時間+Sum(每次ReBuffer時長)+視頻真實可播放時長。整體播放時間時長越長，QoE越差。

2.2 QoE分析模型設計

終端與服務端是通過HTTP協議進行交互的。在HLS服務器上運行QoE程序，QoE程序通過抓取TCP數據包，進一步分析詳細的HTTP報文。

HTTP請求報文中，如果URL包含.m3u8特征字段，則認為它是請求播放列表，因此，響應報文中將包含所有ts視頻片段的文件播放列表，這些ts文件用來存放真實的視頻內容。QoE分析模型通過對比該列表來辨識隨后的ts請求是否有效。

HTTP請求報文中，如果URL包含如chunk-1.ts(名字-序號)的特征字段，則認為它是請求播放視頻片段內容，響應報文將是連續的視頻字節流。由于每個視頻片段較大，通過分別發送多個TCP數據包來傳輸視頻字節流，并依賴TCP協議的可靠性來保證視頻片段的完整性。QoE分析模型通過分析TCP包中的Seq及Ack來確定一個完整的視頻片段是否接收完畢，并且依賴Seq來保證視頻內容有序。QoE模型中，認定一個視頻片段接收完畢，就可以進行解碼播放。

綜上所述，通過對接收到的數據包進行深度分析，就可以在服務器端實時的得到可播放的視頻片段長度，并依賴定時器來模擬當前視頻的播放進度。通過比較收到第一個包含m3u8特征字段的請求時間點和收完第一個完整的視頻片段的時間點來判斷初始播放延遲；通過對比可播放的視頻片段的長度和當前播放進度來判斷ReBuffer，當實時的可播放長度為0時，就可以判斷發生了ReBuffer；在ReBuffer過程中，如果收到一個完整的視頻片段，則判斷ReBuffer過程結束，視頻開始播放。同時，記錄整個過程中每一次ReBuffer的發現時間及結束時間，最后，以文中第2.1節所述的KPI計算公式，得到QoE分析結果。

3 仿真與實現

搭建本地HLS直播流服務器，流媒體為一個200秒的視頻，切片成100個.ts文件，限制每個.ts文件播放長度為4秒，設置VLC(Video LAN Client)播放器在收到2個.ts塊后進行視頻播放。在整個視頻播放過程中主動進行了6次網絡限流，限流時間隨機。

在服務端運行HLS流媒體服務，以及運行QoE分析程序，在客戶端使用VLC播放器，通過腳本記錄視頻當前播放情況，分析結果如表1所示。

表1 仿真結果

*注：表1中s表示時間單位“秒”

可以看出，該分析模型準確的模擬出真實視頻流的播放情況，服務端與終端誤差小于0.2%。

4 結語

本文通過對HLS直播流媒體模型分析，給出了一種基于抓包分析用戶視頻QoE的思路及解決方案。仿真結果表明，本文提出的思路準確地分析了用戶的真實QoE水平，該方法是完全可行并且有效的。可見針對用戶QoE分析是最貼近用戶真實感受的，因此，基于視頻 QoE分析會有廣泛的應用前景，對于視頻服務商用于優化流媒體服務能力有很好的指導作用。

[1] 張大陸,張起強,胡治國,等.IP網絡中視頻流QoE評價模型[J].計算機工程與應用,2012,48(3):83-87.

[2] 衛津津,金志剛,張瑞.面向網絡傳輸的立體視頻QoE評價模型[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版),2016,49(12):1248-1254.

[3] 耿楊,金家義,孟洛明.基于壓縮編碼和傳輸損傷的視頻QoE評估方法[J].北京郵電大學學報,2016,39(S1):55-58.

[4] 余瓊,彭昊,江先陽,等.一種高效的音頻流媒體服務器策略[J].計算機與現代化,2016(8):114-117.

[5] JANOWSKI L,ROMANIAK P,PAPIR Z.Content driven QoE assessment for video frame rate and frame resolution reduction[J].Multimedia Tools and Applications,2012,61(3):769-786.

[6] 劉子沂,李凡.基于視頻內容的QoE評價模型[J].微電子學與計算機, 2015(6):73-77.

[7] 文藝林,黎文偉.移動視頻業務QoE自適應測量工具[J].計算機系統應用,2017,26(2):201-206.

[8] 朱倩.新一代流媒體HLS關鍵技術研究及實現[D].大連:大連理工大學,2011.

[責任編輯、校對：東 艷]

Design and Implementation of QoE Analysis Model Based on HLS Streaming Video Live

XUWen

(School of Computers,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

This paper presents a quality evaluation model of video playback that is close to the user′s real feelings from the perspective of QoE.Firstly,it introduces the working principle of HLS flow media broadcast technology,and then puts forward a Video QoE evaluation model that is based on HTTP packet analysis.The simulation results show that the QoE evaluation model is very effective In QoE evaluation of HLS streaming media.

HLS;QoE;streaming media;live

2017-04-11

許雯(1988-)，女，陜西乾縣人，助教，主要從事計算機圖形學研究。

TN919.8

A

1008-9233(2017)03-0066-03