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ICP提升OTT视频体验的N种努力

华为iLab 2016.10发布

01 02

ICP（Internet Content Provider）基于开放互联网提供的OTT（Over The

Top）视频服务，以内容丰富，使用方便的特点吸引了越来越多的用户，正

推动互联网流量的大规模增长。

除了不断丰富内容外，高品质的OTT视频体验也是ICP一直在努力提升的重点。

iLab分析发现目前ICP主要从以下几个方面持续提升用户体验：

1. 提升片源质量，YouTube上2015年HD（720P及以上）视频占比已达80%

以上，用户在YouTube平台2015年上分享的4K短片数量已经超过以往总和。

2. 当管道带宽无法满足时，自适应管道状态调整视频码率，优先保障流畅观

看；Netflix的视频码率范围从0.1Mbps到15.6Mbps，充分适应网络情况。

3. 持续技术创新和网络架构创新，从以下3个方面确保在同等管道能力的情况

下，用户能流畅观看到更高质量的视频：

• 部署更靠近用户的CDN，Netflix在ISP内部部署的CDN，目标是承担95%

的访负荷。

• 新编码技术降低码率，H.265较H.264大约降低了40%的码率。

• 改进传输协议提升传输效率等，例如QUIC协议可降低30%卡顿。

4. 推出ISP管道排名机制，督促ISP提升管道；ICP已经意识到：没有好的管道，

无论怎么优化和创新，离最佳视频体验还是会有较大差距。Netflix已经提供

48个国家和地区的ISP管道排名。

视频质量的三要素：清晰度（分辨率、视角）、保真度（色度、景深、动态

范围）、流畅度（帧率）。高质量的视频，能提升观众的临场感，形成“身

临其境”的感觉。

1. 持续提升视频质量，追求“身临其境”体验

满足人眼视觉特性的“身临其境”体验

动态范围人眼亮度适应范围为10-5cd/m2

~10+5cd/m2

帧率100度视角时，人眼动态敏感度比30度时提升30%，采集帧率需要大于60Hz

视角人眼视角覆盖100度范围，100度视角可以产生较强的临场感

分辨率1.0视力的分辨率为30cpd，高于此分辨率才能产生强烈的真实感

色度系统的色度空间需要尽可能覆盖人眼可分辨的颜色 景深

从最近到无穷都能清晰呈现，保证观众能够清晰关注任何距离的景物

Sclear Chorold Retina

Cornea

Pupil

LensIris

Ciliary bodyOptic nerve

LIGHT

从以下的分析可以看到，ICP在持续提升OTT视频质量，高质量的片源数量和

占比逐年提高。

1.1 视频分辨率逐步提升，在客厅体验场景4K视频清晰度接近极致

清晰度取决与视角和分辨率，人眼极限分辨角ɑ=0.35角分，一般人眼标准视

力1.0的最小分辨角是ɑ=1角分，视频分辨率越满足人眼最小分辨角，视频清

晰度越高。

03 04

h

Distance between Eyes to the Screen

d

Height of the Screnn

α

一直以来，ICP不断提升片源的分辨率，提供更高质量的视频。目前已经先后

提供480P、720P、1080P、2160P(4K)、4320P(8K)分辨率视频，1080P和

4K视频的比例都在逐年提高。

分辨率高，视频清晰度越高

480P 1080P

当前4K超高清视频，它的清晰度已经接近客厅体验场景的极致级别，被ICP

寄予厚望，正在大力推广普及。

片源数量正快速增加：截止2016年8月，Netflix已有48部4K视频（包括电

视剧、电影和纪录片等）。

据iLab 2015年统计，YouTube上HD（720P及以上）视频占比已达

81.06%。

SD：18.94%

HD: 81.06%

高端手机，甚至PAD已支持4K视频录制，YouTube上用户分享了大量的4K短

片数量在迅速增加，据华为iLab 2015年统计，2015年全年4K视频上传量已超

越以往所有上传量。

2015年

上传：50.41%

2015前

上传:

49.59%

• 终端可获得性已经比较好：ICP开发APP甚至自研电视或机顶盒，4K电视和

4K机顶盒价格越来越便宜，NPD DisplaySearch调研报告显示，2015年全

球4K电视普及率8%，有三分之一的美国民众考虑购买4K电视；

• 管道是4K视频普及的瓶颈，因为分辨率增加，带来码率成倍增加，需要更

大的网络带宽支撑，以Netflix为例：

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

480P 720P(HQ) 1080P(HQ) 2160P

码率对比(Mbps)

