（应用数学专业论文）基于流媒体的视频点播系统的设计与实现.pdf

基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 摘要 网络视频点播在社会各行业中的应用越来越受到人们的关注。然 而，由于视频信息数据的大容量特点，而互连网的带宽有限，使得传 输数据的速率相对较慢，特别是对窄带用户来说，尤其如此，一定程 度上限制了视频点播在互联网应用卜的发展。流媒体技术作为一种新 的网络媒体传输方式，很好的解决了视频数据在互联网上的传输问 题。随着技术的不断发展，流媒体技术越来越广泛地应用到视频点播 系统中。 本文首先讨论了课题研究背景，简要介绍了视频点播技术，研究 了视频点播技术的特点，分析了视频点播技术的研究现状与应用前 景。接下来介绍了流媒体技术，流媒体技术是为解决网络传输大容量 的视音频数据而产生的一项应用技术。 在以上研究工作的基础上，提出了一个w i n d o w s 平台下的基于流 媒体的视频点播系统的设计方案。该方案采用了客户服务器模式， 将系统的设计问题分化为客户端的设计与服务器端的设计，这样简化 了系统设计的复杂度，在具体的实现上，客户端和服务器端又分别采 用了模块化的思想，简化了实现的难度。本文的重点是系统应用软件 的开发，涉及整个系统的框架结构的设计，系统软件的详细设计与具 体实现。在系统的实现中，采用了一些当前w i n d o w s 开发中流行的 技术来提高软件的性能，例如w i n d o w s 多线程设计等。文中还对一 些实现方法做了分析：所选择的客户，服务器模式的特点，w i n d o w s s o c k e t 开发技术，d i r e c t s h o w 开发等。 最后，在对工作进行总结的基础上，给出了一些对后续工作的建 议。 关键词：流媒体视频点播套接字多线程d i r e c t s h o w d e s i g na n di m p l e 匝n t a t i o no f av i d e oo nd e m a n ds y s t e m b a s e do ns t r e a 删gn 匝d i a a b s t r a c t 耽ea p p l i c a t i o n so fv i d e oo nd e m a n do ni n t e m e ti ne v e r yw a l ko f i i f eg e tm o r ea n dm o r ea r e n t i o n s h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c o fh i g hc a p a c i t yo fv i d e o i n f o r m a t i o na n dt h el i m i t e db a n d w i d t ho f i n t e r n e t ，t h es p e e do f t r a n s m i s s i o nd a t ai sm u c hs l o wr e l a t i v e l y , e s p e c i a l l y f o rn a r r o wb a n du s e r , w h i c hh a v er e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to fv i d e oo n d e m a n do ni n t e m e ta p p l i c a t i o n s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , a san e w k i n d o fn e t w o r km e d i at r a n s m i s s i o nw a y , h a v es o l v e d v i d e od a t a t r a n s m i s s i o np r o b l e mo ni n t e r n e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e di n t oi n t e r c o n n e c t i o nv i d e oo n d e m a n ds y s t e mm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l y i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fp r o b l e mf o r s t u d yf i r s t l y w ei n t r o d u c et h eb a s i ca s p e c t so fv i d e oo nd e m a n ds y s t e m ， s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n da p p l i c a t i o n p r o s p e c t o f v i d e oo nd e m a n dt e c h n o l o g y s e c o n d l y , w ei n t r o d u c e