（通信与信息系统专业论文）基于h264的iptv机顶盒的设计.pdf

上海大学硕士学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 摘要 i n t e m e t 技术的发展从各方面改变了人们的学习、工作和生活方式，给人们 带来了巨大的便利，它已成为人们生活中不可缺少的一部分。进入2 1 世纪后， 随着流媒体技术和i n t e r n e t 网络技术的飞速发展，以及网络带宽的不断提高，人 们开始关注如何利用坤协议提供类似于电视的业务即口t v 业务，并将其视为未 来宽带i n t e r n e t 上的重要应用。i p t v 业务的接收终端主要是计算机和电视机 + i p t v 机顶盒两种。 首先，论文概述了i p t v 的基本特点、i p t v 系统构架、口t v 的国内外发展 现状和趋势，以及本课题的选题意义、作者主要工作和论文内容安排。 其次，论文阐述了i p t v 机顶盒的业务分类、流媒体技术标准和流媒体传输 协议体系。此外，论文还讨论了h 2 6 4 视频编码和a a c 音频编码的特点以及它 们基于r t p 协议的传输格式。 再次，论文研究了i p t v 机顶盒的硬件设计框架和核心芯片b s p - 1 5 的内部 结构。具体阐述了以太网接口、视频数模转换器接v i 和音频数模转换器接口模块 的硬件设计，并对i p t v 机顶盒b o o tl o a d e r 引导程序的加载过程进行了深入分 析。 然后，论文研究了嵌入式l i n u x 操作系统及其特点，详细分析了i p t v 机项 盒各主要模块的软件设计流程，即网络传输模块、媒体同步模块和视音频解码模 块。其中，媒体同步模块的设计，是建立在论文提出的一套新的多媒体同步通信 的算法之上的。 接着，论文介绍了口t v 机顶盒软件开发过程中建立的交叉编译平台和测试 环境。阐述了软件调试的流程，并且讨论了m t v 机顶盒在软件测试过程中遇到 的问题以及解决方案。 最后，论文对研究成果进行总结，并对i p t v 机顶盒的发展前景进行了展望。 关键词：i p t v ，机顶盒，流媒体，h 2 6 4 ，多媒体同步通信 v 上海大学硕士学位论文 基于h2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 摘要 i n t e r n e t 技术的发展从各方面改变了人们的学习、工作和生活方式，给人们 带来了巨大的便利，它已成为人们生活中不可缺少的一部分。进入2 1 世纪后， 随着流媒体技术和 n t e m e t 网络技术的飞速发展，以及网络带宽的不断提高，人 们开始关注如何利用i p 协议提供类似于电视的业务即i p t v 业务，并将其视为未 来宽带i n t e r n e t 上的重要应用。i p t v 业务的按收终端主要是计算机和电视机 + i p t v 机顶盒两种。 首先，论文概述了口t v 的基本特点、i p t v 系统构架、i p t v 的国内外发展 现状和趋势，以及本课题的选题意义、作者主要一 作和论文内容安排。 其次，论文阐述了i p t v 机顶盒的业务分类、流媒体技术标准和流媒体传输 协议体系。此外，沦文还讨论了h 2 6 4 视频编码和a a c 音频编码的特点以及它 们基于r t p 协议的传输格式。 再次，论文研究了口t v 机顶盒的硬件设计框架和核心芯片b s p 1 5 的内部 结构。具体阐述了以太网接口、视频数模转换器接口和音频数模转换器接口模块 的硬件设计，并对i p t v 机顶盒b o o tl o a d e r 引导程序的加载过程进行了深入分 析。 然后，论文研究了嵌入式l i n u x 操作系统及其特点，详细分析了i p t v 机顶 盒各主要模块的软件设计流程，即网络传输模块、媒体同步模块和视音频解码模 块。其中，媒体同步模块的设计，是建立存论文提出的一套新的多媒体同步通信 的算法之上的。 接着，论文介绍了i p t v 机顶盒软件丌发过程中建立的交叉编译平台和测试 环境。阐述了软件调试的流程，并且讨论了i p t v 机顶盒在软件测试过程中遇到 的问题以及解决方案。 最后，论文对研究成果进行总结，并对i p t v 机顶盒的发展前景进行了展望。 关键词：i p t v ，机顶盒，流媒体，h 2 6 4 ，多媒体同步通信 v l 海大学硕士学位论文基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 a b s t r a c t 1 1 l ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e tt e c h n o l o g yh a sc h a n g e dp e o p l e ss t y l eo fs t u d y , w o r ka n dl i f e i tb r i n g sp e o p l eh u g ec o n v e n i e n c ea n di th a sb e e no n eo f t h en e c e s s a r y p a r t so fo u rl i f e w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h