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具有数字版权保护的视频点播系统的研究与实现 摘要 多媒体技术和网络技术的发展，给人们带来了丰富多彩的视听娱 乐的数字产品。越来越多的人选择了网络，并愿意在网络上享受一种 自由的交互式地观看语音视频节目方式，这一切都为视频点播( v o d ) 技术的发展创造了良好的条件。但是大量盗版现象严重地损害了生产 商和著作者的积极性，v o d 产品市场迫切需要加强版权保护工作的 手段。 本论文通过考察目前市场上的几种视频点播模式，分析市场对多 媒体版权保护的具体功能需求，研究适合v o d 系统的数字版权管理 ( d r m ) 框架，将d i t m 引入到v o d 系统中。最终设计并实现了一 个全新的具有d r m 的v o d 系统。推动了d r m 技术的发展和v o d 的行业应用，具有较大的经济效益和社会效益。 具体而言，本论文主要完成了以下几项工作： ( 1 ) 提出了一种动态迁移的调度算法，设计和实现了调度子系统并对 其性能进行了测试。 ( 2 ) 参与设计d r m 结构，测试d i t m 的性能并改进优化使其性能大大 提高，达到商业运营的目标。 ( 3 ) 分析研究多媒体编解码标准和文件格式，完成了媒体文件添加提 取水印和媒体文件加解密的算法及实现，实现了打包器的功能。 ( 4 ) 通过以上研究，实现了一个能达到基本实用的核心系统。 关键词：数字版权管理视频点播调度算法多媒体m p e g t h ei 巴l e m e n 枷o na n dr e s e a r c ho fav o d s y s t e m 、1 t hd r m a b s t r a c t t h er 印i dd e v e l o p m e n t 锄dw i d ea p p l i c “o no ft t l em u l t i m e d i a t e c l l i l o l o g i e s a i l dn 咖0 r kt e c h n o l o g i e sb r i n g s p e o p l ec o l o r f h ld i g i t a l p r o d u c t sa b o u tv i 出矧乱d i oe n t e n a i 衄e n t ，m o r c 锄dm o r cp e o p l ep r e f 打 t ow a t c h i n gv i d c 0i i l t 啪c t i v e l yo ni n t 咖e t a uo ft h e s ec r e a t ec x c e l l e m c 彻d i t i o no fm ed e 、r e l o p m e n to fv o d ( d 。o 伽d 锄a 1 1 d ) t e c l l n o l o 夥 h o w e v e r t h ei n c r e a s e dp i r a t eh u r tt h ee m h u s i a s mo fp r o d u c e r 觚d c o m p o s e r t h ev o d m a r k c tn c e d sad i g i t a lr i g h t sp r o t e c t i o nm e c h a l l i s m e x a c t l y o nt h i sp 印s e v e m lv i d e 0s e n r i c ep 挑柚dt h es p e c i f i cm 矾 r e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i ar i g h t sp r o t e c 地i o na r c 柚a l y z e d ，av o ds y s t 锄 w i md l t m 触n e w o r ki si n v e s t i g a t e di nm o r ed e t a i l ，j t si m p l e m c n t a t j o n a n d 叩t i m i z a t i o na r ea l s od i s c i l s s e d g e n e r a ls p e 描n g ，m yw o r kc a nb eb r i e n ys u m m a r i z c d 勰f 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) ad y n a n l i ct r a n s f 细c cb a s e ds c h e d u l ea l g o r i t h mi sp - o p o s e d ，a n d 也es c h e d u l e rs u b s y s t 锄i si m p l 锄e m c d 卸dt 鼯t c d ( 2 ) d r m 缸i m e 、v o r kd c s i g n ，p e r f 0 i m a n c et e s t i n g 柚d m a k i n g i 叫，r