基于HLS流媒体视频直播的QoE分析模型设计与实现

许 雯

(西安航空学院 计算机学院，陕西 西安 710077)

基于HLS流媒体视频直播的QoE分析模型设计与实现

许 雯

(西安航空学院 计算机学院，陕西 西安 710077)

从QoE的角度，提出了一种贴近用户真实感受的视频播放质量评估模型。介绍了HLS流媒体直播技术的工作原理，提出了一种基于HTTP报文分析的视频QoE评价模型的实现思路。通过仿真实验结果表明，该模型对于HLS流媒体的QoE评估是十分有效的。

HLS；QoE；流媒体；直播

0 引言

视频业务在当今网络4G飞速发展的时代，广泛应用于视频直播、视频点播、视频电话、网络电视等方面。而网络视频业务的兴起使网络运营商和服务提供商更加关注视频的用户体验[1]。目前，针对视频QoE(Quality of Experience)的评估方法主要集中在通过视频传输过程中服务质量QoS(Quality of Service)的参数变化，来分析QoS对视频QoE的影响[1-4]，也有以视频基本特征为基础建立QoE评价模型[5]，但是，这些方式往往存在QoE不精确的问题。基于内容评价模型更接近真实的QoE，文献[6]提出了一种基于视频内容的QoE评价模型，文献[7]提出了视频业务QoE自适应测量工具，这些模型测量结果更接近用户实际反馈，但也存在QoE语义不明确的问题。

本文定义了度量QoE的KPI(Key Performance Indicator)指标，提出一种基于解析视频内容的QoE评价模型，通过对TCP(Transmission Control Protocol)报文和HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)报文的深度解析，反馈真实的用户体验。

1 HLS Live工作原理

HLS(Http Live Streaming)技术是由苹果公司提出的一种基于HTTP的自适应视频流媒体协议[8]。HLS技术是由服务组件、视频分布存储及终端播放软件三部分组成。服务组件会将视频流录入编码，并将该视频流分割成多个简短的可播放的ts媒体文件，同时，还会创建一个m3u8索引文件，它是以UTF-8 编码的 m3u 文件。该索引文件包含了可播放的ts媒体文件列表，以及每个ts媒体文件的HTTP请求URL(Uniform Resoure Locator)。

用户终端在播放一个视频时，首先会向HLS服务器发送一条获取播放列表m3u8的请求，该请求包含了当前终端的硬件信息、播放器信息以及当前网络信息。服务器接收到请求后，会对该终端的信息分析，返回一个最恰当的播放列表。终端播放器再根据播放列表，依次通过HTTP协议请求ts视频段，服务端将返回对应的媒体流。最终播放器在接收完每一个ts视频块后，进行解码播放。

2 QoE分析模型设计

2.1 QoE分析指标

QoE分析指标是一种最能直观明了反映用户体验的性能指标，本文对KPI指标作出如下定义。

2.1.1 初始播放延迟时间

从用户在终端点播视频播放按钮，到视频开始播放的间隔时长。初始播放延迟越长， QoE越差。

2.1.2 总ReBuffer次数

当正在播放的视频发生一次缓冲，就认为是一次ReBuffer。ReBuffer次数越多，QoE越差。

2.1.3 总ReBuffer时间

当正在播放的视频发生一次缓冲，就认为是一次ReBuffer，所消耗的时间称为一次ReBuffer时长，总ReBuffer时间为所有ReBuffer时间之和。ReBuffer时间越长，QoE越差。

2.1.4 整体播放时间

整体播放时间=初始播放延迟时间+Sum(每次ReBuffer时长)+视频真实可播放时长。整体播放时间时长越长，QoE越差。

2.2 QoE分析模型设计

终端与服务端是通过HTTP协议进行交互的。在HLS服务器上运行QoE程序，QoE程序通过抓取TCP数据包，进一步分析详细的HTTP报文。

HTTP请求报文中，如果URL包含.m3u8特征字段，则认为它是请求播放列表，因此，响应报文中将包含所有ts视频片段的文件播放列表，这些ts文件用来存放真实的视频内容。QoE分析模型通过对比该列表来辨识随后的ts请求是否有效。

HTTP请求报文中，如果URL包含如chunk-1.ts(名字-序号)的特征字段，则认为它是请求播放视频片段内容，响应报文将是连续的视频字节流。由于每个视频片段较大，通过分别发送多个TCP数据包来传输视频字节流，并依赖TCP协议的可靠性来保证视频片段的完整性。QoE分析模型通过分析TCP包中的Seq及Ack来确定一个完整的视频片段是否接收完毕，并且依赖Seq来保证视频内容有序。QoE模型中，认定一个视频片段接收完毕，就可以进行解码播放。

综上所述，通过对接收到的数据包进行深度分析，就可以在服务器端实时的得到可播放的视频片段长度，并依赖定时器来模拟当前视频的播放进度。通过比较收到第一个包含m3u8特征字段的请求时间点和收完第一个完整的视频片段的时间点来判断初始播放延迟；通过对比可播放的视频片段的长度和当前播放进度来判断ReBuffer，当实时的可播放长度为0时，就可以判断发生了ReBuffer；在ReBuffer过程中，如果收到一个完整的视频片段，则判断ReBuffer过程结束，视频开始播放。同时，记录整个过程中每一次ReBuffer的发现时间及结束时间，最后，以文中第2.1节所述的KPI计算公式，得到QoE分析结果。

3 仿真与实现

搭建本地HLS直播流服务器，流媒体为一个200秒的视频，切片成100个.ts文件，限制每个.ts文件播放长度为4秒，设置VLC(Video LAN Client)播放器在收到2个.ts块后进行视频播放。在整个视频播放过程中主动进行了6次网络限流，限流时间随机。

在服务端运行HLS流媒体服务，以及运行QoE分析程序，在客户端使用VLC播放器，通过脚本记录视频当前播放情况，分析结果如表1所示。

表1 仿真结果

*注：表1中s表示时间单位“秒”

可以看出，该分析模型准确的模拟出真实视频流的播放情况，服务端与终端误差小于0.2%。

4 结语

本文通过对HLS直播流媒体模型分析，给出了一种基于抓包分析用户视频QoE的思路及解决方案。仿真结果表明，本文提出的思路准确地分析了用户的真实QoE水平，该方法是完全可行并且有效的。可见针对用户QoE分析是最贴近用户真实感受的，因此，基于视频 QoE分析会有广泛的应用前景，对于视频服务商用于优化流媒体服务能力有很好的指导作用。

[1] 张大陆,张起强,胡治国,等.IP网络中视频流QoE评价模型[J].计算机工程与应用,2012,48(3):83-87.

[2] 卫津津,金志刚,张瑞.面向网络传输的立体视频QoE评价模型[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2016,49(12):1248-1254.

[3] 耿杨,金家义,孟洛明.基于压缩编码和传输损伤的视频QoE评估方法[J].北京邮电大学学报,2016,39(S1):55-58.

[4] 余琼,彭昊,江先阳,等.一种高效的音频流媒体服务器策略[J].计算机与现代化,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] 刘子沂,李凡.基于视频内容的QoE评价模型[J].微电子学与计算机, 2015(6):73-77.

[7] 文艺林,黎文伟.移动视频业务QoE自适应测量工具[J].计算机系统应用,2017,26(2):201-206.

[8] 朱倩.新一代流媒体HLS关键技术研究及实现[D].大连:大连理工大学,2011.

[责任编辑、校对：东 艳]

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

许雯(1988-)，女，陕西乾县人，助教，主要从事计算机图形学研究。

TN919.8

A

1008-9233(2017)03-0066-03