es t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , t h e i n t e r n e tt e c h n o l o g ya n dt h en e t w o r kb a n d w i d t h ，p e o p l es t a r tt op a ym o r ea t t e n t i o no n h o wt os u p p l yt h es e r v i c e , l i k er 虻b a s e do nt h ei pa f t e re n t e r i n gt h e21c e n t u r y s u c h s e r v i c ei sc a l l e di p t vs e r v i c e a n dt h ei p t vi sv i e w e da st h ei m p o r t a n t 印p l i c a t i o no f t h eb r o a db a n di nt h ef u t u r e t h et e r m i n a lr e c e i v e ro ft h ei p t vs e r v i c ei sp co r t v + i p t vs t b t h ep a p e rs u m m a r i z e st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e 口t v t h e s y s t e m f r a m e w o r ko ft h ei p t va n dt h ed e v e l o p i n gs t a t u sa n dt r e n do ft h e 碑t vt h e m e a n i n g so ft h i sp r o j e c t ，t h ep r i m a r yw o r ka n dt h ec o n t e n ta r r a n g e m e n t sa r ep u t f o r w a r d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es e r v i c es u p p l i e db yt h ei p t vs t b t h es t r e a m i n gm e d i a t e c h n o l o g ys t a n d a r da n dt h et r a n s p o r t i n gp r o t o c o ls y s t e mo ft h es t r e a m i n gm e d i a i n a d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h eh 2 6 4v i d e oc o d es t a n d a r d ，t h ea a ca u d i o c o d es t a n d a r da n dt h e i rt r a n s m i s s i o nf o r m a tb a s e do nt h er t p p a c k e t t h ep a p e rs t u d i e st h eh a r d w a r ef r a m e w o r ko ft h ei p t vs t ba n dt h ei n n e r s t r u c t u r eo f b s p - 1 5w h i c hi st h ek e r n e lc h i p i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no f t h e e t h e r n e ti n t e r f a c e ，t h ev i d e od ai n t e r f a c ea n dt h ea u d i od ai n t e r f a c ei nd e t a i l s a n d i tg i v e sa ni n - d e p t ha n a l y s i so f t h el o a dp r o c e s so f t h eb o o tl o a d e rp r o g r a m n ep a p e rs t u d i e st h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n di t sc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ep a p e ra n a l y z e st h es o f t w a r ed e s i g no ft h em a i nm o d u l e so ft h ei p t vs t bi n d e t a i l s ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l e s ，t h em u l t i m e d