o v 锄e n to f d r ms y s t e mw l l i c hc 柚s u p p o nb u s i n e s so p e m t i o n ( 3 ) m u l t i m e d i ac o d i n 鲥e c o d i n gs t a n d a r d s 柚d 咖l t i m e d i af i l ef o m a t 搬 i n v e s t i g a t e d ，础e c 唰i o na l g o r i t h ma n dw a t e n n a f k i n ga i g o r i t h m 锄c i m p l e m e n t e di np a c k i n gm o d u l e ( 4 ) i m p l e m e n t a t i o no f 柚印p l i e d c o r es y s t 锄 k e y w o i s ：d r m ；v o d ；s c h e d u l e r ；咖l t i m e d i a ；m p e g 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 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：趔丕垒瞳兰垒 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 姓黧茎予盟猛! 鬻 导师签名： 炉 日期： 北京邮电大学硕士论文 具有数字版权保护的视频点插系统的研究与实现 1 1 课题研究背景 第一章概述 v o d ( v i d d 锄锄d ) ，也称交互式电视点播系统。传统的电视系统信息 单向传送，用户只能被动接收。而v o d 是以“用户自主”的崭新概念为基础的 双向语音视频信息系统，实现了按用户需要播放语音视频节目的理想。v o d 是 未来信息高速公路构架的重要组成部分，是信息服务中宽带业务的灵魂。该技术 是计算机技术、网络通信技术、多媒体技术、电视技术和视频压缩与传输技术等 多学科、多领域融合交叉结合的产物，国外九十年代末兴起的v o d 视频服务己 广泛应用于各大星级酒店和高档住宅小区等，成为其提高服务水准，增加竞争力 的必备设施。通过v o d 系统，人们足不出户便可观赏最流行的影视节目，查询 众多服务信息，进行网上购物，了解最新财经动态，欣赏高品质多媒体视频节目， 尽享全方位多功能的信息服务。 另外，随着互联网的发展，网上电子书、音乐、电影、图片等数字内容的传 播越来越多，依托现代化的计算机技术和互联网技术，信息的数字化在信息存储、 处理、分析和挖掘等方面体现出无可比拟的优势，但是，数字化的信息也不可避 免地暴露出其致命的弱点：由于数字内容很容易复制、修改，网络上传播的数字 内容存在大量的盗版和侵权问题。电影工作室和音乐公司一向不愿大规模地以电 子媒体方式发布他们的音乐，因为这样产品的内容易于被复制，并通过网络传播， 使他们收入受损。据球p i ( 国际唱片业联盟) 统计，2 0 0 1 年全球有2 5 的音像制品 被盗版，全球盗版销售额为4 3 亿美元。在另一个日益庞大的手机铃声市场，经 销商们也碰到了同样的问题。在今后几年内，手机铃声的销售额将超过5 0 亿美 元。面对如此巨大的手机应用内容市场，如何对其数字版权进行保护，成为亟待 解决的重要课题。 近年来，苹果公司旗下一系列产品取得的成功无疑让人们看到了希望，i p o d 在反盗版的保卫战上取得了明显的成效。究其成功的原因则在于：i p o dm p 3 播 放器下载音乐的来源只有一个一那就是受版权保护的苹果i t 叫舒服务音乐。 i t l m 髓服务推出第一年就创下7 0 0 0 万首歌的惊人销售量，占据了美国7 0 的合 法m p 3 市场。i t 岫韶的成功为唱片行业树立了新的典范，而数字版权管理技术 ( d i 舀t a l 砌9 1 1 t sm 锄g e m t 以下简称d r m ) 也开始初露锋芒。如今，越来越多的 企业在发布其产品的同时，将数字版权保护技术运用到其生产的产品中去，以保 北京邮电大学硕j 论文具有数7 版权保护的视频点播系统的研究与实现 护自己和合法权益不受侵害。针对数字版权保护技术的研究，也已经成了数字化 版权管理中一个非常重要的环节。 基于现在v o d 行业中用户对版权保护的需求，本文提出一种具有版权保护 的视频点播系统，它主要包括d r m 子系统、调度子系统和客户终端。这种新的 系统以版权为出发点，强调运营和多行业应用，尝试提供一种技术先进、经济有 效的完整解决方案。 1 2 国内外应用研究现状 i 2 1 视频压缩与传输技术的应用 国内v o d 视频点播技术并非最早应用于电信、金融、地产等行业，而是在 酒店宾馆等娱乐场所，随着卡拉o k 的兴起而出现。 r 最初应用于卡拉o k 的v o d 系统是“半自动”的，每个点播房问对应一台 位于控制中心的影碟机，控制中心有操作员( 称之为d j ) 根据用户点播请求向影碟 机中放置相应碟片，一个熟练的d j 同时管理8 台左右的影碟机，这种v o d 系 统由于要借助手工操作，稳定性差，并且当多个用户点播同一个节目时，排队等 待时间较长。 