s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , w h i c hi s ak i n do fa p p l i e dt e c h n o l o g yt o s o l u t i o nt h ep r o b l e mo f t r a n s m i t t i n gt h ed a t ao f v i d e oa n da u d i ow i t hh i g h c a p a c i t yo nn e t w o r k o nt h eb a s i so fp r e v i o u sr e s e a r c hw o r k ，w ed e s i g nav i d e oo n d e m a n ds y s t e ms c h e m eb a s e do ns t r e a m i n gm e d i ao nw i n d o w sp l a t f o r m t h i ss c h e m eh a sa d o p t e dc l i e n t s e r v e rm o d e l ，b r e a ku ps y s t e md e s i g n p r o b l e mf o rt h ed e s i g n so fs e r v e ra n dc l i e n t ，h a v es i m p l i f i e dc o m p l e x d e g r e eo fs y s t e md e s i g n s o ns p e c i f i cr e a l i z a t i o n ，c l i e n ta n ds e r v e rh a v e a g a i na d o p t e dm o d u l a rc o n c e p t i o nr e s p e c t i v e l y , t h ee a s i e rd i f f i c u l t yt h a t i m p l e m e n t a t i o n t h ef o c a lp o i n to ft h i sp a p e ri st h ed e v e l o p m e n to f s y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fe n t i r es y s t e mf r a m e s t r u c t u r e ，s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o na n dt h ed e t a i l e dd e s i g no fs y s t e m s o f t w a r e t ot h e i m p l e m e n t a t i o no fs y s t e m ，w eu t i l i z es o m ep o p u l a r t e c h n o l o g i e si nc u r r e n tw i n d o w sd e v e l o p m e n tw h i c hi n c l u d ew i n d o w s s o c k e t d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , w i n d o w sm u l t i t h r e a dd e s i g ne t c m o r e o v e rw e a n a l y z e s o m e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，s e l e c t e d d i r e c t s h o wd e v e l o p m e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc l i e n t s e r v e rm o d e l e t c a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，o nt h ef o u n d a t i o no f s u m m a r i z i n gw o r k ， t h e r ea r es o m es u g g e s t i o n sf o rt h ef u t u r ew o r k k e yw o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a v i d e oo nd e m a n d ( v o d ) s o c k e t m u l t i t h r e a dd i r e c t s h o w 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之 本人签名：经! ! 到 处，本人承担一切相关责任。 