webrtc弱网-QualityScaler 源码分析与算法原理

一. 核心功能

QualityScaler 是 WebRTC 中用于动态调整视频编码质量的模块，主要功能包括：

QP 监控：持续监测编码器输出的量化参数（QP）
丢帧率分析：跟踪媒体优化和编码器导致的丢帧情况
自适应决策：根据 QP 和丢帧率触发分辨率/帧率调整
异步任务调度：通过延迟任务实现周期性质量检测
平滑处理：使用指数平滑算法减少 QP 波动影响

二. 核心算法原理

双阈值决策机制：
- 当 QP > 高阈值时：触发降级（降低分辨率/帧率）
- 当 QP ≤ 低阈值时：触发升级（提高分辨率/帧率）
丢帧率保护：当总丢帧率 ≥ 60% 时强制降级

指数平滑滤波：

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class QpSmoother {
  rtc::ExpFilter smoother_;  // 指数平滑滤波器
  void Add(float sample) { smoother_.Apply(time_delta, sample); }
}

动态采样周期调整：
- 初始快速检测（快速启动阶段）
- 根据历史结果动态调整检测间隔
- 公式：delay = sampling_period_ms_ * scale_factor_

三. 关键数据结构

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// QP 阈值结构体
struct QpThresholds {
  int low;   // 低阈值（升级边界）
  int high;  // 高阈值（降级边界）
};

// 质量检测结果
enum class CheckQpResult {
  kInsufficientSamples,  // 样本不足
  kNormalQp,             // QP正常
  kHighQp,               // QP过高（需降级）
  kLowQp                 // QP过低（需升级）
};

// 平滑滤波器
class QpSmoother {
  rtc::ExpFilter smoother_;  // 指数平滑实现
  int64_t last_sample_ms_;   // 最后采样时间
};

四. 核心方法详解

质量检测入口：

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void StartNextCheckQpTask() {
  pending_qp_task_ = std::make_unique<CheckQpTask>(this);
  pending_qp_task_->StartDelayedTask();  // 启动延迟检测任务
}

QP检测逻辑：

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CheckQpResult CheckQp() const {
  // 1. 检查样本数量是否足够（默认至少60帧）
  if (frames < min_frames_needed_) return kInsufficientSamples;
  
  // 2. 检查丢帧率是否超标（≥60%）
  if (drop_rate >= kFramedropPercentThreshold) return kHighQp;
  
  // 3. 检查QP是否超过阈值
  if (*avg_qp_high > thresholds_.high) return kHighQp;
  if (*avg_qp_low <= thresholds_.low) return kLowQp;
  
  return kNormalQp;
}

平滑处理实现：

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void QpSmoother::Add(float sample, int64_t time_sent_us) {
  int64_t now_ms = time_sent_us / 1000;
  // 应用指数平滑：新值 = α*当前值 + (1-α)*历史值
  smoother_.Apply(now_ms - last_sample_ms_, sample);
  last_sample_ms_ = now_ms;
}

五. 设计亮点

动态任务调度：
- 使用 CheckQpTask 实现自循环检测
- 根据历史结果动态调整检测频率
- 快速启动模式（fast_rampup_）加速初始检测

双通道平滑滤波：

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qp_smoother_high_.reset(new QpSmoother(config_.alpha_high));  // 高阈值通道
qp_smoother_low_.reset(new QpSmoother(config_.alpha_low));    // 低阈值通道

使用不同的平滑系数分别处理高低阈值

字段试验支持：

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QualityScalerSettings settings(field_trials);  // 从字段试验获取参数
sampling_period_ms_ = settings.SamplingPeriodMs().value_or(kMeasureMs);

允许通过字段试验动态配置算法参数

丢帧分类统计：

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void ReportDroppedFrameByMediaOpt();  // 媒体优化导致的丢帧
void ReportDroppedFrameByEncoder();   // 编码器导致的丢帧

六. 典型工作流程

注释精要

关键参数：

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// 默认检测周期(ms)
static const int kMeasureMs = 2000; 

// 丢帧率阈值(%)
static const int kFramedropPercentThreshold = 60;

// 最小决策帧数(2秒数据)
static const size_t kMinFramesNeededToScale = 2 * 30;

核心类说明：

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// QP平滑处理器：使用指数平滑算法消除瞬时波动
class QpSmoother {
  // α值决定平滑强度：α越大，新值权重越高
  explicit QpSmoother(float alpha); 
};

// 异步检测任务：实现周期性的质量评估
class CheckQpTask {
  void StartDelayedTask();  // 启动延迟检测
};

自适应触发逻辑：

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void QualityScaler::CheckQp() {
  // 优先检查丢帧率：超过60%立即降级
  if (*drop_rate >= 60) return kHighQp; 
  
  // 双通道平滑QP检测
  if (high_smoothed_qp > high_thresh) return kHighQp;
  if (low_smoothed_qp <= low_thresh) return kLowQp;
}

该模块通过智能的QP分析和动态的任务调度，实现了视频质量的自适应调整，在带宽波动环境下保持视频流畅性和清晰度的平衡。