第二代的v o d 系统是将所有节目放在服务器硬盘中，点播终端通过局域网 或有线电视同轴电缆( h f c ) 将点播请求上传至服务器，服务器进行相应播放。第 二代v o d 系统未对视频文件进行充分优化，客户端需要专用的视频压缩卡及专 用程序，难以支持大规模的并发点播，维护量大，不适于在小区或城域级环境中 应用。 第三代的v o d 系统是目前最先进的，基于w 曲平台进行设计，可与h l t e r n e 接入并平滑地结合在一起：客户端采用浏览器方式进行点播，基本无需维护；由于 采用了先进的集群技术，可对大规模的并发点播请求进行分布式处理，使其能适 应大型住宅小区及城域级的应用环境。 1 2 2v o d 的国内外发展现状 从目前国内城市的网络现状来讲，多数城市的家庭接入设备为l m b i 洮带宽 以下的a d s u 非对称数字用户环路) 。因此在l mb i 体以下的传输速率下，能够 稳定提供满足用户消费的视频质量成为现今电信级v 0 d 系统的实际需求。在此 基础上运营商需要以内容为核心而开展丰富多彩的业务，目前比较常见的业务有： 影视娱乐、网络电台电视台、远程教育、网上商场等。 就全球范围来看，北美的有线电视宽带接入发展速度，在宽带接入方式中占 北京邮电大学硕士论文 具有数宁版权保护的视频点播系统的研究与实现 主导地位，势头良好。据专门从事宽带市场研究的宽带调研公司k m e t i cs 仃a t e 百嚣 研究，目前在美国和加拿大有6 4 0 0 万宽带注册用户，而视频业务是宽带用户当 前的主要需求。由此可见，视频压缩与传输技术有着广阔的应用前景，而其中最 具代表性的应用当属v o d 系统。 1 2 3d r m 技术研究现状 最近几年，进行d i t m 研究的科研人员逐渐增多，为此，美国计算机协会从 2 0 0 1 年开始，每年举办一次a c md r m 会议“a c mw o d 曲o p d i 百t a lr j9 1 i 协 m 肌a g 锄饥n 涉及的研究内容包括多个方面，主要有d r m 系统的体系结构、 d i 蝴中对数字内容使用的跟踪和审核、数字内容交易的商业模式及其安全性需 求、多媒体数据的加密、身份识别、d l t m 系统中的密钥管理、数字权利的转移 问题、数字版权描述等等。 开放移动联盟( o m a ) 也在积极活动。开放移动联盟d r m1 o 于2 0 0 4 年9 月 作为经批准的e n a b l c rr e l e a 推出，已运用在全球4 0 0 多款手机上。开放移动联 盟近4 0 0 家成员企业中有6 6 家为d r m 2 o 做出了贡献。开放移动联盟改进后最 新的d r m 的重要功用之一，是将把该标准延伸至r r 和消费电子产品和设备中。 举例来说，开放移动联盟d r m2 o 将使移动运营商可以把计费功能延伸至手机 以外。以移动、r r 和消费电子设备之间的互操作性为目标【2 7 】。 国内中国广播影视数字版权管理论坛( c h i n a d r mf o 舢) 也在积极制定标 准。 应用方面。电子媒体的d r m 技术相对比较成熟，国内外的应用也较多。国 外的电子媒体d r m 系统，有m i c r 0 f 【d a s ，a d o b ec o n t e n ts e r v 呱原g l 船舶o k c 0 n t e m s 删等等，国内的电子媒体d 州系统有方正a p a b i 数字版权保护系统。 其中，与电子媒体版权保护密切相关的研究内容，是电子媒体的权利描述、 权利传输控制等技术。对于数字内容的权利描述，已经出现了相关的技术，如 e b ) ( x f m l ，o d r l 等。流媒体的d r m 主要有m m 的e m m s 和m i c f 0 f 1 w i n d o w sm e d i ad r m 等。而与v o d 相结合的系统较少。 1 3 论文的主要工作与内容安排 1 3 1 论文的主要工作 本论文设计并实现了具有数字版权的视频点播系统。本文提出了一种动态迁 移的调度算法，并进行设计与实现调度子系统；参与设计d r m 结构，并通过测 试发现问题改进系统结构和程序使其性能得到提高，达到实用目标；完成打包器 北京邮电人学硕l 论文具有数字版权保护的视频点播系统的研究与实现 的设计与实现，通过分析多媒体文件格式和编解码方式完成了添加提取水印和加 解密的算法及实现。最终实现了一个能够达到实用的核心系统。 1 3 2 论文的内容安排 全文共分为六章： 第一章为绪论，主要介绍论文研究背景、v 0 d 视频点播技术和d r m 数字 版权管理技术的发展情况，以及本论文的主要工作和内容安排。 第二章详细说明了多媒体数字版权管理技术的概念、技术体系和功能结构。 第三章概述了视频点播相关技术，如v o d 技术，m p e g 视频编解码标准， 流媒体技术等。 第四章给出了具有数字版权保护的视频点播系统的实现，具体实现其中数字 版权管理子系统和调度子系统，提出了一种动态迁移的调度算法。 第五章进行了d r m 子系统测试，并对系统相关部分进行改进与优化。 第六章对全文进行总结，并针对文中系统中存在的不足，对未来的发展提出 几点设想。 