问期 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：丝堕兰：丛 日期： 北京邮电大学硕士学位论文 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 1 1 选题背景 第一章绪论 互联网m 作为一种现代通信方式，目前已延伸到世界的每一个角落，作为一 种新的媒体和信息传播方式，同广播电视、报纸、杂志等传统媒体一样，互联网 已成为大家获取信息的重要来源之一。互联网的兴超和发展对广播电视事业来说 是极大的挑战，但同时也给广播电视事业带来了极大的发展机遇【2 】，利用互联网 的传播技术优势和灵活的传播理念来实现广播电视与互联网的强势联合、优势互 补，从而占领现代传播技术的制高点和宣传主动权，是互连网时代广播电视参与 网络并赢得发展机遇的关键，也是广播电视在互联网时代发展的必由之路。随着 宽带技术的普遍应用、解压缩技术的不断提高，视频点播越来越多的应用到了人 们的生活中。 视频点播 3 1 作为一种交互式多媒体通信业务，满足了人们“想看什么就看什 么，想什么时候看就什么时候看”愿望。它融合了互连网络和视频技术的优势， 彻底改变了过去收看多媒体节目的被动方式，采用主动请求多媒体节目，实现了 多媒体节日的按需收看和任意播放，为用户提供了实时的、交互的、按需的点播 服务系统。可以说，视频点播技术的出现，是视频信息技术领域的一场革命。 目前，在网络上传输视音频等多媒体信息通常有两种方式：下载方式和流式 传输。在采用下载方式时，用户不可避免的面临两个问题：客户端的存储容量和 播放启动延时的大小。由于视音频信息的容量一般都比较大，所以需要的存储空 间也会相应较大，同时由于网络带宽的限制，下载视音频数据常常要花费大量时 间，所以这种方式延迟也很大。采用流式传输时，声音、影像或动画等时基媒体 由音视频服务器向用户计算机的连续、 实时传送，用户不必等到整个文件全部 下载完毕，而只需经过几秒或十数秒的启动延时即可进行观看。当声音等时基媒 体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式不仅 使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输避免了 用户必须等待整个文件全部从互联网上下载才能观看的缺点，节约了时间和存储 空间。 流媒体指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体。流媒体在初创时 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现北京邮电大学硕+ 学位论文 期，最引人注日的应用是用于提高公司对客户进行技术支持的服务质量上。公司 可以借助流媒体技术的应用，将内部通讯、业务培训等活动通过企业内部网络丌 展起来，节约了大量资金。流媒体内容还可以添加到w e b 网站上，使技术咨询 变得更加形象、更加生动。 互联网的迅速发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，吸引着 越来越多的企业参与竞争，2 0 0 0 年1 2 月a p p l e 、c i s c o 、k a s e n n a 、p h i l i p s 和s u n 宣布成立互联网流媒体联盟( i s m a ) 1 5 1 ，意在共同推动流媒体市场，并制定相 应的丌放标准和实施协议。流媒体技术广泛应用j ：互联网多媒体新闻发布、在线 直播、网络广告、网络视频广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、 网络电台、网络电视台、实时视频会议等互联网的信息服务领域。流媒体技术的 应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活产生深远的影 响。 流媒体技术的核心是多媒体压缩编码算法和流式网络传输协议，目前主流的 压缩技术有r e a ln e t w o r k s 公司的r e a ls y s t e m ，m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sm e d i a t e c h n o l o g y ，a p p l e 和p h i l i p s 等公司倡导的i s o i e cm p e g 一4 以及d i v x 等。在 流式传输网络协议领域，i e t f 的开放标准r t p r t c p 、r t s p 协议族是跨平台的 唯一选择，而m i c r o s o f t 私有的m m s 协议不具备跨平台的能力。 虽然目前网上的视频播放的效果，画面大小还不如人意，但其发展势头非常 迅猛，与几年前相比已有了长足的进步。而自动根据网络的速度传输相应图像的 流媒体技术的普及应用，将促进视频点播应用的发展。 1 2 主要工作 本课题对视频点播的实现技术进行了深入的研究，并且最终设计了一种基于 流媒体的视频点播系统，具体完成的工作如下： 1 系统地研究、分析了视频点播技术，对视频点播系统有了整体的把握， 确定了视频点播系统需要完成的主要功能。 2 对流媒体技术做了较深入的研究，分析了流媒体技术的特点、原理、关 键技术，并对流媒体技术的应用情况做了了解。 3 分析了网络进程问通信最主要的应用模式客p n 务器模式，采用该 模式完成了基于流媒体的视频点播系统的总体设计和模块设计，并进行 了具体的代码设计和实现，该系统完成了预期设计的一些基本功能。 