基于流媒体技术的IPTV系统

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    随着互联网的普及，利用网络传输声音与视频信号的需求也越来越大。广播电视等媒体上网后，也都希望通过互联网来发布自己的音视频节目。但是，音视频在存贮时文件的体积一般都十分庞大。在网络带宽还很有限的情况下，花几十分钟甚至更长的时间等待一个音视频文件的传输，不能不说是一件让人头疼的事。流媒体技术的出现，在一定程度上使互联网传输音视频难的局面得到改善。流媒体技术发端于美国，在美国目前流媒体的应用已很普遍，比如惠普公司的产品发布和销售人员培训都用网络视频进行。与传统的播放方式不同，流媒体在播放前并不下载整个文件，只将部分内容缓存，使流媒体数据流边传送边播放，这样就节省了下载等待时间和存储空间。网络电视正是结合了流媒体技术的特点应运而生，能够很好地适应当今网络飞速发展的趋势，充分有效地利用网络资源。因此，网络电视的发展离不开流媒体技术，本文着重研究基于流媒体技术的网络电视的应用和发展。1流媒体的技术1．1 流媒体技术的原理    流媒体又叫流式媒体，它是指商家用一个视频传送服务器把节目当成数据包发出，传送到网络上。用户通过解压设备对这些数据进行解压后，节目就会像发送前那样显示出来。这个过程的一系列相关的包称为“流”。流媒体实际指的是一种新的媒体传送方式，而非一种新的媒体。流媒体技术全面应用后，人们在网上聊天可直接语音输入；如果想彼此看见对方的容貌、表情，只要双方各有一个摄像头就可以了；在网上看到感兴趣的商品，点击以后，讲解员和商品的影像就会跳出来；更有真实感的影像新闻也会出现。    如果将文件传输看作是一次接水的过程，过去的传输方式就像是对用户做了一个规定，必须等到一桶水接满才能使用它，这个等待的时间自然要受到水流量大小和桶的大小的影响。而流式传输则是，打开水头龙，等待一小会儿，水就会源源不断地流出来，而且可以随接随用，因此，不管水流量的大小，也不管桶的大小，用户都可以随时用上水。从这个意义上看，流媒体这个词是非常形象的。    流式传输的实现需要缓存。因为Internet以包传输为基础进行断续的异步传输，对一个实时A／V源或存储的A／V文件，在传输中它们要被分解为许多包，由于网络是动态变化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据：通过丢弃已经播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。流式传输的实现需要合适的传输协议。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP／TCP来传输控制信息，而用RTP／UDP来传输实时声音数据。流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP／TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器启动A／VHelper程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对Helper程序初始化。这些参数可能包括目录信息、A／V数据的编码类型或与A／V检索相关的服务器地址。    需要说明的是，在流式传输中，使用RTP／UDP和RTSP／TCP两种不同的通信协议与A／V服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同于运行A／V Helper程序所在客户机的目的地址。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器，其基本原理如图1所示。1．2 流媒体技术的实现过程    流媒体系统包括以下五个方面的内容：    (1)编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格式。    (2)流媒体数据。    (3)服务器:存放和控制流媒体的数据。    (4)网络：适合多媒体传输协议甚至是实时传输协议的网络。    (5)播放器：供客户端浏览流媒体文件。
                          
                       
                          