北京邮电大学硕士论文具有数# 版权保护的视频点播系统的研究与实现 2 1 概述 第二章视频点播系统相关技术 目前的互联网络可以方便的向用户提供各种低带宽的媒体信息，如文字，声 音和图片等。但是对高质量，同时也需要高带宽的影像媒体( 声音图像) 信息的获 取却有着诸多的限制。一张电子报纸己经可以通过互联网络，用p 瑚h 等主动技 术，在任何时间传给用户。但是，高带宽的影像媒体的播放却仍然有着严格的时 间限制。尽管非实时的数据，如文字，图片还是目前的多媒体系统中使用最为频 繁的媒体，但是影像等实时媒体流己经越来越引起业界的广泛重视。交互的，无 时间限制的获取宽带影像媒体服务是许多用户的当前需求。 为交互的获取高带宽的媒体信息，必须使用镜像机制( m i f r o 血g ) 和快存技术 ( c a c h i n g ) ，媒体对象必须存放于接近用户的位置，以提供对用户来说相对低廉的 交互和无时间限制的服务。对用户来说，目前广泛使用的录像机及其录制的操作 本身并不太方便，而另一个更大的问题在于，可录制并存放的内容空间有很大的 限制。通常来说，媒体信息和通信交流的价值会随着这些信息的用户的增加而增 加。从而，一个可行的解决方法就是：安装服务器系统来存放数字化的媒体信息 然后将这些信息，通过高速通信网络及时的提供给大量的用户。 人类的需求是推动各种技术发展的最终源泉。视频点播v o d 由此而生，并 随着存储技术和高速通信技术的不断发展而越来越引起注意。在一个v o d 服务 系统中，用户可以在他希望的时间欣赏他所喜欢的节目。当然，这里的播放设备 己不局限于传统的电视机，它既可以是p c ，还可能是下一代的移动电话。 v o d 即v i d e oo nd 咖a n d 视频点播，是集动态影视图像、静态图片、声音、 文字等信息为一体的，为用户提供实时、高质量按需点播服务的系统，也称交互 式电视点播系统。它是一种以图像压缩技术、宽带通信网技术、计算机技术等现 代通信手段为基础发展起来的多媒体通信业务。它是在b t s d n 环境下运行的， 它包括视频服务器f v i d e 0s e r v 盯：用于存储各种节目，如电影、卡拉o k 节目等) 、 接入模块、视频复接口、射频( r f ) 调制解调器、r f 组合器、光纤同轴电缆传输、 分频系统等，在用户端还可添加控制盒或p c 机，由用户控制随意进行点播。 传统的电视系统信息单向传送，用户只能被动接收。而v o d 是以“选择控 制权在用户”的崭新概念为基础的双向视音频信息系统，实现了按用户需要播放 视音频节目的理想。v 0 d 是未来信息高速公路构架的重要组成部分，是未来信 北京邮电大学硕士论文具有数字版权保护的视频点播系统的研究与实现 息服务中宽带业务的灵魂。该技术是计算机技术、网络通信技术、多媒体技术、 电视技术和数字压缩技术等多学科、多领域融合交叉结合的产物。 国外九十年代末兴起的v 0 d 服务己广泛应用于各大星级酒店和高档住宅小 区、娱乐场所、有线电视台，成为其提高服务水准，增加竞争力的必备设施。通 过v o d 系统，人们足不出户便可观赏晟流行的影视节目，查询众多服务信息， 进行网上购物，了解最新财经动态，欣赏高品质多媒体视频，尽享全方位多 功能的信息服务。 视频点播、 0 d 系统应用范围广泛，可以应用于： a ) 校园多媒体网络教室：课堂上的教师可以根据需要，随时随地在教学中点 播与课程有关的视频课件以增强教学直观感，丰富教学内容。在课余时间学生 可以自由选取视频课程节目进行预复习，以增强学习兴趣，提高教学效率。 b ) 多媒体图书馆：将视频资料分类，提供视频资料自由选取预览、索引查询、 分类管理等功能。 c ) 企业内部培训：提供教材管理、线上随选阅览、完成自我训练目的，提高 员工技能，增强公司的员工素质优势，在激烈的市场竞争中使企业立于不败之 地。 d ) 多功能网吧：在原有网络结构上增加电影、广告、m t v 等影片视频节目 服务，可拓宽营业项目。 e ) 1 h v 点歌：实现无人d j 室，降低人工管理成本。统一存储，没有重复歌 曲。点歌迅速，热门歌曲不用等候。 f ) 互动式导览展示系统：适用于百货公司、机场、火车站、剧院和博物院等 公共场所，作为产品讲解说明、服务内容介绍、环境导览、操作演示等目的。 g ) 宾馆饭店：可以将一些经典影片、卡拉o k ，菜单等节目加入到视频节目 库中，使入住客人在自己客房中根据兴趣和时间，任意点播喜欢的内容。甚至可 以将客人关心的当天时事新闻、财经报道等电视节目加入到视频库，使客人在错 过节目播放时间的情况下仍可收看到想看的节目。提升了服务内涵，提高了客房 入住率。 h ) 住宅小区：为小区提供新的服务内容，住户在家中可以点播电视节目、精 选影片或卡拉0 k 伴唱等。可以丰富家庭文化娱乐生活，完善小区的服务。吸引 更多的购房客户近悦远来。 2 2m p e g 的发展及其应用 随着数字化、网络化、全球一体化信息时代的来临多媒体技术成为信息技术 的重要组成部分。它包括声音、图形、数据以及图像在内的多种媒体信息的传送 北京邮电大学硕士论文 具有数字版权保护的视频点播系统的研究与实现 和处理，其关键在于压缩技术。