2 北京邮电大学硕士学位论文基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 1 3 论文结构 本文是基于流媒体的视频点播系统的设计与实现，文中对所涉及的相关知识 进行详细的介绍和阐述，并详细的介绍了整个系统的设计和实现。论文具体章节 安排如下： 第一章绪论，首先介绍了课题的研究背景，给出了本文的工作以及论文的结 构安排。 第二章视频点播技术概述，主要研究学习了视频点播的概念、系统结构、系 统组成部分、系统分类、系统关键技术等。 第三章流媒体技术，主要介绍了流媒体概念、流媒体技术基础、流媒体技术 原理、流媒体关键技术以及流媒体的应用情况。 第四章视频点播系统的设计与实现，主要介绍了系统的总体功能、系统整体 结构的设计、系统中各个模块的详细设计与实现。研究分析了网络应用系统模型， w i n d o w s 多线程设计开发，d i r e c t s h o w 开发技术。 第五章结束语，首先对论文做了总结，然后对后续工作提出了一些建议。 3 北京邮电大学硕士学位论文基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 第二章视频点播技术概述 网络多媒体的发展正处在一个初始阶段，这得益于两个方面：多媒体促进了 计算机的人性化，网络促进了计算机的普及化。传统计算机是面向计算而设计的， 其功能简单且操作复杂，因此制约了人们对计算机的应用，而多媒体则改变了这 一局面。狭义上，多媒体是指视频、音频等媒体技术；广义上，多媒体是指人机 交互的各种手段和方法。在计算机硬件水平按照摩尔定律飞速发展的过程中m 】， 视音频等媒体的存储、压缩、检索等技术逐渐成熟，多媒体技术进入了高速发展 时期。多媒体和人机交互技术在降低计算机使用难度的同时，还提高了信息的表 达能力，促进了计算机向人性化方向的发展。网络技术的发展则使大量信息涌入 人们的生活，人们对信息的渴望更促进网络的进一步普及和发展。互联网的发展 极大地提高人们获得信息的能力，世界正在变成一个“地球村”，人与人之间的 交互已经变得非常简单。在这样的背景下，网络多媒体的发展成为一个必然的结 果。 互联网的快速发展使得人们可以方便、快捷地访问到存放在不同物理位置的 服务器上的各种信息，成为一次新的信息技术革命。随着网络带宽和计算机处理 能力的提升，人们把注意力转向了连续媒体，越来越多的人们希望能够通过网络 欣赏热门的音乐、观看最新的影视节目。瓦联网已经从一个静态数据内容( 文本、 图像) 占主导地位的阶段快速地发展成为一个包含静态媒体内容和连续媒体内容 的综合的信息资源库，视频点播将是网络多媒体重要应用之一。 2 1 视频点播系统的构成 一般情况下，一个视频点播系统主要由i 部分构成：服务器端系统、网络通 信系统、客，。端系统。系统结构如图2 - - 1 所示： f 至匿下堕 童 图2 1 视频点播系统的结构 5 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 北京邮电大学硕士学位论文 视频点播系统的一般工作过程为：在客户端，用户通过网络发出通信呼叫， 向服务器发出连接请求。该请求到达并被服务器的网卡接收，传给服务器。经过 请求验收后，服务器把存储子系统的节目名单准备好，并在用户屏幕上显示可点 播节目单。用户选择需要点播的节目后，服务器从存储子系统中取出节目内容的 视像数据流。通过高速传输网传送到客户端，然后在客户端进行播放。下面对 v o d 系统的各构成部分作简要介绍。 2 1 1 服务器端系统 服务器端系统通常主要由视频服务器、信息管理调度服务器、内部通信子系 统和网络通信接口组成。 信息管理凋度服务器主要包括：用户信息管理子系统、计费子系统、多媒体 材料管理子系统和安全保密子系统。 内部通信子系统主要完成服务器间信息的传递、后台多媒体资料和数据的交 换。 网络通信接口主要实现与外部网络的数据交换和提供用户访问的接口。 视频服务器主要由存储设备、高速缓存和控制管理单元组成，其目标是实现 对媒体数据的压缩和存储，以及按请求进行媒体信息的检索和传输。 视频服务器与传统的数据服务器有许多显著的不同，需要增加许多专用的软 硬件功能设备，以支持该业务的特殊需求。例如：媒体数据检索、信息流的实时 传输以及信息的加密和解密等。对于交互式的v o d 系统来说，服务端系统还需要 实现对用户实时请求的处理、访问许可控制、v c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ) 功 能( 如，快进、暂停、重放等) 的模拟。 2 1 2 网络通信系统 网络通信系统负责视频信息流的实时传输，包括主干网络和本地网络两部 分。因为它负责视频信息流的实时传输，所以是影响连续媒体网络服务系统性能 极为关键的部分。同时，媒体服务系统的网络部分投资巨大，故而在设计时不仅 要考虑当前的媒体应用对高带宽的需求，而且还要考虑将来发展的需要和向后的 兼容性。当前，可用于建立这种服务系统的网络物理介质主要是：c a t v ( 有线电 视) 的同轴i 乜缆、光纤和双绞线。而采用的网络技术主要是：快速以太网、f d d i 和a t m 技术。 6 北京邮电大学硕士学位论文 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 2 1 3 客户端系统 客户端系统是用户与服务器建立连接并进行交互操作的平台，需要一定的终 端设备来实现。