基于能耗優化的AVS編解碼自適應流媒體系統設計

解書凱， 趙紅軍,2， 李莉娟

(1. 西南科技大學 信息工程學院， 四川 綿陽 621000；2. 綿陽職業技術學院， 四川 綿陽 621012；3. 四川綿陽供電公司， 四川 綿陽 621000)

0 引 言

伴隨通信網絡技術的進展，用戶期望在移動互聯網絡上關注到精彩的傳媒視頻，而移動流媒體策略，即為采用通信網絡的形式達到音頻、視頻等信息的傳送。移動流媒體[1]策略具備實時性能好，系統的開啟速度快[2]，以及所占據的內存空間小的特點。使用者在進行流媒體音頻和視頻的播放[3]時，首先緩存一部分信息在本地的內存，并且在視頻觀看的進程時，能夠達到視頻的播放和下載的同時進行。

采用流媒體進行音頻和視頻的傳送能夠巧妙避開移動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間緩沖短、效率高、占用空間和帶寬少等特點。

近來，伴隨移動終端的無線應用方案的推陳出新，移動終端的能量損耗成為國內外研究者所關注的核心問題。Kostal等[4]給出自適應的測控信息傳送速度的變換；Bagheri等[5]給出安卓系統的內部高效優化策略，實現了節能的目標。本文主要研究安卓平臺的流媒體裝置的低能耗改進。首先給出安卓系統[6]的DASH傳輸協議[7]分析，從服務器和客戶終端部分進行系統整體模塊的優缺點解析，選取MPEG-DASH[8]，能夠傳輸協議減輕了服務裝置負載，并且減少服務裝置的花費，提升客戶終端的體驗，實現用戶終端流量節約的目標。

1 流媒體的傳輸策略和AVS音視頻解碼

1.1 DASH流媒體系統的設計

本文的MPEG-DASH流媒體平臺[9]的服務終端和客戶終端的工作環境如圖1所示。多媒體文件保存在WEB服務裝置中，并且在HTTP協議以及客戶終端下實現信息傳送。保存在服務設備上的多媒體信息包含兩個模塊：① 視頻描述文件(Media Presentation Description，MPD)；② MPEG-DASH協議的視頻塊部分。

圖1 MPEG-DASH協議構架圖

1.2 AVS編解碼構架設計

本文采用現有的混合塊變換以及預測的編碼策略設計AVS壓縮指標[10]。如圖2所示，AVS采用幀內部預測，幀間預測，變換，數字化，編碼等方法實現視頻編碼[11]效用的提升。幀間預測選取塊運動矢量實現圖像時間多余部分的清除；幀內部預測包含預測模型完成圖像內部冗余清除，并通過殘差預測實現圖像內部的視覺多余部分變換和數字化。

圖2 MPEG-DASH下的流媒體構架

AVS解碼裝置[12]采用編碼器進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，通過解碼實現量化[13]，進而反量化得到宏誤差部分。將現有解碼圖像作為第1幀圖像，則重新進行宏誤差信息和幀內部數據的結果預測，并采用環路濾波[14]方法構建解碼之后的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，并且實現誤差信息和幀間預測部分的疊加，采用環路濾波的方式獲取YUV信息，實現結果輸出。

圖3 AVS的編碼構架圖

1.3 AVS音視頻低功耗解碼實驗結果

本文采用RM52g模擬上述算法，并且實現Foreman,Bus，Mobile等不同等級的CIF規則圖像序列的200幀實現模擬實驗，其編碼的參數如下：定義15幀為1個I幀，其中QP(量化參數)的值是28，34和40。

實驗信息量大，因而解碼圖像包含YUV 3種分量相應峰值信噪比減弱程度相似，基于人眼對于亮度變換敏銳性，本文完成運動繁雜度的Bus_cif序列的亮度部分模擬實驗。圖4采用Matlab實現標準插值方法和本文的混合插值方法的結果對比。圖4為不同B幀下的峰值信噪比值對比，圖5和圖6分別為單個B幀和兩個B幀在本文方法和AVS方法下的計算量比率對比結果。

圖4 不同B幀下的峰值信噪比值對比

圖5 單個B幀的計算量比率對比

圖6 2個B幀的計算量比率對比

2 實驗性能測試

2.1 AVS協議緩存

采用AVS進行多媒體的點擊播放時，要求數據信息量以字節為單位。假定所要求的數據信息量為len(len>0)，若不采用代理服務裝置，則假定len結果能夠給出高于零的任意數，但針對流量測控，該數值應當依據網絡情況實現調控。

