一種應用于游戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種應用于游戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法，包括：S1.將游戲直播平臺運行周期切割成若干個時間段；S2.在每一個時間段開始時，中央控制單元獲取每個主播實時上傳的信息；S3.中央控制單元基于當前收集的信息采用Lyapunov優(yōu)化方法解出最優(yōu)解作為決策結果，其決策結果包括視頻流轉碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼率選擇決策的決策；S4.基于獲取的決策結果對每一個在線游戲主播做出視頻流轉碼決策，對每一個在線觀眾做出視頻流分發(fā)決策以及碼率選擇決策。
【專利說明】
一種應用于游戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及多媒體網(wǎng)絡和云計算資源管理領域，更具體地，涉及了一種應用于游 戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)革命，智能終端設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方式得以蓬勃發(fā)展。繼Twitch, tv游戲直播平臺在國外市場 大獲成功后，國內涌現(xiàn)出了Douyu. tv，虎牙直播，龍珠直播等一大批游戲直播平臺。
[0003] 游戲直播平臺以廣大游戲玩家上傳的實時視頻流為視頻源，為游戲玩家提供實時 視頻流轉碼服務，以及實時視頻流分發(fā)服務。通過實時視頻流轉碼服務，游戲直播平臺能夠 為觀眾提供最適合其設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。通過視頻流分發(fā)服務，游戲直播平臺能夠為每一個觀眾選擇最適合的接入點。通過為 觀眾選擇最適合的接入點，游戲直播平臺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)有游戲直播平臺架構圖。
[0004] 游戲直播平臺架構涉及三個不同的群體:游戲玩家，游戲直播平臺運營商和觀眾。 在游戲直播平臺架構中，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。對于游戲直播平臺，為 了滿足不同地域觀眾群體對于視頻觀看體驗的要求，游戲直播平臺往往選擇在多地建立自 己的數(shù)據(jù)中心，并根據(jù)用戶群所處的地域將用戶的請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備的能力，所處的網(wǎng)絡環(huán)境的不同，游戲直播平臺必須能夠提 供多種視頻流版本，并根據(jù)用戶自身情況自適應地為用戶選擇不同的視頻流版本。
[0005] 隨著智能終端設備以及移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，用戶可以隨時隨地地訪問游戲直播平 臺，觀看游戲直播。游戲直播平臺往往使用網(wǎng)關服務器或者ISP的DNS服務來為用戶提供數(shù) 據(jù)中心選擇重定向服務。用戶在訪問游戲直播平臺時，首先向游戲直播平臺自建的網(wǎng)關服 務器發(fā)起請求，網(wǎng)關服務器通過自適應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)中心進行數(shù)據(jù)交互，從數(shù)據(jù)中心獲取實時游戲視頻流。同時，作為一種新興的視頻娛 樂服務，觀眾還能夠通過實時文字的方式與游戲玩家進行實時交互。由于直播與文字交互 的實時性要求，游戲直播平臺必須要能夠保證觀眾能夠在可容忍的延遲內接收到實時視頻 流，同時保證用戶發(fā)出的交互文字能夠實時地被游戲玩家接收到。
[0006] 為了提供上述兩種服務:實時視頻流轉碼服務和視頻分發(fā)服務。游戲直播平臺運 營商需要向云服務提供商購買相應的服務以及帶寬。對于游戲直播平臺運營商而言，實時 視頻流轉碼服務開銷和帶寬開銷構成了其主要的運營成本。對于游戲直播平臺運營商來 說，提供實時視頻流轉碼服務，不僅僅能夠提高觀眾的用戶體驗，同時能夠降低視頻分發(fā)所 帶來的帶寬開銷。
[0007] 綜上所述，從游戲直播平臺運營商的角度出發(fā)，為了最小化運營成本(轉碼開銷和 帶寬開銷），同時保證用戶的良好觀看體驗，游戲直播平臺需要設計一種策略來最優(yōu)化資源 分配和視頻流分發(fā)，使得游戲直播平臺運營商能夠以最小的開銷提供盡可能好的用戶體 驗。
[0008] "K·Pires，and G·Simon，"DASH in Twitch:Adaptive Bitrate Streaming in Live Game Streaming Platforms"，in VideoNext, 2014."公開了將 DASH 技術引入到游戲 直播平臺，并且針對實時視頻流轉碼決策問題提出了兩個啟發(fā)式算法。通過啟發(fā)式算法指 導游戲直播平臺運營商對不同游戲主播做出轉碼決策。該技術主要以每個主播所擁有的觀 眾數(shù)量作為是否對其原始視頻流進行轉碼的標準。由于游戲直播平臺中觀眾數(shù)量分布不 均，導致了只有熱門主播的視頻流能夠得到轉碼，這就影響了觀看相對冷門的頻道的用戶 的體驗。
