webrtc弱网-BandwidthQualityScaler 源码分析与算法原理

一、核心功能

BandwidthQualityScaler 是 WebRTC 中用于动态调整视频编码分辨率的组件，通过监控编码比特率与预设分辨率比特率限制的匹配程度，自动触发视频质量的上调或下调。其核心功能是：

1. 比特率监控：实时统计编码视频流的比特率

2. 分辨率适配：根据当前分辨率对应的比特率限制阈值

3. 动态调整：在带宽不足或过剩时触发分辨率调整

4. 异步决策：通过定时任务定期执行检查

二、核心算法原理

1. 比特率统计：

   • 使用 RateStatistics 滑动窗口（默认 5s）计算平均比特率

   • 公式：bitrate = scale_/ active_window_size*accumulated_count_

2. 分辨率-比特率映射：

   • 通过 ResolutionBitrateLimits 结构定义不同分辨率（像素数）的比特率上下限：

     • min_start_bitrate_bps：分辨率启动所需最低比特率

     • max_bitrate_bps：分辨率支持的最高比特率

3. 双阈值决策：

三、关键数据结构

1. ResolutionBitrateLimits（定义于 video_encoder.h）：

   struct ResolutionBitrateLimits {
     int frame_size_pixels;    // 分辨率（宽*高）
     int min_start_bitrate_bps;// 最小启动比特率
     int min_bitrate_bps;      // 持续传输最小比特率
     int max_bitrate_bps;      // 最大支持比特率
   };

2. 核心类成员：

   RateStatistics encoded_bitrate_;       // 比特率统计器
   absl::optional<int> last_frame_size_pixels_; // 最近帧分辨率
   std::vector<VideoEncoder::ResolutionBitrateLimits> resolution_bitrate_limits_;

四、核心方法详解

1. 初始化 (BandwidthQualityScaler())

// 初始化参数从字段试验获取，无配置则用默认值
kBitrateStateUpdateInterval(TimeDelta::Seconds(
  BandwidthQualityScalerSettings::ParseFromFieldTrials()
    .BitrateStateUpdateInterval()
    .value_or(kDefaultBitrateStateUpdateIntervalSeconds)) 

2. 比特率检查 (CheckBitrate())

CheckBitrateResult BandwidthQualityScaler::CheckBitrate() {
  // 步骤1：检查数据完备性
  if (!last_frame_size_pixels_ || !last_time_sent_in_ms_) 
    return kInsufficientSamples;

  // 步骤2：获取当前比特率（bps）
  absl::optional<int64_t> current_bitrate_bps = 
      encoded_bitrate_.Rate(last_time_sent_in_ms_.value());

  // 步骤3：查找当前分辨率对应的比特率限制
  auto suitable_bitrate_limit = GetSinglecastBitrateLimitForResolutionWhenQpIsUntrusted(...);

  // 步骤4：阈值判定（关键算法）
  if (current_bitrate_bps > suitable_bitrate_limit->max_bitrate_bps * 0.95f)
    return kLowBitRate;  // 需要降分辨率
  else if (current_bitrate_bps < suitable_bitrate_limit->min_start_bitrate_bps * 0.8f)
    return kHighBitRate; // 可升分辨率
  
  return kNormalBitrate;
}

3. 定时任务 (StartCheckForBitrate())

void BandwidthQualityScaler::StartCheckForBitrate() {
  // 使用WeakPtr保证异步安全
  TaskQueueBase::Current()->PostDelayedTask(
    [this_weak_ptr = weak_ptr_factory_.GetWeakPtr()] {
      if (!this_weak_ptr) return; // 对象已销毁则终止
      
      switch (CheckBitrate()) {
        case kHighBitRate: handler_->OnReportUsageBandwidthHigh(); break;
        case kLowBitRate:  handler_->OnReportUsageBandwidthLow();  break;
      }
      StartCheckForBitrate(); // 递归调用实现周期检查
    },
    kBitrateStateUpdateInterval // 默认5s间隔
  );
}

4. 数据上报 (ReportEncodeInfo())

void ReportEncodeInfo(int frame_size_bytes, int64_t time_sent_in_ms,
                      uint32_t width, uint32_t height) 
{
  last_frame_size_pixels_ = width * height; // 存储分辨率
  encoded_bitrate_.Update(frame_size_bytes, time_sent_in_ms); // 更新统计
}

五、设计亮点

1. 容忍因子机制：

   • kHigherMaxBitrateTolerationFactor=0.95：避免在阈值边界抖动

   • kLowerMinBitrateTolerationFactor=0.8：防止过早触发升级

2. 弱指针安全模型：

   [this_weak_ptr = weak_ptr_factory_.GetWeakPtr()] {
     if (!this_weak_ptr) return; // 自动处理对象销毁

   确保异步任务不会访问已销毁对象

3. 动态配置接口：

   void SetResolutionBitrateLimits(...);

   允许运行时更新分辨率-比特率映射表

4. 默认策略回退：

   if (resolution_bitrate_limits.empty()) {
     resolution_bitrate_limits_ = GetDefault...(); 
   }

   保证无自定义配置时的基础功能

六、典型工作流程

七、注释精要

// 带宽质量调节器核心实现
void BandwidthQualityScaler::ReportEncodeInfo(int frame_size_bytes,
                                             int64_t time_sent_in_ms,
                                             uint32_t encoded_width,
                                             uint32_t encoded_height) {
  // 保存最近帧信息用于后续决策
  last_time_sent_in_ms_ = time_sent_in_ms;
  last_frame_size_pixels_ = encoded_width * encoded_height; // 计算像素面积
  encoded_bitrate_.Update(frame_size_bytes, time_sent_in_ms); // 更新比特率统计
}

BandwidthQualityScaler::CheckBitrateResult
BandwidthQualityScaler::CheckBitrate() {
  // 检查数据有效性
  if (!last_frame_size_pixels_ || !last_time_sent_in_ms_) 
    return kInsufficientSamples;

  // 获取当前平均比特率（单位：bps）
  absl::optional<int64_t> current_bitrate_bps = 
      encoded_bitrate_.Rate(last_time_sent_in_ms_.value());

  // 查找当前分辨率对应的比特率限制
  auto limit = GetSinglecastBitrateLimitForResolutionWhenQpIsUntrusted(
      last_frame_size_pixels_, resolution_bitrate_limits_);

  // 双阈值决策逻辑
  if (current_bitrate_bps > limit->max_bitrate_bps * 0.95f)
    return kLowBitRate;  // 实际含义：带宽不足以维持当前分辨率
  else if (current_bitrate_bps < limit->min_start_bitrate_bps * 0.8f)
    return kHighBitRate; // 实际含义：带宽有富余可提升分辨率
  
  return kNormalBitrate;
}

该模块通过智能的比特率-分辨率映射和双阈值缓冲机制，在保证视频质量的前提下，实现了带宽不足时的优雅降级和带宽充足时的质量提升，是 WebRTC 自适应视频流传输的核心组件之一。