i as y n c h r o n i z a t i o n m o d u l ea n dt h ev i d e oa n da u d i od e c o d i n gm o d u l e s n l em u l t i m e d i as y n c h r o n i z a t i o n m o d u l ei sb a s e do nt h en e ws y n c h r o n i z a t i o na r i t h m e t i co ft h em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o nt h a ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e r 上海大学硕士学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec r o s s - c o m p i l i n gp l a t f o r ma n dt h et e s t i n gc o n d i t i o no f t h ei p t vs t bd u r i n gs o f t w a r ed e s i g n i n gp e r i o d i ti n t r o d u c e st h ef l o wc h a r to ft h e s o f t w a r ed e b u g 1 1 1 es o l u t i o n so ft h eq u e s t i o n sb e i n gf o u n di nt h et e s tp r o c e d u r ea r e d i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ep a p e re n d sw i t ht h es u m m a r i z a t i o no ft h ea u t h o r ss t u d yr e s u l t sa n df u t u r ed e v e l o p m e n t o f t h ei p t vr e c e i v e r k e yw o r d s ：i p t v , s t b ，s t r e a m i n gm e d i a , h 2 6 4 ， m u l t i m e d i as y n c h r o n i z a t i o nc o m m u n i c a t i o n 上海大学硕士学位论文基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 原创性声明 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：麴亟日期：避三兰 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛导师签名：陋 u 日期：泐6 2 乙 ，p 海大学硕士学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机项盒的设计 第一章绪论 近年来，宽带用户逐步增多。随着用户数量的增多，用户对宽带特色的服务 提出了迫切的需求。以影视服务为主的宽带视频服务成为了宽带增值业务中最重 要的服务，获得了广大用户的喜爱，成为了宽带网络上最具发展潜力、最具盈利 前景的宽带增值应用之一。 目前宽带发展网络的主要覆盖用户是计算机终端用户，这些用户具有一定的 计算机操作能力，因此对互联网都比较了解。但是在中国，电视机的普及率远远 高于p c 用户，电视终端用户的潜在市场要远远高于计算机终端的潜在市场。因 此，作为家庭接入的宽带网，需要逐渐从对p c 终端的关注转向对电视机终端的 关注，使宽带网络逐步进入用户的家庭娱乐领域，成为生活娱乐的一部分。于是， 开展基于电视机终端的、以视频服务为主的宽带网络电视( i p t v ) 服务成为了 电信运营商关注的焦点，成为了宽带网络发展的关键。 1 1i p t v 的概述 i p t v 即交互式网络电视，是传统的电视媒体和新兴的网络媒体相互影响、 相互融合的产物。它是一种利用因特网( i n t e m e t ) 基础设施，通过互联网络协 议( i p ) 向用户提供直播电视、视频点播、上网浏览等多种交互式服务的多媒体 业务。它以i p 机项盒为主要终端，以电视机( 或p c ) 为主要显示设备，以遥控器 为主要输入设备，以宽带i p 为主要传输网络，提供多媒体信息服务。 i p t v 有两个基本特点：基于口技术和个性化的按需服务。与传统电视相比 其最大的特点是交互性和实时性。用户可按需获取宽带i p 网提供的媒体节目， 实现实质性互动，而不再是仅仅单向被动的按照时间表来接收电视节目。其次， i p t v 借助先进高效( 7 6 8 k b s 时接近d v d 水平) 的视频压缩技术( m p e g - 4 、h 2 6 4 等) ，为用户提供高质量的数字媒体信息服务。此外，i p t v 还可以让用户通过普 通电视机享受因特网提供的交互式多媒体信息服务，如可视电话、网络游戏、网 上购物和远程教育等。 