[0009] UF. Chen,C. Zhang,F. Wang,and J·Liu，"Crowdsourced Live Streaming Over The Cloud"，in INF0C0M，2015."公開了從游戲主播角度出發(fā)，考慮當游戲主播上傳游戲視 頻時，如何為其選擇一個最優(yōu)的服務器來接收其上傳的視頻流。在衡量服務器最優(yōu)性時，該 技術主要以地域分布以及服務器負載兩個指標作為衡量標準。在該技術中，只討論了如何 為游戲玩家選擇一個最優(yōu)的視頻上傳點，并沒有將游戲直播平臺中的其他角色，如:觀眾， 加入到算法設計的考慮中。單純地從游戲玩家的角度進行算法設計，無法保證算法的實際 優(yōu)化效果，且無法保證用戶體驗。
[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 平臺架構。該技術試圖在架構中將游戲直播平臺與云游戲平臺結合起來。同時，該技術還測 量了主流開源直播軟件0BS的能耗情況。該技術僅僅測量了開源直播軟件0BS的能耗情況并 提出了一個新型的直播平臺架構，并沒有進一步深入地探討其中涉及到的問題，也沒有提 出一個最優(yōu)化算法以指導游戲直播平臺運營商做出決策。
[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 從游戲直播平臺運營商的角度出發(fā)，考慮如何對實時視頻流轉碼任務進行調度。該技術試 圖提出一種策略，在有限轉碼資源的前提下，盡可能地優(yōu)化轉碼輸出視頻分辨率，從而盡可 能提高觀眾的體驗。該技術僅僅通過轉碼任務調度的方式來最優(yōu)化每個轉碼任務的輸出視 頻分辨率，在優(yōu)化過程中沒有考慮觀眾的因素，也沒有考慮游戲直播平臺運營商的成本因 素。因此，通過該技術得到的任務調度策略并不能有效地保證用戶體驗，也不能保證游戲直 播平臺運營商的成本能夠被控制在一個合理的范圍內。

【發(fā)明內容】

[0012] 針對游戲直播平臺中存在的運營成本過高，觀眾分布不均衡等問題，本發(fā)明提出 了一種應用于游戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法，是一種游戲直播平臺中的轉碼資源 優(yōu)化和自適應流適配方法。該方法在滿足觀眾體驗的基礎上，實現(xiàn)了盡可能地降低運營商 的運營成本。
[0013] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
[0014] -種應用于游戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法，包括以下步驟：
[0015] S1.將游戲直播平臺運行周期切割成若干個時間段；
[0016] S2.在每一個時間段開始時，中央控制單元獲取每個主播實時上傳的信息；
[0017] S3.中央控制單元基于當前收集的信息采用Lyapunov優(yōu)化方法解出最優(yōu)解作為決 策結果，其決策結果包括視頻流轉碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼率選擇決策的決策；
[0018] S4.基于獲取的決策結果對每一個在線游戲主播做出視頻流轉碼決策，對每一個 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:將最小化運營成本、最優(yōu)化用戶體驗的優(yōu) 化問題轉化為Lyapunov優(yōu)化問題，中央控制單元當前收集的信息作為該優(yōu)化問題的已知條 件，將用戶Q〇E指標作為約束條件，并同時設置一個可容忍的延遲下界來保證用戶體驗質 量，然后解出最優(yōu)解作為決策結果；
[0020] 定義一個虛擬隊列0(t);同時定義虛擬隊列更新方程：
[0021]
[0022]其中，D(i，t)表示觀眾i在第t個時間段所感受到的延遲，W表示第t個時間段在線 觀眾數(shù)量，#表示第t個時間段直播平臺中在線觀眾總人數(shù)，ε表示觀眾所能容忍的最大延 遲閾值，虛擬隊列9(t)用于衡量觀眾實際感受到的延遲與預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)用于衡量隊列的大小，△ (0(t))表示相鄰兩個時間段隊列數(shù)組的變化量;根 據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，依據(jù)用戶用電請求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息在每一個時間段內計算出滿 足如下最優(yōu)化方程的視頻流轉碼及分發(fā)策略：
[0027]