m p e g 是活动图像专家组( m o “n gp i c t u me x p o f t s g r o u p ) 英文的缩写于1 9 8 8 年成立，是为数字视结频制定压缩标准的专家组， 目前已拥有3 0 0 多名成员，包括i b m ，s u n ，b b c ，n e c ，i n t e l ，a t & & t 等世界知 名公司。m p e g 组织最初得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种标准， 随后扩充为“及其伴随的音频”及其组合编码。后来针对不同的应用需求，解除 了“用于数字存储媒体”的限制，成为现在制定“活动图像和音频编码”标准的 组织。目前为止，在视频压缩领域m p e g 成为最热也是应用最多的压缩技术。 随着互联网和宽带的发展。m p e g 技术越来越多的在各个领域得到应用。 m p e g 的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准， 目前已经提出 m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g - 4 ，m p e g - 7 和m p e g 2 1 标准。 m p e c 1 标准及其应用 m p e g 1 标准于1 9 9 3 年8 月公布，用于传输1 5 mb p s 数据传输率的数字存 储媒体运动图像及其伴音的编码。该标准包括五个部分：第一部分说明了如何根 据第二部分( 视频) 以及第三部分( 音频) 的规定，对音频和视频进行复合编码。第 四部分说明了检验解码器或编码器的输出比特流符合前三部分规定的过程第五 部分是一个用完整的c 语言实现的编码和解码器。 m p e g 1 取得一连串的成功，如v c d 和m p 3 的大量仲用，w i n d o w s 9 5 以后 的版本都带有一个m p e g - l 软件解码器，可携式m p e g - l 摄像机等等。 m p e g 2 标准 m p e g 1 于1 9 9 1 年终止修订( 即以后的变化仅允许作编辑性的修改) 。就在 这一年启动了m p e g - 2 进程。m p e g - 2 最终于1 9 9 4 年成为一个标准。在 m p e g - 2 进程中，最初的目标是很简单的，即需要一个能够适应广播视频质量的 标准这种编码应当能够完全满足标准清晰度图象( 7 0 4 4 8 0 ，在2 9 9 7 h z 时 和7 0 4 5 7 6 ，在2 5 h z 时) 的需求，并能有效地用于隔行扫描视频编码。m p e g - 2 在许多方面都代表着m p e g 时代的到来。将m p e g 的巨大灵活性与大规模集成 电路日益增长的可用性相结合，这就意味着m p e ( ；- 2 具有非常广泛的应用。 m p e g 3 的终结是m p e g - 2 成功的一个精彩场面。m p e g 3 本来是用于高清晰 度电视的。m p e g 3 的夭折，是因为m p e g 一2 能够很容易地将其应用调整到高 清这一领域，这一事实而且是愈来愈明显。这样，m p e g 2 就理所当然地成为 a t s c t 和d v b 广播标准的基础，同时它也被d v d 用于压缩系统。m p e g - 2 还 可用于图象中的运动对象。它能够为某一应用建立一项全面的标准，但它又以进 取的姿态转向更为急需的应用。m p e g 2 的开拓性工作一直延续到进入2 0 0 2 年。 m p e g - 2 标准文件即i s o 1 e c1 3 8 1 8 ，目前有l o 部分。在m p e g - 2 标准中， 北京邮电大学硕上论文具有数宁版权保护的视频点播系统的研究与实现 最重要部分是： i s o i e c1 3 引8 1 系统( 传输流和节目流) ，p e s ，t - s t d 缓存器模型和基本 p s i 表：c a t 、附r 、p m t 和n r r 。 i s 0 i e c1 3 8 1 8 2 视频编码。 i s o i e c1 3 8 1 8 3 音频编码。 i s 伽e c1 3 8 1 8 - 4m p e g 测试和一致性。 i s o i e c1 3 8 1 8 6 数据广播和d s m c c m p e g 传输流一般具有恒定的比特率，但节目流的比特率一般是可变的。 m p e g - 4 标准 m p e g - 4 于1 9 9 8 年1 1 月公布，其主要针对数字电视、交互式绘图应用、交 互式多媒体存储等整合和压缩技术而制定的国际标准。其在一个框架内集合了众 多的多媒体应用，目标就是为多媒体通信及应用环境提供标准的算法和工具，建 立一种可用于多媒体传输、存储和检索等应用领域的统数据格式。 m p e g _ 4 最初主要关注的是极低码率的视音频编码。实际上，m p e g 4 对以 下三种比特率范围作了明确的最佳化处理：“k b 秒以下。“至3 8 4 k b 彬秒。 3 8 4 k b 秒至4 m b 彬秒。 m p e g - 4 主要有如下几个主要的特点： 1 基于内容的交互性 提供了诸如索引、超级连接、上下载、删除等基于内容的多媒体数据访问工 具。