                                    这五个部分有些是网站需要的，有些是客户端需要的，而且不同的流媒体标准和不同公司的解决方案会在某些方面有所不同。    在运用流媒体技术时，音视频文件要采用相应的格式，不同格式的文件需要用不同的播放器软件来播放，所谓“一把钥匙开一把锁”。目前，采用流媒体技术的音视频文件主要有三大“流派”，即RealNetworks公司的RealMedia、Microsoft的Windows Media和Apple公司的QItickTime。    按照内容提交的方式，流媒体可以分为两种：实况流媒体广播(即Web广播)和由用户按需访问的存档的视频和音频。不论是哪一种类型的流媒体，其实现从摄制原始镜头到媒体内容的回放都要经过一定的过程。下面以RealMedia为例说明流媒体的制作、传输和使用的过程：    (1)采用视频捕获装置对事件进行录制。    (2)对获取的内容进行编辑，然后利用视频编辑硬件和软件对它进行数字化处理。    (3)经数字化的视频和音频内容被编码为流媒体格式。    (4)媒体文件或实况数据流被保存在安装了流媒体服务器软件的宿主计算机上。    (5)用户点击网页请求视频流或访问流内容的数据库。    (6)宿主服务器通过网络向最终用户提交数字化内容。    (7)最终用户利用桌面或移动终端上的显示媒体内容的播放程序进行回放和观看。    由于流媒体技术在一定程度上突破了网络带宽对多媒体信息传输的限制，因此被广泛运用于网上直播、网络广告、视频点播、远程教育、远程医疗、视频会议、企业培训、电子商务等多种领域。2 流式技术的主要解决方案    由于其成熟稳定的技术性能，互联网巨人美国在线(AOL)、ABC、AT&T、Sony和Time Life等公司和网上主要电台都使用：RealSystem向世界各地传送实时影音媒体信息以及实时的音乐广播。在我国，大量的影视、音乐点播和春节晚会、昆明世博会开幕式的网上直播都采用了RealSystem系统。    Windows Media Technology是Microsoft提出的信息流式播放方案，其主要目的是在Internet和Intra-net上实现包括音频、视频信息在内的多媒体流信息的传输。其核心是ASF文件，ASF是一种包含音频、视频、图像以及控制命令、脚本等多媒体信息在内数据格式，通过分成一个个的网络数据包在Internet上传输，实现流式多媒体内容发布。因此，把在网络上传输的内容就称为ASF Stream。ASF支持任意的压缩／解压缩编码方式，并可以使用任何一种底层网络传输协议，具有很大的灵活性。Microsoft已将Windows Media技术捆绑在Windows 2000中，并打算将ASF用作将来的Windows版本中多媒体内容的标准文件格式，这无疑将对Internet特别是流式技术的应用和发展产生重大影响。
                          
                       
                          
