解書凱， 趙紅軍,2， 李莉娟

(1. 西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 四川 綿陽 621000；2. 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 綿陽 621012；3. 四川綿陽供電公司， 四川 綿陽 621000)

0 引 言

伴隨通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)展，用戶期望在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上關(guān)注到精彩的傳媒視頻，而移動(dòng)流媒體策略，即為采用通信網(wǎng)絡(luò)的形式達(dá)到音頻、視頻等信息的傳送。移動(dòng)流媒體[1]策略具備實(shí)時(shí)性能好，系統(tǒng)的開啟速度快[2]，以及所占據(jù)的內(nèi)存空間小的特點(diǎn)。使用者在進(jìn)行流媒體音頻和視頻的播放[3]時(shí)，首先緩存一部分信息在本地的內(nèi)存，并且在視頻觀看的進(jìn)程時(shí)，能夠達(dá)到視頻的播放和下載的同時(shí)進(jìn)行。

采用流媒體進(jìn)行音頻和視頻的傳送能夠巧妙避開移動(dòng)終端的硬件局限狀況，并且采用流媒體傳送的多媒體信息具有時(shí)間緩沖短、效率高、占用空間和帶寬少等特點(diǎn)。

近來，伴隨移動(dòng)終端的無線應(yīng)用方案的推陳出新，移動(dòng)終端的能量損耗成為國(guó)內(nèi)外研究者所關(guān)注的核心問題。Kostal等[4]給出自適應(yīng)的測(cè)控信息傳送速度的變換；Bagheri等[5]給出安卓系統(tǒng)的內(nèi)部高效優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。本文主要研究安卓平臺(tái)的流媒體裝置的低能耗改進(jìn)。首先給出安卓系統(tǒng)[6]的DASH傳輸協(xié)議[7]分析，從服務(wù)器和客戶終端部分進(jìn)行系統(tǒng)整體模塊的優(yōu)缺點(diǎn)解析，選取MPEG-DASH[8]，能夠傳輸協(xié)議減輕了服務(wù)裝置負(fù)載，并且減少服務(wù)裝置的花費(fèi)，提升客戶終端的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)用戶終端流量節(jié)約的目標(biāo)。

1 流媒體的傳輸策略和AVS音視頻解碼

1.1 DASH流媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文的MPEG-DASH流媒體平臺(tái)[9]的服務(wù)終端和客戶終端的工作環(huán)境如圖1所示。多媒體文件保存在WEB服務(wù)裝置中，并且在HTTP協(xié)議以及客戶終端下實(shí)現(xiàn)信息傳送。保存在服務(wù)設(shè)備上的多媒體信息包含兩個(gè)模塊：① 視頻描述文件(Media Presentation Description，MPD)；② MPEG-DASH協(xié)議的視頻塊部分。

圖1 MPEG-DASH協(xié)議構(gòu)架圖

1.2 AVS編解碼構(gòu)架設(shè)計(jì)

本文采用現(xiàn)有的混合塊變換以及預(yù)測(cè)的編碼策略設(shè)計(jì)AVS壓縮指標(biāo)[10]。如圖2所示，AVS采用幀內(nèi)部預(yù)測(cè)，幀間預(yù)測(cè)，變換，數(shù)字化，編碼等方法實(shí)現(xiàn)視頻編碼[11]效用的提升。幀間預(yù)測(cè)選取塊運(yùn)動(dòng)矢量實(shí)現(xiàn)圖像時(shí)間多余部分的清除；幀內(nèi)部預(yù)測(cè)包含預(yù)測(cè)模型完成圖像內(nèi)部冗余清除，并通過殘差預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)圖像內(nèi)部的視覺多余部分變換和數(shù)字化。

圖2 MPEG-DASH下的流媒體構(gòu)架

AVS解碼裝置[12]采用編碼器進(jìn)行多媒體信息的壓縮解碼，該部分為編碼的逆過程。圖3給出AVS的解碼主要部分，該部分采用宏為基準(zhǔn)，通過解碼實(shí)現(xiàn)量化[13]，進(jìn)而反量化得到宏誤差部分。將現(xiàn)有解碼圖像作為第1幀圖像，則重新進(jìn)行宏誤差信息和幀內(nèi)部數(shù)據(jù)的結(jié)果預(yù)測(cè)，并采用環(huán)路濾波[14]方法構(gòu)建解碼之后的YUV信息。將處理后的解碼圖像作為雙幀間解碼或者前向解碼部分，并且實(shí)現(xiàn)誤差信息和幀間預(yù)測(cè)部分的疊加，采用環(huán)路濾波的方式獲取YUV信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)果輸出。