图1 1 为i p t v 系统构架： 上海大学硕士学位论文 基于h 2 6 4 的i p r v 机顶盒的设计 图1 - 1i p t v 系统构架 f i g 1 1t h ef r a m e w o r ko f i p t vs y s t e m 在i p t v 系统的前端部分，实时眭的视频信号( 如卫星电视、摄像机等) 或 非实时性的视频节目( 如d v d 等) 先经过节目采集中心对节目源信息进行数字 化采集和编码。然后才被送往流媒体服务器，为终端用户提供多媒体信息服务。 节目存储中心主要用于存储供点播的视频节目，该存储中心内，被客户端点 播的节目，先经过节目采集中心的编码，然后被送往流媒体服务器。 业务管理系统主要负责内容服务访问认证、用户管理、计费管理等操作。其 中，内容服务访问认证包括： ( 1 ) 用户机顶盒接入的认证：系统对用户机项盒的请求有完善的认证机制， 保证入网用户的使用，禁止非法用户的接入。 ( 2 ) 用户内容访问的认证：在机顶盒请求服务时，采取用户名，密码，口地 址，s t bi d ，m a c 地址等信息进行多重验证，防止非法用户盗取媒体内容。 ( 3 ) 内容安全性保护：在流媒体服务器播放时，验证内容的数字签名，如 果签名被破坏或有问题，将不能播放。这样可以有效的防止流媒体服务器上的内 容被更换或盗取。 流媒体服务器把经过数字化处理的视频内容以视频流的形式推送到网络中， 使得用户可以在仅下载部分视频文件后便可开始观看，在观看的同时后续视频内 上海大学硕上学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机项盒的设计 容将继续传输。流媒体系统中包括了提供广播和点播服务的视频服务器。 i p t v 系统所使用的是以t c p i p 协议为主的网络，包括i p 骨干城域网络、 宽带接入网络和内容分发网络等。i p 骨干城域网络主要完成视频流在城市范围 和城市之间的传送，目前城域网络主要采用千兆万兆以太网络。宽带接入网络 主要完成用户到城域网络的连接，目前常见的宽带接入网络包括x d s l 、l a n 、 w l a n 和双向h f c 等，可以为用户提供数百k b p s 至1 0 0 m b p s 的带宽。内容分 发网络是一个叠加在i p 骨干城域网络之上的应用系统，其主要作用是将位于前 端的视频内容分布存放到网络的边缘，如图1 1 中的边缘服务器，以改善用户获 得服务的质量，减少视频流对i p 骨干城域网络的带宽压力。 一般而言i p t v 系统的前端直接连接在i p 骨干城域网络上，视频流通过内 容分发网络被复制到位于网络边缘的宽带接入设备或边缘服务器中，然后通过宽 带接入网络传送到业务的接收端，由此可以看出i p t v 业务中的视频流的传送实 际上是通过分布在全网边缘的各个宽带接入设备或边缘服务器与前端部分共同 完成的。 i p t v 系统的接收端主要是p c 机或普通电视机+ i p t v 机顶盒。本文所研制 的就是用于接收i p t v 视频服务的i p t v 机顶盒。 1 2i p t v 的国内外发展现状与趋势 1 9 9 9 年，英国v i d e on e t w o r k s 公司率先在全球推出了i p t v 业务，此后，国 外许多电信运营商先后进入i p t v 市场。但在2 0 0 4 年之前，多数运营商仅侧重 于i p t v 的试验，2 0 0 4 年后，p t v 丌始从试验阶段向商用阶段转变，许多业界 人士认为，2 0 0 5 年将成为1 p t v 年。 目前，推出i p t v 业务的运营商主要集中在欧洲、北美及亚太部分国家和地 区。根据m r g 公司的研究，2 0 0 4 年，欧洲、亚洲及北美部分国家在i p t v 市场 上的竞争、试验及部署，推动了i p t v 用户数的增长。 ( 1 ) 欧洲：意大利f a s t w e b 公司在欧洲i p t v 发展中扮演了重要角色。其 在口t v 经营上的成功，改变了许多运营商原先对i p t v 的观望态度。目前，除 意大利外，英国、法国、瑞典、德国等国也开通了i p t v 业务。 2 0 0 4 年，欧洲的i p t v 用户约为3 4 万，家庭普及率为o 2 。预计2 0 0 5 年， _ 卜海大学硕士学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 用户数将翻一番。到了2 0 0 8 年，欧洲拥有i p t v 的家庭将达到4 4 0 万，占付费 电视用户的5 。传统的付费电视经营者也被允许进入电信运营商的口t v 领域。 ( 2 ) 北美：美国的i p t v 业务是由电视运营商开始推出的，现在已实现了 数据、语音、多媒体三重业务整合目标。本地运营商开展了d s l 网络和光纤网 络上的i p t v 业务。2 0 0 4 年1 0 月，美国三家主要的电信运营商r b o c s b c 、南 方贝尔和v e f i z o n 公开了口视频计划，开始在美国大规模部署i p t v 网络。 r b o c s b c 己计划2 0 0 5 年全面进入i p t v 市场。到2 0 0 4 年底，v e r i z o n 的口t v 用户数超过1 0 0 万，2 0 0 5 年将再增加2 0 0 万户。 