Netflix的4K视频平均码率已达15.6Mbps，大约是1080P视频码率的3倍，建议

网络带宽是25Mbps。ICP同时也在云和端侧提供新的技术和方案，减少高清晰

度视频受管道的限制。

1.2 HDR视频（高保真）是ICP后续重要发展方向

人眼的亮度感知范围远大于目前显示器的显示范围，HDR（High Dynamic

Range）可以提供更多的动态范围和图像细节，能够更好的反映人真实环境

中的视觉效果。，HDR可表达的范围示意图：

cd/m²

Human Eye

10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 1 102 103 104 10510

SDR

HDR

人眼感知

Starlight Moonlight Illuminatorlight Cloud Sunlight

Source

HDR被ICP认为是继4K后又一提升体验的重要技术方向，应用受制于片源、

管道和终端的发展。

录制 后期制作 传输 显示

录制 后期制作 传输 显示

SDR

HDR

• 片源方面：ICP认为HDR视频画质提升，可有效提升用户体验，正迅速发布

HDR片源，2015年Amazon自制首部HDR剧集《Mozart in the Jungle》，

2016年Netflix自制HDR剧集《Marco Polo》，截止2016年8月Netflix已有

13部HDR视频，YouTube即将支持HDR视频分享；

• 终端方面：电视行业普遍认为2016年是HDR电视元年，当前中高端电视多已

支持HDR，价格较为亲民；

• 管道方面：一般认为网络增加少量带宽可支撑HDR视频，因为HDR视频需要

增加量化位数（Bit深度），Bit深度从8比特增加到10或12比特，码率增加不

超过20%。

1.3 ICP开始尝试HFR视频（高帧率），使帧率与景物运动更匹配

HFR（High Frame Rate）视频，即帧率高于48帧的视频。现实世界是连

续的，人眼是以连续的方式观察到现实中连续、清晰度运动；视频系统以离

散度方式记录现实世界的运动，采集帧率与景物运动相匹配才能画面更流畅，

获得最佳体验。

07 08

低帧率，短时曝光，物体清晰，

但运动不连续

低帧率，长时曝光，运动连续，

但物体模糊

高帧率，长时曝光，运动连续，

物体清晰

tL=VA

业界对HFR视频逐渐接受，H.265已支持HFR视频编解码，2014年YouTube

支持60P的视频分享，Netflix也开始尝试HFR视频。另外HFR视频对码率的

影响很大，需要更大带宽支撑。

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

720P 1080P 1440P

30帧码率(Mbps) 60帧码率(Mbps)