圖3 AVS的編碼構(gòu)架圖

1.3 AVS音視頻低功耗解碼實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用RM52g模擬上述算法，并且實(shí)現(xiàn)Foreman,Bus，Mobile等不同等級(jí)的CIF規(guī)則圖像序列的200幀實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)，其編碼的參數(shù)如下：定義15幀為1個(gè)I幀，其中QP(量化參數(shù))的值是28，34和40。

實(shí)驗(yàn)信息量大，因而解碼圖像包含YUV 3種分量相應(yīng)峰值信噪比減弱程度相似，基于人眼對(duì)于亮度變換敏銳性，本文完成運(yùn)動(dòng)繁雜度的Bus_cif序列的亮度部分模擬實(shí)驗(yàn)。圖4采用Matlab實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)插值方法和本文的混合插值方法的結(jié)果對(duì)比。圖4為不同B幀下的峰值信噪比值對(duì)比，圖5和圖6分別為單個(gè)B幀和兩個(gè)B幀在本文方法和AVS方法下的計(jì)算量比率對(duì)比結(jié)果。

圖4 不同B幀下的峰值信噪比值對(duì)比

圖5 單個(gè)B幀的計(jì)算量比率對(duì)比

圖6 2個(gè)B幀的計(jì)算量比率對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試

2.1 AVS協(xié)議緩存

采用AVS進(jìn)行多媒體的點(diǎn)擊播放時(shí)，要求數(shù)據(jù)信息量以字節(jié)為單位。假定所要求的數(shù)據(jù)信息量為len(len>0)，若不采用代理服務(wù)裝置，則假定len結(jié)果能夠給出高于零的任意數(shù)，但針對(duì)流量測(cè)控，該數(shù)值應(yīng)當(dāng)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況實(shí)現(xiàn)調(diào)控。

估計(jì)的步驟如下：若len傳送之后，依據(jù)緩存的Nv和Na結(jié)果再次請(qǐng)求數(shù)據(jù)模塊。在判定時(shí)，首先以視頻模塊緩存內(nèi)存作為規(guī)范。將緩存的內(nèi)存部分整體設(shè)定為p,若pKmax，整個(gè)狀況持續(xù)N次時(shí)，需求的信息量部分減少為len/2，則實(shí)現(xiàn)len值更新，實(shí)現(xiàn)命令請(qǐng)求等待時(shí)間的增加，減弱服務(wù)裝置傳送速率的均值。若Kmin≤p≤Kmax，則再次請(qǐng)求的信息量值為len。圖7給出LTE網(wǎng)絡(luò)狀況之下的緩存區(qū)域示意圖。其中：X表述播放時(shí)間；Y軸表述為播放裝置的緩存區(qū)域的比率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程；B為采用AVS時(shí)，客戶裝置的緩存區(qū)的變化情況；C為采用RTP時(shí)的客戶裝置的緩存區(qū)變化情況。

圖7 AVS協(xié)議和RTP協(xié)議緩存區(qū)對(duì)比

2.2 性能測(cè)試

2.2.1性能測(cè)試環(huán)境

本文調(diào)試所選取的網(wǎng)絡(luò)模式為L(zhǎng)TE、WIFI和PC網(wǎng)絡(luò)模型，將流媒體服務(wù)裝置放置在網(wǎng)絡(luò)中，在給定實(shí)驗(yàn)環(huán)境中構(gòu)建流媒體的服務(wù)設(shè)備，并采用NAT策略，LTE完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境中流媒體服務(wù)裝置的構(gòu)建。LTE的網(wǎng)絡(luò)速率定義為300 Kb/s，在真實(shí)測(cè)試環(huán)境中，加載速率為5～38 Mb/s；SCDMA網(wǎng)絡(luò)速率定義為384Kb/s，在真實(shí)測(cè)試環(huán)境中，加載速率為51～100 Kb/s；CDMA實(shí)際加載速率為55～75 Kb/s；WIFI網(wǎng)絡(luò)速率定義為55 Mb/s，并采用2 Mb/s的ADSL網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，速率能夠?qū)崿F(xiàn)200～500 Kb/s。在調(diào)試中，所選模型如表1所示。

表1 調(diào)試裝置信息

2.2.2資源利用效率檢驗(yàn)