2 0 0 4 年9 月，加拿大i p t v 的用户数约为5 万，占全国电视用户总数的2 左右。预计到2 0 0 6 年底，口t v 用户数将达到2 5 力- ，市场份额为1 7 。 ( 3 ) 亚洲：在亚洲，宽带的发展促进了区域内i p t v 的部署。2 0 0 5 年，日 本y a h o ob b 将开始大规模的i p t v 系统建设，一期用户规模1 0 0 万，二期规模 为5 0 0 万。到2 0 0 4 年底，香港电讯盈科的i p t v 用户为4 8 万。香港有线电视公 司推出了针对零售及宾馆业的i p t v 业务，目前个人用户已达到7 0 万。台湾中 华电信经营的i p t v 业务投放市场半年内，用户数已有2 0 多万。2 0 0 5 年，该业 务用户数将增长至4 0 万，预计2 0 0 6 年的用户数为1 0 0 万。中国大陆的i p t v 用 户已从2 0 0 0 年的约1 万户增至2 0 0 5 年的2 1 9 万户，2 0 0 8 年有望达到2 0 0 0 万户。 1 3 本课题研究的目的和意义 从全球发展来看，1 p t v 已成为业界关注的焦点。而目前，i p t v 可提供三类 业务，满足用户的需求，这三类业务包括电视类业务、通信类业务以及各种增值 业务。电视类业务有广播电视、点播电视、个人视频录制等；通信类业务主要有 基于i p 的语音业务、即时通信服务、电视短信等；增值业务指电视购物、互动 广告、在线游戏等。 从用户需求分析，用户希望保持已养成的t v 终端消费习惯，降低习惯转移 成本。希望i p t v 提供的多媒体业务与传统电视和有线电视节目相比更有价值， 更具差异化。同时，操作简单、界面友好、反应速度快( 节目进退和频道切换) 、 视频质量高也是用户所希望的。 在这一市场驱动之下，电视机+ 机顶盒作为i p t v 业务的接收终端之一，使 d 上海大学硕士学位论文基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 得i p t v 机项盒的研发具有重要的实用价值。本文在当前i p t v 发展的背景下， 对口t v 机顶盒进行了深入研究和开发。 本文研究了i p t v 系统的整体框架和i p t v 业务所涉及到的多项技术标准， 从而，为今后进一步研究如何提高i p t v 视频服务质量，打下了坚实的理论基础。 本文研究了m t v 机顶盒的软、硬件结构，实现了媒体节目的实时接收和处 理，从而为广大的普通电视用户能享受这种由宽带网络提供的个性化、交互式的 m t v 服务打下了实践基础。这些开发经验，将有助于今后研究和开发性能更完 善的i p t v 机顶盒，使电视用户真正享受i p t v 所提供的高质量的个性化服务。 综上所述，研究i p t v 标准和开发i p t v 机顶盒产品对于发展i p t v 这一新 兴产业起到了重要的促进作用。 1 4 本文主要内容和贡献 本文主要内容和贡献有以下几个方面： 1 ) 对基于嵌入式l i n u x 操作系统的i p t v 机顶盒的系统软件进行了模块化 设计。并且，利用软件编程实现了i p t v 机顶盒的网络传输模块，其中主要包括 会话层传输模块、实时传输分析模块和网络延时及延时抖动估计模块的软件设 计。 2 ) 本文提出一种新的多媒体通信的同步算法，并利用软件编程实现了i p t v 机顶盒的媒体流同步控制模块，从而确保i p t v 机顶盒视音频播放的同步性。 3 ) 进行口t v 机顶盒的硬件框架设计，着重研究核心处理芯片b s p 1 5 的特 性、以太网接口的硬件设计、视数模转换器接口的硬件设计、音频数模转换器接 口的硬件设计和i p t v 机顶盒的b o o tl o a d e r 引导加载流程。 4 ) 研究了h 2 6 4 和a a c 压缩编码的原理，以及h 2 6 4 和a a c 基于实时传 输协议的传输标准，对h 2 6 4 视频解码模块和a a c 音频解码模块的软件设计进 行了研究。 5 ) 对i p t v 机顶盒的系统软件进行了性能测试，解决了软件设计中若干存 在的问题。 上海大学硕上学位论文 基于h2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 1 5 论文内容安排 本文第一章概述了1 p t v 的系统构架，以及当前i p t v 的国内外发展现状和 趋势，并总结了本论文的选题目的和意义。最后，阐述了作者所做的主要工作。 本文第二章对i p t v 机顶盒及其业务分类作了简单介绍，特别对1 p t v 提供 的视频业务的相关技术作了详细研究。首先，引入流媒体技术原理，然后着重分 析用于传输流媒体的相关网络传输协议，最后对h 2 6 4 和a a c 压缩编码技术以 及它们基于r t p ( r e a lt i m ep r o t o c o l ，实时传输协议) 的传输标准作了详细分析。 本文第三章对本文研制的i p t v 机顶盒的硬件框架设计作了分析。依次分析 了i p t v 机项盒硬件设计的整体框架、核心处理芯片b s p 一1 5 的特性、以太网接 口的硬件设计、视频数模转换器接口的硬件设计、音频数模转换器接口的硬件设 计和该机顶盒的b o o tl o a d e r 引导加载流程。 