用户可红利用这些工具有选择性地从多媒体数据库中提取自己所需要的与对 象有关的内容；提供了内容的操作和位流编辑功能：提供了高效的自然或合成的 多媒体数据编码方法，可以把自然场景或对象组合起来成为合成的多媒体数据。 2 。访问的通用性 m pe g - 4 提供了易出错环境的鲁棒性，保证其在许多无线和有线网络以及 存储介质中的应用。还支持基于内容的可分级性，即把内容，质量、复杂性分成 许多小块来满足不同用户的不同需求。支持具有不同带宽，不同存储容量的传输 信道和接收端。 3 高效的压缩性 由于采用了基于对象的新编码方法，使得m p e g - 4 具有更好的编码压缩效 果。同已有的其它压缩标准相比，在相同的比特率下，它具有更高的视觉听觉质 量，这就使得在低带宽的信道上传送视频、音频成为可能，同时m f e g 4 还能对 同时发生的数据流进行编码。 m p e g 7 和m p e g 2 l 标准 m p e g 7 于1 9 9 8 年1 0 月提出，于2 0 0 1 年最终完成。准确的说，m p e g - 7 北京邮电大学硕上论文具有数字版权保护的视频点播系统的研究与实现 井不是一种压缩编码方法，而是一个多媒体内容描述接口。继m p e g 4 之后，要 解决的矛盾就是对日渐宠大的图像、声音信息的管理和迅速搜索。m p e g 7 就是 针对这个矛盾的解决方案。m p e g 7 力求能够快速且有效地搜索出用户所需的不 同类型的多媒体影像资料，比如在影像资料中搜索有长城的片段。 m p e g 2 l 由m p e g 7 发展而来，其被称为“多媒体框架”( m u l 石m e d i a f 舢e w o r l ( 1 。它的功能主要是提供一种多媒体信息整合和协调的方案。 2 3m p 4 文件的结构 m p 4 v 1 ( m p 4 第一版) 文件格式源于a p p l e 公司的q u i c k t i m e 文件格式【卅，与 之类似；m p 4 v 2 ( ，4 第二版) 文件格式是基于i s o 基本媒体文件格式发展而成。 它们的文件组织结构都相同，都是以a c o m ( 或者称为b o x ，包含有此砷咖的类型、 大小信息和数据) 为基本数据单元，以嵌套包含的形式组织媒体文件，将媒体的 描述信息( 元数据) 与媒体数据分离开来，用元数据来描述媒体数据的时空等属 性。以下为m p 4 文件的组织结构。 一荔滋荔豁蕊谶? 。 胁8 i z e a t o m t y i 菱蠢囊! 鳞鳓隧鞴麓薹i a n m 妇 a l d m t y p e l e a f a t o m a 1 0 m s i z e 啪1 p e ，a i o m d a b7 图2 1 啪p 4 文件的组织结构图 根据( c k t i m em o “ea ：c o m 的结构，参照m p e g 4 m 开源项目【1 8 】的代码 和i s o 基本媒体文件格式【捌，得到了m p 4 v l 文件格式如下图所示： 北京邮电大学顽七论文 具有致7 # 版权保护的视频点播系统的研究与实现 m i 件 崔崔剀壁篓f i 攀妻i e 气 le 气半| r 气产一r ”苦“li “蔷“i 斟斟割斟 d md md m f e 血l l _ b 竹 h 辟= m d ，一 d 山 邕刿邕豢筹型 p 气习f 监瓮! 马 h k m - h b m 日咖h l 笔麓咖f 1 0 m 1 1 i “三“2n _ 】 iv ，d 呻u d _ ah c 一目b o xllv d m 刊一j h e a 如rb 0 x - 巳驾已驾 酲 b “ n s m 1 i c b “ l s 刮。b 0 ，h ：詈蒜】 d 山 巳曼翌三 巨五巫 b 遣兰到巳写碧 l 黑娑“i 亡j 叵二玉 ll f f 三一l l q ! i 一 口覃五巫习匠互互三 c 燮i 兰：i e 釜竺! 到b 釜型e 美竺刮 l 一d a i 一1 im一 t - f _ 出l 2 4 流媒体技术 图2 2m p 4 v l 文件格式 随着现代网络技术的发展，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、音频、三维动画，人们的视听觉 在网络上得到很大的满足。但人们又面i 临着另外一种不可避免的尴尬：在网络上 北京邮电大学硕士论文 具有数字版权保护的视频点播系统的研究与实现 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，一种新的媒体技术应运而生，这就是流媒体技术。 流媒体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。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。 目前，在网络上传输音视频( j v 等多媒体信息主要有下载和流式传输两种 方案。一方面，由于音视频文件一般都较大，所以需要的存储容量也较大：同时 由于受网络带宽的限制，下载这样的文件常常需要几分钟甚至几小时，所以采用 下载方法的时延也就很大。而采用流式传输时，声音、图像或动画等时基媒体由 音视频服务器向用户计算机连续、实时传送，用户只需经过几秒或数十秒的启动 时延而不必等到整个文件全部下载完毕即可观看。