[0028] 其中V是一個可調參數(shù)，用于調節(jié)目標優(yōu)化方程和用戶延遲隊列之間的權衡;α是 一個可調參數(shù)，用于調節(jié)優(yōu)化目標之間的權重，即運營成本與用戶體驗之間的權重;D(i，t) 表示觀眾i在第t個時間段所感受到的延遲，C b(i，t)表示為了服務于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開 銷，Q(i，t)表示觀眾i在第t個時間段所生產(chǎn)的用戶體驗值;C s(j，t)表示在第t個時間段，為 給游戲主播j提供轉碼服務，游戲直播平臺運營商需要支出的轉碼費用。
[0029] 優(yōu)選的，觀眾i在第t個時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，即滿足下式；
[0030]
[0031] T表示游戲直播平臺運營的總時長。
[0032] 優(yōu)選的，轉碼費用Cs(j，t)定義如下：
[0033]
[0034] 其中，P(j，t)表示在第t個時間段由游戲玩家j所上傳的視頻被轉碼成的碼率版 本，Bs(m)指的是第m個碼率版本所對應的視頻碼率，t是指第t個時間段，τ表示虛轉碼的視 頻時長。&表示轉碼服務提供商將原始碼率為P( j，t)，時長為τ的視頻流轉碼為目標碼率為 Bs(m)的視頻流所收取的費用。
[0035] 優(yōu)選的，觀眾i在第t個時間段所生產(chǎn)的用戶體驗值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)的用戶體驗值。
[0038] 優(yōu)選的，服務于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開銷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t時間段所選擇的數(shù)據(jù)中心，U(Z(i，t)，t)表示編 號為Z(i，t)的數(shù)據(jù)在第t個時間段的單位帶寬價格。
[0041] 優(yōu)選的，其約束條件還包括視頻碼率要求，是針對當前游戲類型，觀眾在觀看該游 戲視頻時，要獲得基本的用戶體驗所應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個時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所需要請求的視頻碼率； 整個表達式用于確保對每一個觀眾i，在每一個時隙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。
【附圖說明】
[0044] 圖1為現(xiàn)有游戲直播平臺架構圖。
[0045] 圖2為本發(fā)明中實時視頻流轉碼與分發(fā)方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述，但本發(fā)明的實施方式并不限于此。
[0047]游戲直播平臺
[0048] 游戲直播平臺（Live Game Video Streaming Platform)是以游戲玩家實時上傳 的游戲視頻為視頻源，為觀眾提供實時游戲視頻服務的視頻平臺。游戲直播平臺主要負責 對游戲玩家上傳的實時視頻流進行在線轉碼，并將轉碼后的視頻流分發(fā)給觀眾。
[0049] 游戲直播平臺運營商
[0050] 游戲直播平臺運營商（Crowdsourced Live Game Video Streaming Service Provider)是游戲直播平臺的運營商。借助云計算、云存儲等相關技術，對游戲玩家上傳的 游戲視頻流進行實時轉碼，并將轉碼后的視頻流分發(fā)給觀眾。
[0051 ] Lyapunov 優(yōu)化框架
[0052] Lyapunov優(yōu)化框架用于設計針對于動態(tài)系統(tǒng)的在線決策算法，并使決策達到最優(yōu) 的同時保持系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。該優(yōu)化框架的最大優(yōu)勢是不需要提前知道系統(tǒng)未來的狀態(tài) 信息。
[0053] 針對游戲直播平臺中存在的運營成本過高，觀眾分布不均衡等問題，本發(fā)明提出 了一種應用于游戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法。該方法在滿足觀眾體驗的基礎上， 實現(xiàn)了盡可能地降低運營商的運營成本。
[0054] 本發(fā)明充分考慮了不同游戲類型對于觀眾體驗的影響，本發(fā)明針對不同的游戲類 型提出了一種通用的資源優(yōu)化和自適應流適配算法。同時，本發(fā)明還充分考慮了觀眾分布 的地域性，當觀眾請求視頻流時，本方法能夠為每一個觀眾選擇一個最適合的接入點。通過 為觀眾選擇合理的接入點，本方法能夠盡可能地降低用戶的觀看延遲。本發(fā)明通過建立用 戶Q〇E模型、用戶觀看延遲模型以及運營商開銷模型，基于Lyapunov優(yōu)化框架，設計出基于 自適應流適配技術的視頻流轉碼和分發(fā)優(yōu)化方法。
[0055] 本發(fā)明的基本技術包括：用戶QoE模型、用戶視頻觀看延遲模型、直播平臺運營商 開銷模型以及視頻流轉碼和分發(fā)方法。