                                    Windows Media Technology由Media Tools、Media Server和Media Player工具构成。Media Tools是整个方案的重要组成部分，它提供了一系列的工具帮助用户生成ASF、格式的多媒体流，分创建工具和编辑工具两种，创建工具主要用于生成ASF格式的多媒体流，包括Media Encoder，Author，VidToASF，WavToASF，Presen-ter五个工具；编辑工具主要对ASF格式的多媒体流信息进行编辑与管理，包括后期制作编辑工具ASF Indexer与ASFChop，以及对ASF流进行检查并改正错误的ASF-Check。Media Server可以保证文件的保密性，不被下载，并使每个使用者都能以最佳的影片品质浏览网页，具有多种文件发布形式和监控管理功能。Media Player则提供强大的流信息的播放功能。    Apple公司于1991年开始发布QuickTime，它几乎支持所有主流的个人计算平台和各种格式的静态图像文件、视频和动画格式，具有内置Web浏览器插件技术，支持IETF流标准以及RTP，RTSP，SDP，FTP和HTTP等网络协议。通过好莱坞影视城检索到的许多电影新片片段，都是以QuickTime格式存放的。    QltickTime包括服务器、带编辑功能的播放器QuickTime Player、制作工、图像浏览器以及使Internet浏览器能够播放QuickTime影片的QuickTime插件。QuickTime 4支持两种类型的流：实时流和快速启动流。使用实时流的QuickTime影片必须从支持QuickTime流的服务器上播放，是真正意义上的Streaming Media，使用实时传输协议(RTP)传输数据。快速启动影片可以从任何Web Server上播放，使用超文本传输协议(HTTP)或文件传输协议(FTP)传输数据。    目前，FOX新闻在线、FOX体育在线、BBCWORLD、气象频道等机构都加入QuickTime内容供应商行列，使用QuickTime技术制作实况转播节目除了上述的流媒体技术的三种主要格式外，在多媒体课件和动画方面的流媒体技术还有Macromedia的Shock-wave技术和MeataCreation公司的Meta Stream技术。    通过Shockwave技术可以方便地在Web页面中加入图像、动画以及交互式界面等操作。利用这种Streaming Shockwave，即通过流的方式使用户在客户端实现边下载边播放的功能，节省了等待时的时间。Shockwave与Macromedia产品紧密联系在一起，包括Flash，Shockwave for Authorware，Shockwave for Di-rector等技术。    MetaStream 3D的图形设计软件是Ray Dream studio 5以及Ray Dream 3D，可以方便地在网上创建、发布及浏览被缩放的3D图形，它具有小文件量及流传输的特点，比其它任何一种已存在的Internet 3D技术压缩率都高。主要应用于游戏开发厂商、页面设计者、电子商务、科学研究者、专业设计者等。3 流媒体技术在网络电视中的应用    目前我国通信事业正在迅猛地发展，用户对信息服务的要求越来越高，特别是宽带视频信息。可以说中国已基本具备了大力发展IPTV的技术条件和市场条件，而且IPTV网络电视市场竞争越来越激烈。市场竞争竞争对普通的消费者比较有利，抛开这些不管，这里关心的是怎样才能实现网络电视。对于一般的用户来说，一般是采用网络机顶盒+普通电视机。如图2所示，电脑与机顶盒共用一台ADSL Modem宽带上网。通常ADSL用户的电脑和ADSL Modem都在一个地方，因此，ADSL Modem引出五类网线连接到机顶盒上。考虑到大多数ADSL Modem只有一个10BaseT网口，因此要多加一个HUB。网络电视可以提供远程教育、视频点播、网络直播、视频会议等服务，使人们的生活更加丰富多彩，下面就从这几个方面探讨流媒体的应用。3．1 远程教育    电脑的普及、多媒体技术的发展以及互联网的迅速崛起，给远程教育带来了新的机遇。世界各国都正大力开展包括网络教育在内的远程教育。在远程教学过程中，最基本的要求是将信息从教师端传递到远程的学生端，需要传递的信息可能是多元化的，这其中包括各种类型的数据：如视频、音频、文本、图片等。将这些资料从一端传递到另一端是远程教学需要解决的问题，而如何将这些信息资料有效的组合起来以达到更好的教学效果更是人们思考的重要方面。由于当前网络带宽的限制，流式媒体无疑是最佳的选择，学生可以在家通过一台计算机、一条电话线、一只Modem就可以参加到远程教学当中来。对于教师来讲，也无须做过多的准备，授课方法基本与传统授课方法相同，只不过面对的是摄像头和计算机而已。
                          
                       
                          