当声音、图像等时基媒体在客 户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器上继续下载。流式传输不仅使 启动时延大大缩短，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 整个文件全部下载完毕之后才能观看的缺点。 实现流式传输有两种方法：实时流式传输( r e a l 血n es 仃踟m i i l g 仃锄s p o r t ) 和顺 序流式传输( p r o g r e s s i v cm i i l i n g 胁s p o r t ) 。一般来说，如为实时广播，或使用 流式传输媒体服务器，或应用实时流协议( r t s p ) 。微软的m m s 协议等，即为实 时流式传输。如使用超文本传输协议( h r r p ) 服务器，文件即通过顺序流发送。 采用哪种传输方法可以根据需要进行选择。当然，流式文件也支持在播放前完全 下载到硬盘。 1 实时流式传输。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场广播，也支持 随机访问，用户可快进或后退以观看后面或前面的内容。但实时流式传输必须保 证媒体信号带宽与网络连接匹配，以便传输的内容可被实时观看。这意味着在以 调制解调器速度连接网络时图像质量较差。而且，如果因为网络拥塞或出现问题 而导致出错和丢失的信息都被忽略掉，那么图像质量将很差。实时流式传输需要 专用的流媒体服务器与传输协议。 2 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观看 在线内容，在给定时刻，用户只能观看已下载的部分，而不能跳到还未下载的部 分。由于标准的h t t p 服务器可发送顺序流式传输的文件，也不需要其他特殊协 议，所以顺序流式传输经常被称作h r r 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，由于这种传输方式观看的部分是无损下载的， 所以能够保证播放的最终质量。但这也意味着用户在观看前必须经历时延。顺序 流式传输不适合长片段和有随机访问要求的情况，如讲座、演说与演示；也不支 北京邮电大学硕士论文具有数# 版权保护的视频点播系统的研究与实现 持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。 2 4 1 流媒体协议 r s v p 协议 r s v _ p 是英文r e s o u r c er e s e r v 撕o np r o t o c o l 的缩写- 翻译成中文就是资源预留 协议。r s v _ p 协议原本是为网络会议应用而开发的。 i i l t 锄e t 上只提供单一的q o s ，即髓c - e 肺r t ”( 尽力传送) 服务， b e s t - e 怕n 服务没有提供资源配置、预留等措施，并且所有业务均不加区分地以平均流量使 用资源，因此b e s t e 偷n 根本不能满足流数据的传输。只有网络的带宽和时延抖 动维持在一定水平上，流媒体数据才能平平稳地在客户端播放，所以必须在口 网络中引入一定的o o s 机制。r s v p 协议就是基于这方面考虑而开发的，它可以 让流数据的接收者主动请求数据流路径上路由器，为该数据流保留一定资源( 即 带宽) ，从而保证一定的服务质量 r s v p 协议本身并不是一个路由选择协议，而是一种网络控制协议，它仅仅 沿着数据流所选定的路由来预留资源。一旦建立预留，r s v p 协议会为请求服务 可靠的维持路由器和主机的状态。通过工p a 的地址字段或工p v 6 流标识的指定， 路由器根据为该流建立的预留来调度分组转发。 i m 协议 r t p 是英文r e a i t i i l l et r a n s p o r tp m t o c o l 的缩写，中文名称是实时传输协议， 用于i n t 锄e t 上针对多媒体数据流的传输。它通常使用u d p 协议来传送数据，起 初是为“m u m c 鹊t ”传输情况而设计的，目的是提供时间信息和保证流同步，不 过现在也用于一对一的传输情况。r t p 协议主要完成对数据包进行编号、加盖时 戳、丢包检查、安全与内容认证等工作。通过这些工作，应用程序会利用r t p 协议的数据信息保证流数据的同步和实时传输。 r t p 数据包中包括四项基本内容。r t p 数据包由固定报头和有效载荷两部分 组成，其中固定报头又包括时戳、顺序标号、同步源标识、贡献源标识等，有效 载荷就是传输的音频等多媒体数据。 r t c p 协议 说起r t p 协议就不能不谈到他的一个姐妹协议，那就是r t c p 协议。r t c p 是英文r e a l t i r n ec o n 咖lp r o t o c o l 的缩写，中文称之为实时传输控制协议。r t c p 是一个控制协议，它的设计目的是与r t p 协议共同合作，为顺序传输数据包提 供可靠的传送机制，并对网络流量和阻塞进行控制。 在一个r 1 阳会话中，参与者均可以周期性的相互发送r t c p 数据包，从而 得到数据传送质量的反馈以及对方的状态信息。