在实际v o d 系统中，可以采用电视机加机顶盒或者计算机作为 用户终端实现。在客户终端系统中，除了涉及相关的硬件问题外，还需要处理与 之相关的各种软件技术问题。例如，为了满足用户的多媒体交互需求，客户系统 的界面必须加以改造。此外，在进行连续媒体播放时，媒体流的缓冲管理、声频 与视频数据的同步、网络中断与播放中断的协调等问题都需要进行充分的考虑。 2 2 视频点播系统的分类 根据不同的功能需求和应用场景，主要有三种v o d 系统：准视频点播系统、 真实视频点播系统、交互式视频点播系统。 1 准视频点播系统 n v o d ( n e a rv i d e oo nd e m a n d ) ，也称其为就近式点播系统。也就是说，这 种点播系统还称不上真正的点播系统。这种点播系统的运行方式是：多个视频流 依次间隔一定的时间启动发送同样的视频内容。例如，有十二个视频流，每隔十 分钟启动一个来发送同样的多媒体节目。用户可以随意选择其中的一个视频流， 但是，如果用户想要进行快进、倒退等操作时，就要进行视频流的切换。在这种 方式下，一个视频流可以共享给许多用户，给用户的操作带来了不便，但该技术 减少了用户的连接数，从而节省了网络带宽。 2 真实视频点播系统 t v o d ( r u ev i d e oo nd e m a n d ) ，它是真正支持即点即放的系统。当用户提 出点播请求时，视频服务器将会根据请求情况立即传送用户所需的视频内容。若 有另一个用户提出了同样的视频需求，视频服务器就会立即为他再启动另一个传 输同样内容的视频流。不过，一旦视频流开始播放，就要连续不断的播放下去， 直到该视频播放结束。这种方式卜 ，视频服务器为不同的用户建立了不同的数据 流，每一个用户对应一个单独的连接，每个连接需要占用一定的网络带宽，即每 个视频流专为某个特定的用户服务。 3 交互式视频点播系统 i v o d ( i n t e r a c t i r ev i d e oo nd e m a n d ) ，相比前两种点播系统，这种系统有 了很大程度上的改进。该系统不仅可以支持即点即放的功能，而且还可以让用户 对视频流进行交互式的控制。这种方式f ，用户就可像操作传统的录像机一样， 实现多媒体节目的播放、暂停、倒回、快进和自动搜索等复杂的交互操作。 7 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现北京邮电大学硕士学位论文 2 3 视频点播系统特征 1 信息流向的不对称性 对于大多数双向通信系统来说，信息通路两个方向上的信息流量是对称的， 系统要为通信的双方提供同等的通信能力，而v o d 采用不对称的双向传输网络将 信息提供者与用户连接起来，用户信息通过窄带的e 行信道传到信息中心，而由 信息中心到用户的下行信道则是具有视频音频传输能力的宽带信道，这是一种非 对称、双工形式的多媒体通信技术，与多媒体信息检索业务的特点是一致的。 2 点播信息内容和点播时间的集中性 对丁v o d 系统的广大用户来说，点播的信息内容往往集中在信息中的很小一 部分，同时用户点播信息的时问分布也是不均匀的，这正是造成信息流量突发的 根本原因。 3 信息发送以及重现的实时性与同步要求 r o d 系统的信息发送以及重现的实时性与同步要求都较其它信息检索系统高 特别是对视频音频信息的点播必须保证视频媒体与音频媒体内部的自同步以及 媒体问的同步，这对系统的延时及抖动特性均提出了较高要求。 4 用户请求的主动性 用户可以坐在客户终端系统前，在可能的条件下选择自己所喜欢的多媒体节 目。也就是说，用户在选择和欣赏多媒体节目方面是主动的。 2 4 视频点播的关键技术 视频点播系统是一个复杂的系统，是随着计算机技术( 特别是多媒体数据压 缩解压缩技术) 和网络通信技术的发展，综合了计算机、网络通信、电视技术而 迅速兴起的- - i 综合性技术。概括来讲主要有三大关键技术，即多媒体数据压 缩技术、多媒体网络传输技术、多媒体数据库技术。下面对他们进行简要介绍。 2 4 1 多媒体数据压缩技术 多媒体数据压缩技术是多媒体技术中最为关键的核心技术，其研究内容包 括：数据压缩比、压缩解压缩速度以及简捷快速的压缩算法。以压缩解压缩后 8 北京邮电大学硕士学位论文基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 的数据是否与压缩前的原始数据完全一致作为标准，可将数据压缩方法划分为无 失真压缩( 可逆压缩) 和有失真压缩( 不可逆压缩) 两类。 主要的视频压缩标准有h 2 6 1 、j p e g 和m p e g 等。m p e g 标准是一种在高压缩 比的情况下，仍能保证高质量画面的压缩算法，最适于视频v o d 的存储、点播和 网上传输。m p e g 压缩技术，作为一种压缩标准，促进了多媒体相关技术的发展， 对于v o d 这样的应用系统的产生和发展有重要作用。 2 4 2 多媒体网络传输技术 高速接入网和高速互联互通的传输网为v o d 系统的实现提供了强有力的保 障。v o d 中的视音频数据时间相关性很强，对网络传输的延迟特别敏感，带宽和 实时性要求尤为突出。因此，应保证在任意的网络交换能力下提供给用户可靠稳 定的带宽及高传输速率，具备合理动态分配网络带宽以适应多媒体数据高速率和 突发性传输的要求，以保证实现高质量、平1 埘和动态视频的多媒体数据流传输。 