基于能耗优化的AVS编解码自适应流媒体系统设计

解书凯， 赵红军,2， 李莉娟

(1. 西南科技大学 信息工程学院， 四川 绵阳 621000；2. 绵阳职业技术学院， 四川 绵阳 621012；3. 四川绵阳供电公司， 四川 绵阳 621000)

0 引 言

伴随通信网络技术的进展，用户期望在移动互联网络上关注到精彩的传媒视频，而移动流媒体策略，即为采用通信网络的形式达到音频、视频等信息的传送。移动流媒体[1]策略具备实时性能好，系统的开启速度快[2]，以及所占据的内存空间小的特点。使用者在进行流媒体音频和视频的播放[3]时，首先缓存一部分信息在本地的内存，并且在视频观看的进程时，能够达到视频的播放和下载的同时进行。

采用流媒体进行音频和视频的传送能够巧妙避开移动终端的硬件局限状况，并且采用流媒体传送的多媒体信息具有时间缓冲短、效率高、占用空间和带宽少等特点。

近来，伴随移动终端的无线应用方案的推陈出新，移动终端的能量损耗成为国内外研究者所关注的核心问题。Kostal等[4]给出自适应的测控信息传送速度的变换；Bagheri等[5]给出安卓系统的内部高效优化策略，实现了节能的目标。本文主要研究安卓平台的流媒体装置的低能耗改进。首先给出安卓系统[6]的DASH传输协议[7]分析，从服务器和客户终端部分进行系统整体模块的优缺点解析，选取MPEG-DASH[8]，能够传输协议减轻了服务装置负载，并且减少服务装置的花费，提升客户终端的体验，实现用户终端流量节约的目标。

1 流媒体的传输策略和AVS音视频解码

1.1 DASH流媒体系统的设计

本文的MPEG-DASH流媒体平台[9]的服务终端和客户终端的工作环境如图1所示。多媒体文件保存在WEB服务装置中，并且在HTTP协议以及客户终端下实现信息传送。保存在服务设备上的多媒体信息包含两个模块：① 视频描述文件(Media Presentation Description，MPD)；② MPEG-DASH协议的视频块部分。

图1 MPEG-DASH协议构架图

1.2 AVS编解码构架设计

本文采用现有的混合块变换以及预测的编码策略设计AVS压缩指标[10]。如图2所示，AVS采用帧内部预测，帧间预测，变换，数字化，编码等方法实现视频编码[11]效用的提升。帧间预测选取块运动矢量实现图像时间多余部分的清除；帧内部预测包含预测模型完成图像内部冗余清除，并通过残差预测实现图像内部的视觉多余部分变换和数字化。

图2 MPEG-DASH下的流媒体构架

AVS解码装置[12]采用编码器进行多媒体信息的压缩解码，该部分为编码的逆过程。图3给出AVS的解码主要部分，该部分采用宏为基准，通过解码实现量化[13]，进而反量化得到宏误差部分。将现有解码图像作为第1帧图像，则重新进行宏误差信息和帧内部数据的结果预测，并采用环路滤波[14]方法构建解码之后的YUV信息。将处理后的解码图像作为双帧间解码或者前向解码部分，并且实现误差信息和帧间预测部分的叠加，采用环路滤波的方式获取YUV信息，实现结果输出。

图3 AVS的编码构架图

1.3 AVS音视频低功耗解码实验结果

本文采用RM52g模拟上述算法，并且实现Foreman,Bus，Mobile等不同等级的CIF规则图像序列的200帧实现模拟实验，其编码的参数如下：定义15帧为1个I帧，其中QP(量化参数)的值是28，34和40。

实验信息量大，因而解码图像包含YUV 3种分量相应峰值信噪比减弱程度相似，基于人眼对于亮度变换敏锐性，本文完成运动繁杂度的Bus_cif序列的亮度部分模拟实验。图4采用Matlab实现标准插值方法和本文的混合插值方法的结果对比。图4为不同B帧下的峰值信噪比值对比，图5和图6分别为单个B帧和两个B帧在本文方法和AVS方法下的计算量比率对比结果。

图4 不同B帧下的峰值信噪比值对比

图5 单个B帧的计算量比率对比

图6 2个B帧的计算量比率对比

2 实验性能测试

2.1 AVS协议缓存

采用AVS进行多媒体的点击播放时，要求数据信息量以字节为单位。假定所要求的数据信息量为len(len>0)，若不采用代理服务装置，则假定len结果能够给出高于零的任意数，但针对流量测控，该数值应当依据网络情况实现调控。