[0056] 用戶QoE模型
[0057] 在游戲直播平臺中，用戶QoE(Quality of Experience用戶體驗質量)反映了觀眾 對于游戲直播平臺提供的服務的滿意程度。用戶QoE是衡量游戲直播平臺性能的重要指標 之一。
[0058]首先，本發(fā)明針對不同的觀眾觀看的不同游戲類型，定義了與游戲類型相關的QoE 指標，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，針對當 前游戲類型，觀眾在觀看該游戲視頻時，要獲得基本的用戶體驗所應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個時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所需要請求的視頻碼率。 整個表達式用于確保對每一個觀眾i，在每一個時隙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。
[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，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)的用戶的用戶體驗值。
[0064]用戶視頻觀看延遲模型
[0065] 本發(fā)明進一步考慮用戶視頻觀看延遲對于觀眾的影響，在游戲直播平臺中，觀眾 感受到的延遲主要由三個部分組成：
[0066] 1、主播端延遲;主播端延遲指的是從主播開始上傳視頻流到視頻流被直播平臺接 收所經(jīng)歷的時間間隔。
[0067] 2、平臺轉碼延遲;轉碼延遲指的是游戲直播平臺從接收到主播上傳的原始視頻流 到轉碼得到目標碼率視頻流所經(jīng)歷的時間間隔。
[0068] 3、客戶端延遲;客戶端延遲主要包括兩個方面：
[0069] a)客戶端網(wǎng)絡延遲;客戶端網(wǎng)絡延遲主要指的是視頻流從游戲直播平臺發(fā)送到觀 眾客戶端所經(jīng)歷的時間間隔。
[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。
[0072]
[0073]其中D(i，t)表示觀眾i在第t個時間段所感受到的觀看延遲。#表示在第t個時間 段游戲直播平臺當前的觀眾總數(shù)量。ε是游戲直播平臺運營商預先設定的延遲閾值，用于保 證觀眾感受到的平均延遲在可容忍范圍內。
[0074]直播平臺運營商開銷模型
[0075]本發(fā)明在保證用戶QoE的基礎上，盡可能降低直播平臺運營商的運營成本。在游戲 直播中，游戲直播平臺運營商的運營成本主要包括兩個方面：
[0076] 1、帶寬開銷。直播平臺帶寬開銷主要指的是，游戲直播平臺為分發(fā)游戲視頻流所 需要購買的網(wǎng)絡帶寬的資金消耗。網(wǎng)絡帶寬開銷與游戲直播平臺所服務的用戶數(shù)量以及用 戶觀看的視頻碼率有直接的關系。
[0077] 2、視頻轉碼開銷。直播平臺視頻轉碼開銷主要指的是，游戲直播平臺為了能夠提 供多個不同碼率版本的視頻流所需要購買的視頻轉碼服務所花費的資金。
[0078]對于地理位置分布不同的數(shù)據(jù)中心來說，由于分布的地理位置不同，單位帶寬價 格也不盡相同，并且單位帶寬價格隨著時間波動。而對于實時視頻流轉碼開銷而言，游戲直 播平臺需要花費的資金與視頻轉碼任務的原始輸入視頻流碼率，輸出視頻碼率以及視頻時 間長直接相關。為了能夠節(jié)約運營成本，游戲直播平臺運營商希望能夠同時降低這兩方面 的資金開銷。
[0079] 在本發(fā)明中，服務于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開銷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t時間段所選擇的數(shù)據(jù)中心，U(Z(i，t)，t)表示編 號為Z(i，t)的數(shù)據(jù)在第t個時間段的單位帶寬價格。
[0082] 除了帶寬開銷，由于游戲直播平臺運營商需要提供多個版本的視頻流，因此，運營 商需要購買實時視頻流轉碼服務。在本發(fā)明中，轉碼開銷定義如下：
[0083]
[0084] 其中，P(j，t)表示在第t個時間段由游戲玩家j所上傳的視頻被轉碼成的碼率版 本，Bs(m)指的是第m個碼率版本所對應的視頻碼率，t是指第t個時間段，τ表示虛轉碼的視 頻時長。&表示轉碼服務提供商將原始碼率為P(j，t)，時長為τ的視頻流轉碼為目標碼率為 Bs(m)的視頻流所收取的費用。
[0085]視頻流轉碼與分發(fā)方法
[0086] 下面結合流程圖2和實施實例對視頻流轉碼與分發(fā)方法做進一步的說明。
[0087] 圖2為本發(fā)明中實時視頻流轉碼與分發(fā)方法的流程圖，具體步驟如下：
[0088] (S101)將游戲直播平臺運行周期切割成若干個時間段。
[0089] (S102)在每一個時間段開始時，中央控制單元獲取每個主播實時上傳的信息，包 括視頻碼率，用戶數(shù)量，用戶帶寬等信息。