2 4 3 多媒体数据库技术 由于多媒体的数据量非常巨大，所以随着应用的扩展，系统会积累大量的多 媒体数据，v o d 的数据库管理系统必须保证用户能迅速方便地找到所需的多媒 体，有效地完成对多媒体的各种管理任务。v o d 系统的结构设计直接影响着事 例性能，因此在v o d 系统的结构设计中必须采用优化策略，可以利用数字图书 馆技术，其基本原理是多媒体存储部分与系统管理、检索等信息处理部分在逻辑 上分开实现，以提供清晰的逻辑，其优点首先是易于用户理解、操作和使用；其 次，利于全球系统设计、规划和实现，同时便于系统维护和管理，而且可以在构 建系统时，可选择不同的配置以实现系统的高性能，提高多用户并发访问的效率。 2 5 视频点播的现状与前景 目的，世界各国都在研究开发提供视频点播的实验和服务。在亚洲，韩国的 k t 公司己经推出了其视频点播业务。目本的n e c 等公司开发了大型的视频服务器， 并在东京地区建设了大规模的视频点播实验平台。在我国，从上世纪9 0 年代开始， 就有很多研究开发单位着手进行视频点播实验和开发。 进入2 l 世纪，全国大部分省会城市及经济发达地区相继开展了视频点播业务。 9 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现北京邮电大学硕士学位论文 与此同时，各种小型的视频点播在我国也飞速发展，基于小型服务器和局域网环 境的公司培训用的视频点播系统，旅馆娱乐用的视频点播系统，学校教学用的视 频点播系统都己大量出现，尽管这些系统目前尚有不少缺陷和使用的局限性，但 它毕竟标志着视频点播系统己经走近了我们的f i 常生活。 由于v o d 系统具有广泛的应用前景和显著的经济、社会效益，有实力的公司和 研究机构都加大投资力度开发v o d 产品。v o d 产品可分为两类，其一是以计算机硬 件和电视技术为基础的视频服务器系统，其二是基于网络的v o d 软件系统。目前， 国外比较著名的视频服务器产品主要有：n c u b e 公司的m e d i a c u b e ，f v c 的 v - c a c h e 、s g i 的c h a l l e n g e 等。它们主要从硬件体系结构上对服务器进行专门设 计，再配以适当的管理软件或专有的操作系统实现对硬件的管理。从软件角度实 现的系统有o r a c l e 的o v s 系统、c i s c o 的i p t v ，r e a l n e t w o r k 的r e a l s y s t e m 等。 在当今社会向高度信息化迈进的时代，v o d 作为最形象、最直接、最合乎用户 需求的信息服务手段之一，必将在今后的信息高速公路上传送最多的信息，对社 会产生重大影响，给人们带来巨大的经济效益，成为信息产业的一个新的经济增 长点。 2 6 小结 本章主要介绍了视频点播技术，视频点播是二十世纪9 0 年代发展起来的一 项应用技术，就是根据观众的要求播放多媒体节目的系统。视频点播系统的构成： 服务器端系统，网络通信系统、客户端系统，分别简要介绍了个组成部分。根据 不同的功能需求和应用场景，视频点播系统主要分三种：准视频点播系统、真实 视频点播系统、交互式视频点播系统。作为一种交互式的系统，视频点播系统有 以下特征：信息流向的不对称性、点播信息内容和点播时间的集中性、信息发送 以及重现的实时性与同步要求、用户请求的主动性。 视频点播是随着计算机技术( 特别是多媒体数据压缩解压缩技术) 和网络通 信技术的发展，综合了计算机技术、网络通信技术、电视技术而迅速兴起的一门 综合性技术。可以说它的出现，从某种意义上讲是视频信息技术领域的一场革命。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 3 1 流媒体概念 第三章流媒体技术 随着现代网络通信技术的发展，网络开始带给人们形式多样的信息。从在网 络上出现第一张图片到现在各种形式的网络视频、三维动画，人们的视听觉在网 络上得到了很大的满足。但人们又面临着另外一种不可避免的尴尬：在网络上看 到生动清晰的媒体演示的同时，不得不为等待传输文件而花费大量时间。为了解 决这个矛盾，一种新的媒体应用技术应运而生，这就是流媒体技术。 所谓流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是指在网络中使用流式传输技术的连续时基 媒体，如音频、视频或多媒体文件。显然，流媒体实现的关键技术就是流式传输。 而流式传输技术就是把连续的声音和图像信息经过压缩处理后放到网站服务器 上，让用户一边下载一边收听观看，而不需要等待整个文件下载到自己的机器后 才可以观看的网络传输技术。在这种传输方式下，即使在网络非常拥挤或很差盼 拨号连接条件下，也能提供清晰、不中断的视音频媒体信息给客户，从而使得窄 带互联网传输多媒体成为可能。 3 2 流媒体技术 3 2 1 流媒体技术基础 实现流式传输有两种方法7 1 8 1 ：顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a n f i n g t r a n s p o r t ) 和实时流式传输( r e a l t i m es t r e a m i n gt r a n s p o r t ) 。