本文第四章给出了口t v 机项盒系统软件的结构，并且对嵌入式l i n u x 操作 系统作了研究，着重分析了i p 7 机顶盒各主要网络传输模块的软件设计流程。 此外，本文提出了一套新的实现多媒体同步通信的算法，并对算法的设计和i p t v 机顶盒同步控制模块的设计进行了详细分析。 本文第五章对整个i p t v 机顶盒的性能进行了模块化和整体性测试，给出了 测试步骤和结果。并对测试过程中碰到的若干问题提出了解决方法。 本文第六章是对前述内容的总结，并对口t v 机顶盒的前景做了展望。 上海大学硕十学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 第二章基于h 2 6 4 的流媒体播放器 在i p t v 机顶盒中的应用 i p t v 是一种以家用电视机或p c 为显示终端，通过互联网，提供包括电视 节目在内的内容丰富的多媒体服务业务。i p t v 具有非常鲜明的特点，可以实现 媒体服务者和消费者互动，它能根据用户的选择提供内容广泛的多媒体服务功 能。随着i p t v 技术研究的日益升温，作为主要接收终端之一的i p t v 机顶盒也 已成为机顶盒领域中的研究热点。 2 1i p t v 机项盒及其业务分类 机顶盒( s e t t o p b o x ，s t b ) 是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换 设备，建有用户管理系统和加密系统，通过它服务商可以对用户监控到户。目前， 市场上的s t b 产品主要是数字电视接收s t b ，如线缆s t b 和卫星s t b 。它们可 把来自卫星、地面或有线的数字电视信号转换成模拟电视机能够接收的 p a l n t s c 信号，亦可支持视频点播、互联网浏览、播放d v d 、可视电话等多 媒体的功能。 如今，口t v 技术的出现，使得i p t v 机顶盒成为当前s t b 研究领域中的热 点。与线缆s t b 和卫星s t b 相比，i p t v 机顶盒将利用成本较低的i p 网络构架 和宽带网络技术，为普通电视用户提供更广泛的应用和交互式服务。 i p t vs t b 支持的业务包括基本业务和可选业务。 1 】 ( 1 ) 基本业务：视音频点播业务、视音频广播业务、视频通信、信息浏览 等。其中，视音频点播业务可以让用户根据自己喜好，选择任意节目播放观看， 并可通过遥控器进行快进、快退和暂停等功能的操作。而视音频广播业务以广播 方式将视音频节目推送到s t b ，主要包括在线直播、轮播和转播等多种形式。用 户可通过遥控器选择播放频道，观看节目，但无法控制节目的播放进度。广播一 般采用组播方式实现。 ( 2 ) 可选业务：大型游戏、个人视频录像、卡拉o k 和远程教育等。 7 上海大学硕士学位论文 基于h 2 6 4 的1 p t v 机顶盒的设计 i p t v 机顶盒分为三类，简化型、基本型( 低档) 与增强型( 高档) 。简化型 机顶盒只支持视音频点播广播业务、信息浏览、简单的游戏( 可选) 。基本型机 顶盒必须实现所有的基本业务；增强型机顶盒在支持所有基本业务的基础上，可 根据情况支持不同的可选业务。 本文所研制的是简化型i p t v 机顶盒，其中，对视音频点播广播业务的支持 是本文研究的重点。 2 2 流媒体技术概述 i p t v 作为流媒体系统的一个新的应用，它所提供的视音频点播广播业务是 基于流媒体技术之上的。 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是一种新兴的网络传输技术，它一般是指把连续的 影像和声音信息经过压缩处理后放上网站服务器，让用户一边下载一边观看和收 听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可以观看的视音频传输、压缩 技术。流媒体技术包括流媒体数据采集、视音频编解码、存储、传输和播放等 领域。 流媒体技术的体系构成：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；流媒体数据；流媒体服务器：存放和控制流媒体的数据； 网络：适合多媒体传输协议甚至实时传输协议的网络；流媒体播放器：供 客户端观看流媒体文件。 流媒体采用的是流式传输方式，而流式传输又可分为顺序流( p r o g r e s s i v e s t r e a m i n g ) 传输和实时流( r e a l - t i m es t r e a m i n g ) 传输2 1 ，它们分别应用于不同的 场合。其中的实时流传输能保证媒体信号带宽能够与当前网络状况相匹配，使流 媒体数据总是可以被实时地传输，因此特别适用于现场发生事件。实时流传输需 要用到特定的流媒体服务器，同时还需要特定网络协议的支持。这种流式传输方 式支持随机访问，用户可以快进或者后退地来观看。 本文研发的t v 机顶盒就是基于实时流传输方式来设计的。 2 3l p t v 机顶盒的流媒体传输协议体系 流媒体采用的流式传输的实现需要合适的传输协议，t c p 需要较多的开销 上海大学硕士学位论文基于h 2 6 4 的i p t v 机项盒的设计 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r t p u d p 来传输实时多媒体数据。