估計的步驟如下：若len傳送之后，依據緩存的Nv和Na結果再次請求數據模塊。在判定時，首先以視頻模塊緩存內存作為規范。將緩存的內存部分整體設定為p,若pKmax，整個狀況持續N次時，需求的信息量部分減少為len/2，則實現len值更新，實現命令請求等待時間的增加，減弱服務裝置傳送速率的均值。若Kmin≤p≤Kmax，則再次請求的信息量值為len。圖7給出LTE網絡狀況之下的緩存區域示意圖。其中：X表述播放時間；Y軸表述為播放裝置的緩存區域的比率隨時間的動態變化過程；B為采用AVS時，客戶裝置的緩存區的變化情況；C為采用RTP時的客戶裝置的緩存區變化情況。

圖7 AVS協議和RTP協議緩存區對比

2.2 性能測試

2.2.1性能測試環境

本文調試所選取的網絡模式為LTE、WIFI和PC網絡模型，將流媒體服務裝置放置在網絡中，在給定實驗環境中構建流媒體的服務設備，并采用NAT策略，LTE完成實驗環境中流媒體服務裝置的構建。LTE的網絡速率定義為300 Kb/s，在真實測試環境中，加載速率為5～38 Mb/s；SCDMA網絡速率定義為384Kb/s，在真實測試環境中，加載速率為51～100 Kb/s；CDMA實際加載速率為55～75 Kb/s；WIFI網絡速率定義為55 Mb/s，并采用2 Mb/s的ADSL網絡互聯，速率能夠實現200～500 Kb/s。在調試中，所選模型如表1所示。

表1 調試裝置信息

2.2.2資源利用效率檢驗

針對移動流媒體客戶終端設計，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使用效率以及內存部分使用效率。本文采用上述設備進行性能測試。

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，若電流的結果較低，則總電流量在125 mA附近，此刻平臺CPU的利用效率結果較低，在20%左右進行浮動逐步平緩。

(a) 電流示波圖像

(b) CPU利用效率

采用移動流媒體[15]播放裝置播放時，不論是電流結果還是CPU的利用效率都得到較大的提升。本文采用RTP協議以及AVS協議實現移動流媒體裝置的電流和核心模塊結果的利用效率對比和解析，并將傳統RTP協議作為移動流媒體傳統方法，采用AVS協議實現移動流媒體設置作為本文方法。

從圖9可見，采用傳統方法，其電流結果在260 mA左右進行浮動，并且最高在320 mA附近，和播放裝置剛開啟對比，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，伴隨時間改變，電流結果出現一個較大的浮動，之后又逐漸平穩。從圖中能夠得到，和傳統方法對比，本文方法的電流降低了約20 mA，其主要因素為RTP協議繁雜程度高，需要構建鏈接，該過程采用4個端口部分，4個端口劃分為，① 進行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。

綜合上述結果，選取AVS協議實現移動流媒體裝置設定，其電流相對較低。實驗證明采用AVS協議實現移動流媒體裝置設定，能耗較少，約降低了20%。

(a) 傳統方法的電流值曲線模型

(b) 本文方法的電流值曲線模型

在移動流媒體播放裝置中，重點是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，躍動幅度較小。由圖10可知，最終CPU的使用效率都產生明顯下降，其主要因素為播放完成后，網絡引擎、AVS解碼以及繪圖操作都終止，之后的電流和CPU應用效率逐漸復原到播放裝置開啟時的狀況。

(a) 傳統方法CPU使用效率曲線

(b) 本文方法的CPU使用效率曲線

通過上述分析和對比實驗可知，在本文方法中，最大的差別就是網絡協議模塊，關于不同的網絡協議，移動流媒體播放裝置選取有差別的拼裝方式完成服務裝置傳輸多媒體音視頻信息幀，與其他自平臺功能類似。在關于子平臺部分中，AVS的解碼模塊對整個平臺的資源損耗的比重是很大的。

3 結 語

本文主要研究安卓平臺的流媒體裝置的低能耗改進，介紹了安卓平臺的流媒體的傳輸協議，選取MPEG-DASH為傳輸協議能夠減輕服務裝置的負載，減少服務裝置的花費，提升客戶終端的體驗，實現用戶終端的流量節約。給出AVS多媒體音視頻的低功耗解碼方案，采用實驗方式給出低功耗解碼策略，通過客觀實驗結果和主觀實驗結果表明，采用AVS混合插值解碼的方法能夠獲取好的掌上設備的低功耗性能。給出的框架設計以及移動流媒體裝置的低功耗策略。針對智能終端的供電裝置很容易出現能量耗盡，本課題設計的流媒體裝置采用AVS解碼裝置，能夠實現低能耗處理。