实际应用中采用哪种 传输方法可以根据需要进行选择。 1 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可以在线观看媒体信息， 在给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分。顺序 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现北京邮电大学硕士学位论文 流式传输不像实时流式传输那样，在传输期间根据用户连接的速度做调整。由于 标准的h t t p 服务器可提供顺序流式传输服务，也不需要其他特殊协议，所以顺 序流式传输经常被称作h t t p 流式传输。顺序流式传输比较适合高质量的短片段， 如片头、片尾和广告，由于该文件在播放前观看的部分是无损下载的，这种方法 保证了多媒体播放的最终质量。但这也意味着用户在观看前，必须经历延迟，对 较慢的连接尤其如此。 对通过调制解调器发布短片段，顺序流式传输显得很实用，它允许用比调制 解调器更高的数据速率创建视频片段。尽管有延迟，毕竟可让你发布较高质量的 视频片段。 顺序流式文件是放在标准h t t p 或f t p 服务器上，易于管理，基本上与防火 墙无关。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视频，如：讲座、演说 与演示。它也不支持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。 2 实时流式传输 实时流式传输是指保证媒体信号带宽与网络连接带宽相配匹，使媒体可以被 实时得看到。实时流与h t t p 流式传输不同，他需要专用的流媒体服务器与传输 协议。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户 可快进或后退以观看前面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就可不停止， 但实际上，可能发生周期暂停。 由于实时流式传输必须配匹连接带宽，这就意味着在以调制解调器速度连接 时图象质量较差。而且，如果因为网络拥塞或出现其它问题而导致出错和丢失的 信息被忽略掉，那么视频质量也会很差。实时流式传输需要专用的流媒体服务器， 如q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 、r e a l s e r v e r 与w i n d o w sm e d i as e r v e r 。这些 服务器允许对媒体发送进行更多级别的控制，因而系统在设置、管理方面要比标 准h t t p 服务器更加复杂。实时流式传输还需要特殊网络协议支持，如：r t s p ( r e a l t i m es r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 等。这些协议在有防火墙时可能会出现一些问 题，导致用户不能看到一些实时内容。 3 2 2 流式传输的特点 1 2 流式传输与单纯的下载方式相比，有以下优势： i 启动延时大幅度地缩短 北京邮电大学硕士学位论文 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 在采用流式传输方式的系统中，用户不必像非流式播放那样等到整个文件全 部下载完毕后才能欣赏多媒体内容，而是只需经过几秒或几十秒的启动延时就可 以欣赏了，大大缩短了启动延时。 2 对系统缓存容量的需求大大降低 由于互联网是以包传输为基础进行断续的异步传输，数据被分解为许多包在 网络上进行传输，动态变化的网络使各个数据包可能选择不同的路由，故到达用 户计算机的时间延迟也就不同。所以，在客户端需要缓存系统来弥补延迟和抖动 的影响和保证数据包传输顺序的正确，使媒体数据能够连续输出，不会因网络暂 时拥堵而使客户端的播放出现停顿。虽然流式传输仍需要缓存，但由于不需要把 所有的动画、视音频内容都下载到缓存中，因此，对系统缓存的要求大大降低。 3 流式传输的实现有特定的实时传输协议 采用r t p ( r e a l t i m et t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 、r t s p 等实时传输协议，更加适合视音频多媒体信息在网络上的流式 传输。 3 2 3 流媒体技术原理 流式传输的实现需要合适的传输协议。由于t c p 传输需要较多的开销，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h t t p t c p 来传 输控制信息，而用实时传输协议用户数据报协议( r t p 八j d p ) 来传输实时数据。 流式传输的实现需要缓存。因为一个实时视音频源或存储的视音频文件在传 输中被分解为许多数据包，而网络又是动态变化的，各个数据包选择的路由可能 不相同，故到达客户端的时延也就不同，甚至先发的数据包有可能后到。为此， 需要使用缓存系统来消除时延和抖动的影响，以保证数据包顺序的正确，从而使 媒体数据能够连续输出。通常高速缓存所需容量并不大，因为通过丢弃已经播放 的内容可以重新利用空出的空间来缓存后续尚未播放的内容。 