除此之外，流媒体传输 选择r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c o l ，实时流协议) 、s a p ( s e s s i o n a n n o l m l c e r n e r rp r o t o c o l ，会话公告协议) 和s d p ( s e s s i o nd e s c r i p t i o np r o t o c o l ， 会话描述协议) 来进行会话层通信。 2 3 1 会话描述协议一s d p s d p 是i e t f 定义的，它广泛用于多媒体会议、m 电话等多媒体信息实时传 输应用中。s d p 是一种基于a s c i i 码的纯文本会话描述的格式，它可以使用不 同的传输协议，如s a p 3 1 、s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话初始化协议1 【4 、 r t s p 进行传送。其目的是传送多媒体会话的媒体流信息，方便会话描述的接收 方参加这个会话。 s d p 的会话描述可分为以下两种：会话级描述( 会话级描述以v = 开头) 和媒 体级描述( 媒体级描述以t m = 开头) 。会话级描述给出适用于整个会话和所有媒体 流的描述信息，如：会话的名称和目的、会话存活时间等。媒体级描述给出适用 于单个媒体流的描述信息，如：媒体类型、传输协议、媒体格式( 如h 2 6 4 、m p e g 等标准1 、媒体传输使用的带宽信息等。 s d p 的具体规范可参见r f c 2 3 2 7 【5 】。 2 3 2 实时传输协议一r t p r t p 是由i e t f 制定的一种实时传输协议，它主要用于i n t e r a c t 上传输具有 实时特性的多媒体流。 r t p 由两部分组成：数据部分和控制部分，相对应的r t p 传输协议也分为 实时传输协议r t p 和实时控制协议r t c p ( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 两部分。 当应用程序开始一个多媒体会话时，它将为各媒体流分别开启两个端口，分别用 于传输该媒体的r t p 分组和r t c p 分组。r t p 分组主要用于传输多媒体数据， r t c p 分组主要用于周期性的传送一些控制信息，监视r t p 分组传输的服务质量。 本节以下的r t p 均指数据部分，控制部分r t c p 将在下节予以介绍。 r t p 的分组格式如图2 - 1 所示： 上海大学硕上学位论文基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 vp xc cmp t s e q u e n c en u m b e r t i m e s t a m p s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r c o n t r i b u t i n gs o u r c e ( c s r c ) i d e n t i f i e r h e a d e re x t e n s i o n ( o p t i o n a l ) p a y l o a dh e a d e r p a y l o a dd a t a 厂1 毛琵匠匠五百一 图2 1 r t p 分组格式 f i g 2 - 11 1 l er t pp a c k e tf o r m a t m ( m a r k e r ) ：标志位，视频帧的边界能通过它在视频流中表示出来。 p t ( p a y l o a dt y p e ) ：负载类型，定义r t p 负载的格式。 s e q u e n c en u m b e r ：顺序号，发送r 1 r p 分组顺序的记录。接收端可以依据 该值，消除网络传输造成的r t p 分组的乱序，并可统计出r t p 分组的丢失率。 t i m e s t a m p ：时间戳，表示r t p 包中数据的第一个字节的采样瞬时，如果 几个连续的r t p 分组逻辑上是同时产生的，例如属于同一个视频帧，它们会有 相同的时间戳值。 r t p 的具体规范标准可参见r f c 3 5 5 0 6 1 。 2 3 3 实时控制协议一r t c p r t c p 用来为r t p 的数据传输提供流量控制和拥塞控制服务。 r t c p 分组有五种类型：发送者报告( s r ) ，接收者报告( r r ) ，源描述( s d e s ) ， 告别( b y e ) 和应用( a p p ) 。它们都具有图2 2 所示的统一基本格式： 图2 2r t c p 分组的基本格式 f i g 2 2t h eb a m cr t c pp a c k e tf o r m a t 图2 2 中各字段的具体定义参见参看文献 6 】，本文不再详细介绍。 媒体流接收方可以根据r t c p 的s r 报告，统计出网络传输中r t p 分组的丢 失率以及网络抖动等信息。