[0090] (S103)根據(jù)當前收集的信息求解出視頻流轉碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼 率選擇決策，該求解過程的約束條件是在保證用戶Q〇E的基礎上最優(yōu)化游戲直播平臺運營 商的運營成本。
[0091] (S104)根據(jù)步驟(S103)的求解策略對每一個在線游戲主播做出視頻流轉碼決策， 對每一個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【具體實施方式】中，步驟(S102)中當前收集的信息包括: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)絡延遲等信息。
[0093] 在一個【具體實施方式】中，本發(fā)明可以將最小化運營成本、最優(yōu)化用戶體驗的優(yōu)化 問題轉化為Lyapunov優(yōu)化問題，將用戶請求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息作為該優(yōu)化問題的已知條 件，將部分用戶Q〇E指標(如:碼率、延遲)作為約束條件，并同時設置一個可容忍的延遲下界 來保證用戶體驗質量，然后解出最優(yōu)解作為決策結果。為了使用Lyapunov優(yōu)化框架，本發(fā)明 將基于時間平均的延遲約束條件轉化為基于隊列穩(wěn)定性的條件，在這個優(yōu)化問題中定義一 個虛擬隊列9(t)。同時定義虛擬隊列更新方程：
[0094]
[0095]其中，D(i，t)表示觀眾i在第t個時間段所感受到的延遲，W表示第t個時間段在線 觀眾數(shù)量，#表示第t個時間段直播平臺中在線觀眾總人數(shù)，e表示觀眾所能容忍的最大延 遲閾值，虛擬隊列9(t)用于衡量觀眾實際感受到的延遲與預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)用于衡量隊列的大小，△ (0(t))表示相鄰兩個時間段隊列數(shù)組的變化量;根 據(jù)Lyapunov優(yōu)化框架，依據(jù)用戶用電請求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息在每一個時間段內計算出滿 足如下最優(yōu)化方程的視頻流轉碼及分發(fā)策略：
[0100]
[0101]其中V是一個可調參數(shù)，用于調節(jié)目標優(yōu)化方程和用戶延遲隊列之間的權衡;α是 一個可調參數(shù)，用于調節(jié)優(yōu)化目標之間的權重，即運營成本與用戶體驗之間的權重;D(i，t) 表示觀眾i在第t個時間段所感受到的延遲，Cb(i，t)表示為了服務于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開 銷，Q(i，t)表示觀眾i在第t個時間段所生產(chǎn)的用戶體驗值;C s(j，t)表示在第t個時間段，為 給游戲主播j提供轉碼服務，游戲直播平臺運營商需要支出的轉碼費用。
[0102] 該算法過程的偽代碼如下所示。
[0103]
[0104]
[0105] 對于上述偽代碼中步驟5所需求解的優(yōu)化目標，可以進一步通過本發(fā)明提出的執(zhí) 行于每一個時隙的多項式時間求解算法，如下所示。
[0106]
[0107]
[0108] 本友明提出丨一柙奴用t游雙且攢干臺的視頻沭轉媽和分友萬'/云，本友明評細捆 述了視頻流轉碼策略，視頻流碼率選擇策略以及視頻流分發(fā)策略。本發(fā)明在具體實施時可 以有多種方法，包括但不局限于：
[0109] 1、使用預測算法調整算法中的閾值；
[0110] 2、針對觀眾QoE模型做小幅調整，比如為用戶添加等級屬性(付費用戶，非付費用 戶等）。
[0111] 本發(fā)明中，各模塊的結構和連接方式都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術方案的 基礎上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別算法模塊的結構進行的改進和等同變換，均不應排除在 本發(fā)明的保護范圍之外。
[0112] 本發(fā)明提出的系統(tǒng)工作流程中的關鍵數(shù)學模型和方法有：用戶QoE模型、用戶視頻 觀看延遲模型、游戲直播平臺運營商開銷模型、視頻流轉碼與分發(fā)方法。用戶QoE模型表達 了游戲直播平臺中觀眾對于視頻服務的直觀體驗，是本發(fā)明的基礎。本發(fā)明提出的視頻流 轉碼與分發(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，動態(tài)地 做出游戲玩家轉碼決策，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的基礎上，優(yōu)化游戲直播平臺運營商的總開銷。本發(fā)明提出的視頻流轉碼與分發(fā)算法是 本發(fā)明的核心內容。
[0113]以上所述的本發(fā)明的實施方式，并不構成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā) 明的精神原則之內所作出的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的權利要求保護 范圍之內。