r t c p 数据包是一个控制包，它 北京邮电大学硕士论文 具有数字版权保护的视频点播系统的研究与实现 由一个固定报头和结构元素组成。其报头与r 1 p 数据包的报头相似，一般都是 将多个r t c p 数据包合成一个包在底层协议中传输。 r e a lp l a y q u i c k t i m e 都采用r 1 1 p ，r t c p 协议，微软则采用自己专有的m m s 协议。 r t s p 协议 r t s p 是英文r e a l t i m es h 啪i n gp r o t o i l 缩写，中文名称是实时流协议。 r t s p 是在服务器端与客户端建立和控制音视频流的协议，它在服务器端与客户 端之间扮演着“远程遥控器”的角色。再说的简单点就是通过客户端对服务器上 的音视频流作播放、录制等操作的请求。 由于多媒体数据传输量都很大，因此在传输时会将其分割成多个适合在网络 中传输的小数据包，再实时的以流的形式传。对于客户端来讲数据包的接收、解 压、播放可能是在同一时刻进行的。 r t s p 协议是一个应用层协议，它必须以底层的r 皿r s ，等协议为依托， 才能够在i n t 锄e t 上提供完整的流媒体传输服务。 m m s 协议 m m s ( m i c r o s o f tm e d i as 盯v 盯p r o t o c 0 1 ) ，中文“微软媒体服务器协议”，用来 访问并流式接收w 枷o w sm o d i a 服务器中私f 文件的一种协议。m m s 协议用 于访问w i n d o w s m e d i a 发布点上的单播内容。m m s 是连接w i n d o w s m e d i a 单 播服务的默认方法。若观众在w i i l d o w sm c d i ap l a y 盯中键入一个u r l 以连接 内容，而不是通过超级链接访问内容，则他们必须使用m m s 协议引用该流。 2 4 2 流媒体产品 文件格式 m i c r o f t 公司的、斫n d o w sm o d i a 的核心是a s f ( a d v 锄c 。ds 缸e 锄f o 珊a t ) 。 a s f 是一种数据格式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这 种格式，以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容发布。 r e a ln e h o r k s 公司的r e a lm e d i a 包括r e a n l l d i o 、r c a l d 和r c a l f l 鲴h 三 类文件。r e a ln e t 、v o r l 公司自1 9 9 5 年发布r 龃n l l d i 0 1 0 以来，r 韶】a u d i o 和 r c a l v i d 产品已经成为i n t e m e t 网上最受欢迎的解决方案。 a p p l e 公司的q u i c k l l m e 于1 9 9 1 年登台亮相，是a p p l e 公司面向专业视频 编辑、w 曲网站创建和c d - r o m 内容制作领域开发的多媒体技术平台， o l l i c m n e 支持几乎所有主流的个人计算平台，是数字媒体领域事实上的工业标 准，是创建3 d 动画、实时效果、虚拟现实、j w 和其他数字流媒体的重要基础。 北京邮电大学硕l 论文具有数 版权保护的视频点播系统的研究与实现 压缩方式 w m 8 ：采用m p e g 一4 压缩编码，我们也看到了他正式版的效果要比b e l a 版本好很多。无论是在w m v 还是w m a 的压缩方法上，就原来的v 7 都有很大 的进步。支持r i m e v b r ( 真正动态变量速率编码，该技术能保证下载过程中影像 的品质1 和t w o p 鹤s 编码技术。 r e a l ：采用的是r e a l 专用算法，最近又增加了r a 8 的压缩算法。通过 s ( s c a l 曲l e d 做i l i l o l o 刚技术可以让速度较慢的电脑不需要解开所有的原 始图像数据也能流畅观看节目；双向编码技术类似于r 根据带宽的限制选择 最优化压缩码率。为了更好地适应在网上传播，它还可以根据你所采用m o d 黜 的速率来选择最佳压缩比率的r e a l 文件，这就是所谓的s u r c s 仃e 锄技术。我们 不能否认的是，在网络带宽自适应方面，i 也a l 比w m 要做的好很多! q t ：我们可以看到在q t 输出文件时候可以选择包括h 2 6 3 在内的多种编 码。但主要以s o r n v i d 为主，据说由5 o 开始已经采用了m p e g 4 压缩技 术。q u i c k t i m e 中的声音c o d 。c 为q 吼l m n 】酬r o l m ，从q l l i c k l l m e 4 1 版本中 开始支持r 。q u i c l m e 的音乐c o d c c 为q d e s i 百m u s i c 2 。 平台 礅n d o w sm e m a 平台： 服务器：w i n d o w ss e r v e r 的附带组件，无客户连接数限制。 客户端：m