估计的步骤如下：若len传送之后，依据缓存的Nv和Na结果再次请求数据模块。在判定时，首先以视频模块缓存内存作为规范。将缓存的内存部分整体设定为p,若pKmax，整个状况持续N次时，需求的信息量部分减少为len/2，则实现len值更新，实现命令请求等待时间的增加，减弱服务装置传送速率的均值。若Kmin≤p≤Kmax，则再次请求的信息量值为len。图7给出LTE网络状况之下的缓存区域示意图。其中：X表述播放时间；Y轴表述为播放装置的缓存区域的比率随时间的动态变化过程；B为采用AVS时，客户装置的缓存区的变化情况；C为采用RTP时的客户装置的缓存区变化情况。

图7 AVS协议和RTP协议缓存区对比

2.2 性能测试

2.2.1性能测试环境

本文调试所选取的网络模式为LTE、WIFI和PC网络模型，将流媒体服务装置放置在网络中，在给定实验环境中构建流媒体的服务设备，并采用NAT策略，LTE完成实验环境中流媒体服务装置的构建。LTE的网络速率定义为300 Kb/s，在真实测试环境中，加载速率为5～38 Mb/s；SCDMA网络速率定义为384Kb/s，在真实测试环境中，加载速率为51～100 Kb/s；CDMA实际加载速率为55～75 Kb/s；WIFI网络速率定义为55 Mb/s，并采用2 Mb/s的ADSL网络互联，速率能够实现200～500 Kb/s。在调试中，所选模型如表1所示。

表1 调试装置信息

2.2.2资源利用效率检验

针对移动流媒体客户终端设计，主要考量电源能量部分损耗，削弱资源部分的损耗，整体资源包含电池电能利用效率，智能终端CPU使用效率以及内存部分使用效率。本文采用上述设备进行性能测试。

首先开启流媒体装置的外观界面，装置的电流曲线部分如图8所示。由图可知，若电流的结果较低，则总电流量在125 mA附近，此刻平台CPU的利用效率结果较低，在20%左右进行浮动逐步平缓。

(a) 电流示波图像

(b) CPU利用效率

采用移动流媒体[15]播放装置播放时，不论是电流结果还是CPU的利用效率都得到较大的提升。本文采用RTP协议以及AVS协议实现移动流媒体装置的电流和核心模块结果的利用效率对比和解析，并将传统RTP协议作为移动流媒体传统方法，采用AVS协议实现移动流媒体设置作为本文方法。

从图9可见，采用传统方法，其电流结果在260 mA左右进行浮动，并且最高在320 mA附近，和播放装置刚开启对比，得到此刻电流约在125 mA附近。采用本文方法，其电流在230 mA附近，伴随时间改变，电流结果出现一个较大的浮动，之后又逐渐平稳。从图中能够得到，和传统方法对比，本文方法的电流降低了约20 mA，其主要因素为RTP协议繁杂程度高，需要构建链接，该过程采用4个端口部分，4个端口划分为，① 进行RTSP的链接；② 用于RTP多媒体视频传送；③ RTP音频传送；④ RTP信息的传送。

综合上述结果，选取AVS协议实现移动流媒体装置设定，其电流相对较低。实验证明采用AVS协议实现移动流媒体装置设定，能耗较少，约降低了20%。

(a) 传统方法的电流值曲线模型

(b) 本文方法的电流值曲线模型

在移动流媒体播放装置中，重点是AVS解码装置的解码性能。第2种方法核心处理装置的利用效率比第1种方法核心处理装置的利用效率低，跃动幅度较小。由图10可知，最终CPU的使用效率都产生明显下降，其主要因素为播放完成后，网络引擎、AVS解码以及绘图操作都终止，之后的电流和CPU应用效率逐渐复原到播放装置开启时的状况。

(a) 传统方法CPU使用效率曲线

(b) 本文方法的CPU使用效率曲线

通过上述分析和对比实验可知，在本文方法中，最大的差别就是网络协议模块，关于不同的网络协议，移动流媒体播放装置选取有差别的拼装方式完成服务装置传输多媒体音视频信息帧，与其他自平台功能类似。在关于子平台部分中，AVS的解码模块对整个平台的资源损耗的比重是很大的。

3 结 语

本文主要研究安卓平台的流媒体装置的低能耗改进，介绍了安卓平台的流媒体的传输协议，选取MPEG-DASH为传输协议能够减轻服务装置的负载，减少服务装置的花费，提升客户终端的体验，实现用户终端的流量节约。给出AVS多媒体音视频的低功耗解码方案，采用实验方式给出低功耗解码策略，通过客观实验结果和主观实验结果表明，采用AVS混合插值解码的方法能够获取好的掌上设备的低功耗性能。给出的框架设计以及移动流媒体装置的低功耗策略。针对智能终端的供电装置很容易出现能量耗尽，本课题设计的流媒体装置采用AVS解码装置，能够实现低能耗处理。