流媒體技術(shù)及其應(yīng)用

2019-11-03 09:30:40

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供稿：網(wǎng)友

□北方交通大學(xué) 馮玉珉劉亞偉尉明明　　互聯(lián)網(wǎng)的普及和多媒體技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用，迫切要求能解決實時傳送視頻、音頻、計算機動畫等媒體文件的技術(shù)。在這種背景下，流式傳輸技術(shù)及流媒體應(yīng)運而生。

　　流媒體是指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)時基媒體，與傳統(tǒng)的單純下載相比較，流媒體具有明顯的優(yōu)點：由于不需要將全部數(shù)據(jù)下載，因此等待時間可以大大縮短；由于流文件往往小于原始文件的數(shù)據(jù)量，并且用戶也不需要將全部流文件下載到硬盤，從而節(jié)省了大量的磁盤空間；由于采用了RSTP等實時傳輸協(xié)議，更加適合動畫、視頻音頻在網(wǎng)上的實時傳輸。

　　一、流媒體的技術(shù)特征

　　流媒體的主要技術(shù)特征就是采用流式傳輸，即通過Internet 將影音節(jié)目傳送到PC機。實現(xiàn)流式傳輸有兩種方法：順序流式傳輸（PRogressive streaming）和實時流式傳輸（Real-time streaming）。

　　順序流式傳輸采用順序下載方式，用戶可以觀看在線媒體節(jié)目。但是在給定時刻，用戶只能觀看已下載的那部分，而不能跳到還未下載的前序部分；它不能根據(jù)用戶的連接速度做調(diào)整。由于標(biāo)準(zhǔn)的HTTP服務(wù)器可發(fā)送這種形式的文件，而不需要其他特殊協(xié)議，它經(jīng)常被稱作HTTP流式傳輸；順序流式傳輸方式適合高質(zhì)量的短片段，如片頭、片尾和廣告，媒體文件在播放前觀看的部分是無損下載的，QoS高；順序流式文件放在標(biāo)準(zhǔn)HTTP 或 FTP服務(wù)器上，易于管理，基本上與防火墻無關(guān)。順序流式傳輸不適合長片段和有隨機訪問要求的視頻、講座、演說與演示，它也不支持現(xiàn)場廣播。嚴(yán)格說來，它是一種點播技術(shù)。

　　2．實時流式傳輸

　　實時流式傳輸保證媒體信號帶寬與網(wǎng)絡(luò)連接相匹配，使媒體可被實時觀看到。實時流與HTTP流式傳輸不同，需要專用的流媒體服務(wù)器與傳輸協(xié)議。實時流式傳輸特別適合現(xiàn)場事件，也支持隨機訪問，用戶可快進或后退以觀看前面或后面的內(nèi)容。理論上，實時流一經(jīng)播放就可不停地收看，但實際上，可能會發(fā)生周期暫停。

　　3．二者比較

　　（1）從視頻質(zhì)量上講，實時流式傳輸必須匹配連接帶寬，由于出錯丟失的信息被忽略掉，網(wǎng)絡(luò)擁擠或出現(xiàn)問題時，視頻質(zhì)量會很差；如欲保證視頻質(zhì)量，順序流式傳輸更好。

　　（2）實時流式傳輸需要特定服務(wù)器，如QuickTime Streaming Server、Real Server與Windows Media Server，這些服務(wù)器允許對媒體發(fā)送進行更多級別的控制，因而系統(tǒng)設(shè)置、管理比標(biāo)準(zhǔn)HTTP服務(wù)器更復(fù)雜。

　　火墻時有時會出現(xiàn)問題，導(dǎo)致用戶不能看到一些地點的實時內(nèi)容；而順序流式傳輸與防火墻無關(guān)。

　　二、視頻服務(wù)器硬件平臺

　　目前有三種類型的視頻服務(wù)器結(jié)構(gòu)：通用主機（最早使用），緊耦合多處理機，調(diào)諧視頻服務(wù)器。視頻服務(wù)器把存儲的視頻信息，以視頻流的形式，通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給相應(yīng)的客戶，同時響應(yīng)客戶的交互請求，保證視頻流能夠連續(xù)輸出。在響應(yīng)客戶的視頻請求后，從存儲系統(tǒng)讀入一部分視頻數(shù)據(jù)，到對應(yīng)于這個視頻流的特定緩存中，然后此緩存中的內(nèi)容送入網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到客戶。當(dāng)一個新的客戶請求視頻服務(wù)時，服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)資源的使用情況決定響應(yīng)速度與服務(wù)質(zhì)量，諸如存儲I/O的帶寬、網(wǎng)絡(luò)帶寬、內(nèi)存大小和CPU的使用率。　　在實時輸出視頻流的過程中，一方面，為避免引起畫面的抖動，服務(wù)器必須以恒定的速率播放，如MPEG-1 1.5Mbit/s的恒比特流；另一方面，視頻流中包含的多種信號必須保持同步，如音唇失步< 40ms。另外，視頻流具有數(shù)據(jù)量大的特點，它在存儲系統(tǒng)上的存放方式，直接影響視頻服務(wù)器提供的交互服務(wù)，如快進和快倒等功能的實現(xiàn)。因此，視頻服務(wù)器必須解決視頻流特性提出的各種要求。

　　三、流媒體傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議及傳輸流程

　　TCP需要較多的開銷，故不太適合傳輸實時數(shù)據(jù)；流式傳輸一般采用HTTP/TCP來傳輸控制信息，而用RTP/UDP來傳輸實時聲音數(shù)據(jù)。