針對(duì)移動(dòng)流媒體客戶終端設(shè)計(jì)，主要考量電源能量部分損耗，削弱資源部分的損耗，整體資源包含電池電能利用效率，智能終端CPU使用效率以及內(nèi)存部分使用效率。本文采用上述設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試。

首先開啟流媒體裝置的外觀界面，裝置的電流曲線部分如圖8所示。由圖可知，若電流的結(jié)果較低，則總電流量在125 mA附近，此刻平臺(tái)CPU的利用效率結(jié)果較低，在20%左右進(jìn)行浮動(dòng)逐步平緩。

(a) 電流示波圖像

(b) CPU利用效率

采用移動(dòng)流媒體[15]播放裝置播放時(shí)，不論是電流結(jié)果還是CPU的利用效率都得到較大的提升。本文采用RTP協(xié)議以及AVS協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)流媒體裝置的電流和核心模塊結(jié)果的利用效率對(duì)比和解析，并將傳統(tǒng)RTP協(xié)議作為移動(dòng)流媒體傳統(tǒng)方法，采用AVS協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)流媒體設(shè)置作為本文方法。

從圖9可見，采用傳統(tǒng)方法，其電流結(jié)果在260 mA左右進(jìn)行浮動(dòng)，并且最高在320 mA附近，和播放裝置剛開啟對(duì)比，得到此刻電流約在125 mA附近。采用本文方法，其電流在230 mA附近，伴隨時(shí)間改變，電流結(jié)果出現(xiàn)一個(gè)較大的浮動(dòng)，之后又逐漸平穩(wěn)。從圖中能夠得到，和傳統(tǒng)方法對(duì)比，本文方法的電流降低了約20 mA，其主要因素為RTP協(xié)議繁雜程度高，需要構(gòu)建鏈接，該過程采用4個(gè)端口部分，4個(gè)端口劃分為，① 進(jìn)行RTSP的鏈接；② 用于RTP多媒體視頻傳送；③ RTP音頻傳送；④ RTP信息的傳送。

綜合上述結(jié)果，選取AVS協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)流媒體裝置設(shè)定，其電流相對(duì)較低。實(shí)驗(yàn)證明采用AVS協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)流媒體裝置設(shè)定，能耗較少，約降低了20%。

(a) 傳統(tǒng)方法的電流值曲線模型

(b) 本文方法的電流值曲線模型

在移動(dòng)流媒體播放裝置中，重點(diǎn)是AVS解碼裝置的解碼性能。第2種方法核心處理裝置的利用效率比第1種方法核心處理裝置的利用效率低，躍動(dòng)幅度較小。由圖10可知，最終CPU的使用效率都產(chǎn)生明顯下降，其主要因素為播放完成后，網(wǎng)絡(luò)引擎、AVS解碼以及繪圖操作都終止，之后的電流和CPU應(yīng)用效率逐漸復(fù)原到播放裝置開啟時(shí)的狀況。

(a) 傳統(tǒng)方法CPU使用效率曲線

(b) 本文方法的CPU使用效率曲線

通過上述分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，在本文方法中，最大的差別就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，關(guān)于不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，移動(dòng)流媒體播放裝置選取有差別的拼裝方式完成服務(wù)裝置傳輸多媒體音視頻信息幀，與其他自平臺(tái)功能類似。在關(guān)于子平臺(tái)部分中，AVS的解碼模塊對(duì)整個(gè)平臺(tái)的資源損耗的比重是很大的。

3 結(jié) 語

本文主要研究安卓平臺(tái)的流媒體裝置的低能耗改進(jìn)，介紹了安卓平臺(tái)的流媒體的傳輸協(xié)議，選取MPEG-DASH為傳輸協(xié)議能夠減輕服務(wù)裝置的負(fù)載，減少服務(wù)裝置的花費(fèi)，提升客戶終端的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)用戶終端的流量節(jié)約。給出AVS多媒體音視頻的低功耗解碼方案，采用實(shí)驗(yàn)方式給出低功耗解碼策略，通過客觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果和主觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用AVS混合插值解碼的方法能夠獲取好的掌上設(shè)備的低功耗性能。給出的框架設(shè)計(jì)以及移動(dòng)流媒體裝置的低功耗策略。針對(duì)智能終端的供電裝置很容易出現(xiàn)能量耗盡，本課題設(shè)計(jì)的流媒體裝置采用AVS解碼裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗處理。