【主權項】
1. 一種應用于游戲直播平臺的視頻流轉碼和分發(fā)方法，其特征在于，包括以下步驟：51. 將游戲直播平臺運行周期切割成若干個時間段；52. 在每一個時間段開始時，中央控制單元獲取每個主播實時上傳的信息；53. 中央控制單元基于當前收集的信息采用Lyapunov優(yōu)化方法解出最優(yōu)解作為決策結 果，其決策結果包括視頻流轉碼決策，視頻流分發(fā)決策以及用戶碼率選擇決策的決策；54. 基于獲取的決策結果對每一個在線游戲主播做出視頻流轉碼決策，對每一個在線 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:將最小化運營成本、最優(yōu)化用戶體驗的優(yōu)化問 題轉化為Lyapuno V優(yōu)化問題，中央控制單元當前收集的信息作為該優(yōu)化問題的已知條件， 將用戶QoE指標作為約束條件，并同時設置一個可容忍的延遲下界來保證用戶體驗質量，然 后解出最優(yōu)解作為決策結果； 定義一個虛擬隊列9(t);同時定義虛擬隊列更新方程：其中，D(i，t)表示觀眾i在第t個時間段所感受到的延遲，Vt表示第t個時間段在線觀眾 數(shù)量，Nt表示第t個時間段直播平臺中在線觀眾總人數(shù)，ε表示觀眾所能容忍的最大延遲閾 值，虛擬隊列9(t)用于衡量觀眾實際感受到的延遲與預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)用于衡量隊列的大小，△ (0(t))表示相鄰兩個時間段隊列數(shù)組的變化量；根據(jù) Lyapunov優(yōu)化框架，依據(jù)用戶用電請求信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息在每一個時間段內計算出滿足 如下最優(yōu)化方程的視頻流轉碼及分發(fā)策略：其中V是一個可調參數(shù)，用于調節(jié)目標優(yōu)化方程和用戶延遲隊列之間的權衡;α是一個 可調參數(shù)，用于調節(jié)優(yōu)化目標之間的權重，即運營成本與用戶體驗之間的權重;D(i，t)表示 觀眾i在第t個時間段所感受到的延遲，C b(i，t)表示為了服務于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開銷，Q (i，t)表示觀眾i在第t個時間段所生產(chǎn)的用戶體驗值;C s(j，t)表示在第t個時間段，為給游 戲主播j提供轉碼服務，游戲直播平臺運營商需要支出的轉碼費用。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，觀眾i在第t個時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，即滿足下式；T表示游戲直播平臺運營的總時長。3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，轉碼費用Cs(j，t)定義如下：其中，P(j，t)表示在第t個時間段由游戲玩家j所上傳的視頻被轉碼成的碼率版本，BS (m)指的是第m個碼率版本所對應的視頻碼率，t是指第t個時間段，τ表示虛轉碼的視頻時 長。&表示轉碼服務提供商將原始碼率為P(j，t)，時長為τ的視頻流轉碼為目標碼率為B s (m)的視頻流所收取的費用。4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，觀眾i在第t個時間段所生產(chǎn)的用戶體驗值 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)的用戶體驗值。5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，服務于觀眾i所產(chǎn)生的帶寬開銷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t時間段所選擇的數(shù)據(jù)中心，U(Z(i，t)，t)表示編號為 Z(i，t)的數(shù)據(jù)在第t個時間段的單位帶寬價格。6. 根據(jù)權利要求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 當前游戲類型，觀眾在觀看該游戲視頻時，要獲得基本的用戶體驗所應該選擇的最低視頻 碼率；由下式確定：其中，Bv(i，t)表示觀眾i在第t個時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所需要請求的視頻碼率;整個表 達式用于確保對每一個觀眾i，在每一個時隙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。
【文檔編號】H04N21/2343GK105933727SQ201610345162
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】吳迪, 鄭元歡, 劉學正
【申請人】中山大學