流式传输的过程般如下： 用户选择某一流媒体服务后，w e b 浏览器与w e b 服务器之间使用 h t t p t c p 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； w e b 浏览器启动音视频客户程序，使用h t t p 从w 曲服务器检索相关参 数来对视音频客户程序初始化，这些参数可能包括目录信息、视音频数据的编码 类型或与视音频检索相关的服务器地址； 视音频客户程序及音视频服务器运行实时流传输协议，以交换音视频传输 所需的控制信息，实时流传输协议提供执行播放、快进、快倒、暂停及录制等命 1 3 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现北京邮电大学硕士学位论文 令的方法； 视音频服务器使用r t p u d p 协议将视音频数据传输给视音频客户程序， 一旦视音频数据抵达客户端，视音频客户程序即可播放输出。 需要说明的是，在流式传输中，使用r t p u d p 和r t s p t c p 两种不同的通 信协议与视音频服务器建立联系，目的是为了能够把服务器的输出重定向到一个 非运行视音频客户程序的客户机的目的地址。另外，实现流式传输一般都需要专 用服务器和播放器。流媒体技术的原理如图3 1 所示： j ? 竺f 二= ! ：! ! 3 3 流媒体关键技术 为了在网络上实现较好的流媒体播放质量，需要考虑流媒体传输的所有环 节。其中，影响传输质量的三个最关键的因素是：编码和压缩的性能和效率，媒 体服务器的性能，媒体流传输的质量控制。 3 3 1 视频压缩编码 影响流媒体压缩编码性能的主要因素有压缩效率和编码的冗余性和可靠性。 压缩效率要求在保证一定视音频质量的前提下，媒体流的码流速率尽量的低。由 于流媒体的特性，要考虑网络中传输数据丢失对解码质量的影响。为此，可以采 用先进的编码技术，比如错误弹性编码( e r r o r - - r e s i l i e n te n c o d i n g ) ，在编码中 通过适当的控制使得发生数据丢失后能够最大限度的减少对质量的影响。在互联 网络环境下，最典型的方法是多描述编码( m u l t i p l ed e s c r i p t o rc o d i n g ，m d c ) 。 m d c 把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应一种描述，都可以提供可接 受的视觉质量。多个描述流结合起来可以提供更好的质量。 另外，流媒体的压缩编码还要提供速率调节的能力，因为网络的拥塞状况是 不断变化的，流媒体的编码必须能够适应网络速率的变化。一种方法是采用可扩 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 展的层次编码，将多媒体数据压缩编码成多个子位流，其中一个可以独立解码， 产生粗糙质量的视频序列，它适应最低的网络带宽，称为基本码流；其他的子位 码流可以按层为单位在任何地点截断，称为增强层，用来覆盖网络带宽变化的动 态范围，它们不可以单独解码，而只能与基本层和它以前的增强层结合在一起解 码，用来提高观看效果。 3 3 2 媒体服务器 随着流媒体规模的扩大，流媒体服务器的性能成为制约流媒体服务扩展能力 的重要因素：流媒体服务器性能的关键指标是流输出能力和能同时支持的并发请 求数量。影响流媒体服务器性能的因素很多，包括c p u 能力，i o 总线，存储带 宽等。因为单个流媒体服务器的并发数都相对的比较小，因此很多服务器都采用 了大规模并行处理的结构来获得更好的性能。例如采用超立方体的结构将各个流 媒体服务单元连接起来。还有一种方法就是采用简单的p c 集群方式，多个p c 流媒体服务器用局域网连接，前端采用内容交换，负载均衡器将流媒体服务的请 求分布到各个p c 媒体服务单元。后一种方式性能稍低，但成本低、易实现。 当媒体服务器响应客户的视频流请求以后，它从存储系统读入一部分视频数 据到对应于这个视频流的特定缓存中，再把缓存的内容通过网络接口发送给相应 客户，保证视频流的连续输出。目前存在三种类型的视频服务器结构： 通用主机方法。采用计算机主机作为视频服务器。它的主要功能是存储、 选择、传送数据。缺点是系统成本高而且不利于发挥主机功能。 紧祸合多处理机。把一些可以大量完成某指令或者专门功能的硬件单元组 合成的专用系统级联起来，就构成了紧耦合多处理机实现的视频服务器。这种服 务器费用低、性能高、功能强，但是扩展性较差。 调谐视频服务器。这种服务器主板上有一个独特微码的嵌入式仿真器控 制。通过在主板中插入更多的服务通路，可以方便地进行扩展 3 3 3 流媒体传输 由于流媒体传输对网络带宽、延时、丢失率等都有很高的要求，而目前的互 联网只提供了b e s t - 七f f o r t 的服务，对带宽资源和服务质量的控制能力都比较弱， 在互联网上传输流媒体需要采用些应用层的质量控制机制来解决传输中的问 题。最常用的方式是采用速率适应机制，基本方法是通过一定的速率反馈机制， 利用流媒体的速率层次编码能力，在媒体服务器端动态的调节流媒体的传输速 1 5 基于流媒体的视频点播系统的设计与实现 北京邮电大学硕士学位论文 率，保证客户端在网络可用带宽变化的时候也能正常的欣赏多媒体节目。速率适 应机制附以差错控制和冗余控制能够有效的保证流媒体的正常收看。 3 4 流媒体技术应用 采用流媒体技术，数据能够以稳定的速率从发送端传送到接收端，而接收端