另外，接收方还将利用s r 报告中的r t p 时间戳和 n t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，网络时间协议) 【7 1 时间戳信息来进行媒体流问同 上海大学硕士学位论文 基于h2 6 4 的i p t v 机项盒的设计 步的恢复，即实现视音频同步，如何利用这两个值将在第四章的媒体流间同步算 法中具体介绍。 r t c p 的r r 报告则是由接收方反馈给媒体流发送方。它包含了接收方对r t p 分组丢失率和网络延迟抖动等信息的统计数据。如果流媒体服务器支持自适应控 制机制，则它可以根据r r 报告中的信息，动态地改变r t p 数据分组传输速率， 甚至改变r t p 分组的有效载荷类型，即视音频的编码格式，从而对网络流量和 拥塞进行自适应控制。 s d e s 报告用于传递同步源的信息，如c n a m e ，n a m e ，e m a i l 和p h o n e 等。每个s d e s 报告必须包含c n a m e 这项，它是规范的s d e s 终点标识项。在 同一个会议中的每个同步源的c n a m e 必须唯一，而且对一个用户而言，在一 次会议中它的c n a m e 应该是固定的。在流媒体传输中，接收方可以根据c n a m e 将来自同一节目源的相关视音频流的r t p 分组联系起来，实现视音频同步。 b y e 报告是一个参与者离开会话之前，用以表明将退出此次会话。 a p p 报告在开发r t c p 新应用和新功能的试验时应用。 r t c p 分组是以复合分组的形式在网络上传输，即具有图2 - 2 所示格式的各 类r t c p 分组被合并在一起，以r t c p 复合分组形式进行传输。图2 - 3 为复合分 组的一种格式： h p a c k e t - h p 一p a c k e t - p i c k “一_ e 1 h t m kc l u m k c o o o u n dp a c k e t u d p p a c k e t 一 图2 - 3r t c p 复合分组的一种格式 f i g 2 - 3f o r m a to f ac o m p o u n dr t c pp a c k e t 关于r t c p 复合分组的传输规范可参见参考文献【6 。 2 3 4 实时流协议一r t s p r t s p 是一个实时流化协议，在体系结构上位于r t p r t c p 之上，用于控制 多媒体实时性数据的传输，提供对媒体流类似于录像机的控制功能，如播放、暂 停、快进等。 上海大学硕上学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 r t s p 是双向的、基于文本的协议。常用的r t s p 请求命令包括；d e s c r i b e 、 s e t u p 、p l a y 、s t o p 和t e a r d o w n 等命令。 若一个客户端向流媒体服务器请求一部电影，则r t s p 的实现如图2 - 4 所示： 客 户 端 一 台话描述 s e tup p l a y 一 一 一 一 r tp r tcp 视额 一 r t p r tcd 音频 r tc p 视频 一 rlc p 音频 一 te a r d 0 n 流 媒 体 服 务 器 端 图2 - 4 r t s p 的实现 f i g 2 4t h er e a l i z a t i o no f r t s p 如图2 - 4 ，客户端通过d e s c r i b e 命令描述向流媒体服务器端请求一部电影， 如果服务器成功响应了，则服务器会把有关这部电影的描述信息发送给客户端， 以便客户通过s e t u p 命令与服务器端建立会话连接。会话连接得到服务器端的 成功响应后，客户端通过p l a y 命令来启动电影的播放，流媒体服务器端成功响 应该命令后，该部电影的视音频r t p r t c p 分组将分别被传送给客户端。同样， 客户端要对接收情况进行r t c p 反馈。客户端可以通过s t o p 命令来向服务器端 发送暂停电影播放的信息，但此时，服务器并不会释放为客户端分配的这部电影 资源，客户端可以通过p l a y 命令再次继续电影的播放。如果客户端要完全退出 这次媒体会话，即不再需要看这部电影，则可以用t e a r d o w n 命令通知服务 器释放为该电影分配的资源，结束这次媒体会话。 r t s p 的具体标准规范可参r f c 2 3 2 6 【8 】。 2 4h 2 6 4 在l p t v 中的应用优势 i t u t 和i s o i e cj t c l 是国际上开发视频编码标准的两个正式组织。其中， i t u t 组织制定的标准主要针对实时视频通信的应用，如视频会议和可视电话 等，它们都以h 2 6 x 命名。i s o i e cj t c l 组织主要针对视频数据的存储、广播 上海大学硕士学位论文 基于h 2 6 4 的i p t v 机顶盒的设计 电视和视频流的网络传输等应用，以m p e g x 命名。制订上述视频编码标准的 进展情况 明如图2 5 示： 回 ：回 1 9 8 4 1 9 8 81 9 9 21 9 9 62 0 0 0 图2 5 视频编码标准发展进程 f i g 2 5t h ep r o c e s so f t h ev i d