研究认为，ICP一直在致力于提升视频质量，并且把4K视频作为当前普及推广

的重点；但标准的4K视频（4K分辨率、HDR、60P）也意味着高码率；由于

OTT视频基于开放的互联网，管道已经成为瓶颈，制约着OTT视频体验的提升。

2. 自适应管道状况，优先保障流畅观看

OTT视频业务典型组网图

高质量视频带来了视频码率的大幅度提升，ISP网络是影响当前视频体验的关

键瓶颈之一，当管道带宽不足以保证极致的视频体验时，ICP通过HAS技术自

适应管道，自动调整观看的视频源质量和码率，优先保证视频观看体验流畅、

不卡顿。

HAS（当前主要是HLS和DASH）技术与早期HPD（ HTTP Progressive

Download）的主要区别：

• 云：通用视频，HAS有多个码率视频文件，并进行分片；

• 端：HAS持续评估有效带宽，动态调整下载合适码率视频分片；

• 管：HAS可有效控制下载量。

自适应码率方案示意图：

质量

高

中

低

时间

质量

高

中

低

时间

云，存有多码率分片视频管，带宽难以保证

端，评估宽带，自适应码率

宽带

时间

09 10

以Netflix一个片源为例，可采集到多种分辨率和多种码率的视频信息：最低

240P（码率0.1Mbps）、最高1080P（码率5.8Mbps）。

DASH将成为HAS技术的主流，DASH Industry Forum一直在推动DASH发展，

参与成员70多家，其中11家创办人：

目前除了IOS平台外，主流浏览器和设备已支持DASH；北美主流的视频ICP，

如Netflix、YouTube、Amazon和Hulu已经支持DASH。

研究认为：

• 无保障的网络管道影响OTT视频体验时，ICP选择降低视频质量来优先保

证流畅的观看体验；

• OTT支持基于有限的、动态变化的管道能力自动选择最佳视频码率，在流

畅观看的基础上提供最高质量的视频片源，保证最佳视频体验。

3. 持续技术创新和网络架构创新

因管道不可控，如何充分利用管道，使用户享受更佳的视频体验，一直是ICP

研究的重点。目前ICP已经有了很深的积累，陆续推出了很多的新技术、新解

决方案：如更高压缩率的新编码技术H.265/VP9、更高效的传输技术QUIC、

更靠近用户的CDN部署方案等。

3.1 靠近用户部署CDN，以提升和保障用户体验

CDN（Content Delivery Network）是构建在网络之上的内容分发网络，可

高效地将内容分发到各边缘服务器。通过调度，在负载均衡的的情况下，使用

户就近获取所需内容。

OTT视频采用HTTP技术以后，ICP开始采用CDN技术分发视频。通过贴近用户

部署CDN让内容靠近用户，提高响应速度，提升和保障用户体验。例如Netflix

采用的是三层CDN缓存结构：

ISP Network Peering/Origin Location AWS S3

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

Sharded

Content

=95+%

offload

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

Sharded

Content

100% of

Active

catalog

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

NETFLIX

All

downloadables

drchived on S3

靠近用户在ISP内部部署OCA(Open Connect Appliance，即CDN服务器)，承

担了95%的访问负荷；中间层是数据中心，包括所有的数据；视频支撑系统基

于AWS(AmazonWeb Service）云。另外研究人员共在243个地点发现了至少

4669台Netflix服务器，大部分位于欧美地区（数据来源伦敦大学女王学院研究

论文）。

研究认为：ICP自建CDN已成为趋势，自建CDN灵活可控，可靠近用户部署；

Netflix已全部迁移到自建Open Connect（CDN）上。

11 12

3.2 持续优化或使用新编码技术，提升视频压缩率，降低对管道要求

研究认为，H.264是当前主流编码技术，ICP已经在积极尝试H.265/VP9等压缩

率更高的编码新技术。

如：Netflix在4K和HDR视频开始使用H.265编码；YouTube缺省使用VP9编码。

当前各编码技术下的视频码率对比：

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

H.264 VP9 H.265

码率对比

来源：PerformanceComparison of H.265/MPEG-HEVC, VP9, and H.264/MPEG-

AVC Encoders

新编码技术可提升画质，同样400kbps的视频，H.265（左）画质好。

来源：https://x265.com/

3.3 优化或开发新传输协议，提升传输效率

为了提高传输效率降低对管道要求，Google基于UDP设计了QUIC传输协议提

到TCP，已经在YouTube上进行试验。据Google的说明，同等条件下可以减

少30%的卡顿。但尚未形成标准，还需要进一步发展。

QUIC关键特性：低时延、抗网络损失（新的拥塞算法和错误纠正）、更高的

网络利用率。

QUIC交互流程

请求证书链

请求完整证书链

启用密码通知加密验证消息

第一步失败后才会再次请求

TCP+TLS交互流程

TCP建连

协商安全能力证书密钥交换

启用密码通知加密验证消息

3.4 优化视频容器，提升交互体验

容器是视频的封装格式，即按一定格式保存元数据、轨道数据等。ICP通过采

用FMP4（Fragmented MP4）格式替代之前的MP4格式。FMP4大幅度减小

视频文件头的大小，进而减少视频初始缓冲的数据量，缩短初始缓冲时间，提

升交互体验。

FMP4主要是将原视频头中的数据信息，分散到视频分片片头中。以300秒左

右4K片源为例，FMP4片头1379字节，MP4片头137332字节。当前主流ICP，

如YouTube、Netflix，都已经采用FMP4格式。

13

FMP4

初始分片

索引分片

媒体分片

分片片头

视频数据

媒体分片

分片片头

视频数据

…

MP4

视频头

视频数据

…

元数据集中在视频头

将元数据分散到分片片头，减少

片头大小

4. 挑战与合作，促进管道改善，全面提升视频体验

超高清时代来临，内容和体验是OTT视频的两大支柱，ICP一直从视频体验的

三个方面（视频质量、交互体验、观看体验）全面提升用户视频体验。由于受

制于管道，ICP虽然在云和端有很深的技术积累，做了很多优化以减小管道对

视频体验的影响，但离最佳视频体验还有很大差距。因此一些ICP也在想办法

督促ISP改进管道能力：

4.1. ICP对ISP管道进行排名，敦促落后ISP改进管道。

2016年Netflix推出ISP排名、Speed值、环比上期Speed值和接入方式等，也

可观察到变化曲线。

RANK

ISPSPEEDMbps

PREVIOUS

Mbps

RANK CHAN

GE

TYPE

1Verizon-FiOS

3.61 3.61

2BrightHouse

3.59 3.60

3Optimum

3.55 3.56

4 Cox 3.55 3.55

5 Charteer 3.51 3.54

6 Comcast 3.47 3.49

7Time WamerCable

3.46 3.47

8Mediacom

3.42 3.43

9AT&T-U-verse

3.36 3.35

ISP LEADERBOARD-JULY 2016 SHOW SMALLER ISPS

Cable

DSL

Satellite

WirelesFiber

数据来源：https://ispspeedindex.Netflix.com/country/us/

14

Netflix在ISP内CDN分布 服务器数量 >100 ≤100 ≤50 ≤10 ≤5

数据来源：伦敦大学女王学院研究论文

在IXP(Internet Exchange Point)与ISP合作，将Netflix数据中心内的OCA与

ISP对等互联，减少ISP Transit费用支出。Netflix已部署CDN的IXP多分布在

北美洲和欧洲。

Netflix在IXP内CDN分布 服务器数量 >100 ≤100 ≤50 ≤10 ≤5

数据来源：伦敦大学女王学院研究论文

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4.2 ICP在一些地区尝试和ISP合作，ICP+ISP整合云管端资源，提升最终用

户视频体验。

如Netflix在推行Open Connect与ISP合作，其合作方式：

向ISP免费赠送OCA(OpenConnect Appliance)，减少ISP骨干网和城域网的

拥塞，CDN多分布在美洲和欧洲：