　　 1．流媒體多層協(xié)議

　　（1）實時傳輸協(xié)議RTP

　　實時傳輸協(xié)議RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現(xiàn)流同步；RTP通常使用UDP來傳送數(shù)據(jù)，但RTP也可以在TCP或ATM等其他協(xié)議之上工作；當(dāng)應(yīng)用程序開始一個RTP會話時將使用兩個端口：一個給RTP，一個給RTCP。RTP本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)；通常RTP算法并不作為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)，而是作為應(yīng)用程序代碼的一部分。

　　（2）實時傳輸控制協(xié)議RTCP

　　實時傳輸控制協(xié)議RTCP和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)；在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包；RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。

　　RTP和RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)。

　　（3）實時流協(xié)議RTSP

　　實時流協(xié)議RTSP定義了一對多應(yīng)用程序如何有效地通過ip網(wǎng)絡(luò)傳送多媒體數(shù)據(jù)；RTSP在體系結(jié)構(gòu)上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成數(shù)據(jù)傳輸；HTTP與RTSP相比，HTTP傳送HTML超鏈接文檔，而RTSP傳送的是多媒體數(shù)據(jù)；HTTP請求由客戶機發(fā)出，服務(wù)器做出響應(yīng)；使用RTSP時，客戶機和服務(wù)器都可以發(fā)出請求，即RTSP可以是雙向的。

　　（4）資源預(yù)訂協(xié)議RSVP

　　由于音頻和視頻數(shù)據(jù)流比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的延時更敏感，要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸高質(zhì)量的音頻、視頻信息，除帶寬要求之外，還需其他更多的條件；RSVP是正在開發(fā)的IP網(wǎng)上的資源預(yù)訂協(xié)議，使用RSVP預(yù)留一部分網(wǎng)絡(luò)資源（即帶寬），能在一定程度上為流媒體的傳輸提供QoS。

　　2．流媒體關(guān)系鏈

　　（1）交換控制信息

　　客戶機與服務(wù)器間在HTTP／TCP協(xié)議上交換控制信息；可把原始信息中需要傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)檢索出來；此后，客戶機上的Web瀏覽器啟動A／V Helper程序，使用HTTP協(xié)議從服務(wù)器檢索相關(guān)參數(shù)（目錄、A／V編碼類型以及A／V服務(wù)器地址）。

　　（2）提供操作指令/功能

　　流傳輸運行RTSP交換實時流控制信息，例如播放、快進、快倒、暫停、錄制等操作；另外，RTSP還可以控制單個／多個同步時序的連續(xù)媒體流。

　　（3）流式傳輸播放

　　實時數(shù)據(jù)由RTP／UDP傳輸（與流式傳輸服務(wù)器交互）；HTTP作為應(yīng)用層，依賴傳輸層TCP構(gòu)成通路；由于TCP不考慮時間信息，不適于多媒體流傳輸。

　　3．流媒體實時傳輸流程

　　四、流媒體的主要應(yīng)用

　　互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展和普及為流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供了強大的市場動力，流媒體業(yè)務(wù)正變得日益流行。流媒體技術(shù)廣泛用于在線直播、視頻點播、遠(yuǎn)程教育、多媒體新聞發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)廣告、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)電臺、實時視頻會議等互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)的方方面面，它的應(yīng)用將為網(wǎng)絡(luò)信息交流帶來革命性的變化，對人們的工作和生活將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　1．Internet視頻直播

　　流媒體的視頻直播應(yīng)用突破了網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，實現(xiàn)了在低帶寬環(huán)境下的高質(zhì)量影音傳輸，其中的智能流技術(shù)保證不同連接速率下的用戶，可以得到不同質(zhì)量的影音效果。此外，流媒體的多址廣播（Multicast）技術(shù)可以大大減少服務(wù)器端的負(fù)荷，同時最大限度地節(jié)省了帶寬。

　　2．校園視頻網(wǎng)

　　校園網(wǎng)的建設(shè)近幾年來也逐漸呈現(xiàn)出蓬勃向上的態(tài)勢，隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是多媒體傳輸技術(shù)的突破，使網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)得以實現(xiàn)。現(xiàn)在已經(jīng)有許多成熟的產(chǎn)品，如Cisco公司的IP/TV，可以用來組建校園視頻網(wǎng)，提供實時廣播、定時廣播、視頻點播三種通信模式。

　　3．遠(yuǎn)程教育

　　就目前來講，能夠在互聯(lián)網(wǎng)上進行多媒體交互教學(xué)的技術(shù)多為流媒體，像Real System、Flash、Shockwave等技術(shù)就經(jīng)常應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中。隨著網(wǎng)絡(luò)及流媒體技術(shù)的發(fā)展，越來越多的遠(yuǎn)程教育網(wǎng)站開始采用流媒體作為主要的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式。

　　4．寬窄帶會議電視

　　目前符合H.323以及H.264的會議電視系統(tǒng)均采用流媒體技術(shù)；按照ITU－T等國際標(biāo)準(zhǔn)，實施IP會議比電信網(wǎng)環(huán)境更為復(fù)雜，大多數(shù)產(chǎn)品均采用Intranet或VPN；至于實時流問題，可采用電信網(wǎng)出口接路由器，實現(xiàn)大規(guī)模、大區(qū)域會議，但QoS又難以保證，是亟待解決的問題之一；在信息安全方面，有的公司產(chǎn)品推出三級安全措施的VPN網(wǎng)關(guān)，QoS較好；目前許多部門正在研發(fā)寬窄帶互通、不同制式終端、不同速率的媒體流。在真正的IP環(huán)境中實現(xiàn)實時、多點交互、高清晰度的會議系統(tǒng)時，如何保證流媒體特點，比一般視頻技術(shù)應(yīng)用難度更大。

摘自《通信世界》

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