                                    就目前来讲，能够在互联网上进行多媒体交互教学的技术多为流媒体，像RealSystem，Flash，Shockwave等技术就经常应用到网络教学中。远程教育是对传统教育模式的一次革命，它能够集教学和管理于一体，突破了传统“面授”的局限，为学习者在空间和时问上都提供了便利。    除去实时教学以外，使用流媒体中的VOD(视频点播)技术，更可以达到因材施教、交互式的教学目的，学生也可以通过网络共享自己的学习经验和成果。大型企业可以利用基于流技术的远程教育系统作为对员工进行培训的手段，这里不仅可以利用视频和音频，计算机屏幕的图形捕捉也可以被用流的方式传送给学员。现在微软公司自己内部就大量使用了其自己的流技术产品作为其全球各分公司问员工培训和交流的手段。随着网络及流媒体技术的发展，越来越多的远程教育网站开始采用流媒体作为主要的网络教学方式。3．2 宽带网视频点播    在前面的远程教育中曾经提到过VOD视频点播，视频点播技术已经不是什么新鲜的概念了，最初的VOD应用于卡拉OK点播，当时的VOD系统是半自动的需要人工参与。随着计算机的发展，VOD技术逐渐应用于局域网及有线电视网中，此时的VOD技术趋于完善，但有一个困难阻碍了VOD技术的发展，那就是音视频信息的庞大容量。这样服务器端不仅需要大量的存储系统，同时还要负荷大量的数据传输，导致服务器根本无法进行大规模的点播。同时由于局域网中的视频点播覆盖范围小，用户也无法通过互联网等网络媒介收听或观看局域网内的节目。此时流媒体技术的出现，在视频点播方面完全可以遗弃局域网而使用互联网，由于流媒体经过了特殊的压缩编码，使得它很适合在互联网上传输。客户端采用浏览器方式进行点播，基本无需维护。由于采用了先进的机群技术，可对大规模的并发点播请求进行分布式处理，使其能适应大规模的点播环境。    随着宽带网和信息家电的发展，流媒体技术会越来越广泛地应用于视频点播系统，也许有一天你也可以在自己的家中欣赏到与电视节目相当的流式视频节目。就当前而言，很多大型的新闻娱乐媒体都在Internet上提供基于流技术的音视频节目，如国外的CNN、CBS以及我国的中央电视台、北京电视台等，有人将这种In-ternet上的播放节目称之为“Webcast”。3．3 互联网直播    也许大家只听说过现场直播、卫星转播之类的名词，对于互联网直播(或称为网络直播)的概念还并不太熟悉，随着互联网的普及网民越来越多，从互联网上直接收看体育赛事、重大庆典、商贸展览成为很多网民的愿望。而很多厂商希望借助网上直播的形式将自己的产品和活动传遍全世界，这也许是任何一种媒体都不能达到的。这一切都促成了互联网直播的形成。但是网络带宽问题一直困扰着互联网直播的发展，不过随着宽带网的不断普及和流媒体技术的不断改进，互联网直播已经从实验阶段走向了实用阶段，并能够提供较满意的音、视频效果。流媒体技术在互联网直播中充当着重要的角色，首先流媒体实现了在低带宽的环境下提供高质量的影音。其次，像Real公司的SureStream这样的智能流技术可以保证不同连接速率下的用户可以得到不同质量的影音效果。此外，流媒体的Multicast(多址广播)技术可以大大减少服务器端的负荷，同时最大限度地节省了带宽。无论从技术上还是从市场上考虑，现在互联网直播是流媒体众多应用中最成熟的一个。已经有很多公司提供网上直播服务，每年一度的《春节晚会》就提供网上现场直播。3．4 视频会议    市场上的视频会议系统有很多，这些产品基本都支持TCP／IP网络协议，但采用流媒体技术作为核心技术的系统并不占多数。视频会议技术上涉及到数据采集、数据压缩、网络传输等多项技术。流媒体并不是视频会议必须的选择，但是流媒体技术的出现为视频会议的发展起了很重要的作用。采用流媒体格式传数影音，使用者不必等待整个影片传送完毕，就可以实时的连续不断的观看，这样不但改善观看前的等待问题，也可以达到即时的效果。虽然损失了一些画面质量，但就视频会议来讲，并不需要很高的音视频质量。视频会议是流媒体的一个商业用途，通过流媒体还可以进行点对点的通信，最常见的例子就是可视电话。只要有一台已经接入互联网的电脑和一个摄像头，就可以与世界任何地点的人进行音视频的通信。此外，大型企业可以利用基于流技术的视频会议系统来组织跨地区的会议和讨论，从而节省大量的开支。一个实际的例子是美国第二大证券交易商从1998年开始，采用Starlight Network公司提供的流技术方案，为其分布在全球500多个城市和地区的分公司经纪人和投资咨询员实时提供到桌面的财经新闻，使他们的客户获取更多的投资利润。4 结 语    随着网络通信的不断发展，IPTV必将成为发展趋势，流媒体技术作为IPTV的关键技术之一，它的发展和应用倍受关注。虽然流媒体服务系统和传统的网络文件服务系统有许多相似之处，但是，流媒体技术更为强调对高速、稳定和边疆的寻体流的访问支持，以及对不同媒体同步的支持，从而确保媒体数据以最小的时延到达并在本地终端同步回放。由于当前的流媒体服务系统存在着对连续性、实时性的严格要求以及对数据巨量需要，现阶段的网络尚有些免为其难。随着计算机网络的进一步发展，网络带宽的不断扩大，网络多媒体平台将不断完善，流媒体技术必将会在未来的网络应用中发挥更大的作用。正如当初图像处理要求对计算机的影响一样，可以预见，流媒体服务系统也将对网络和终端的硬件和软件设计产生重大影响。