（计算机应用技术专业论文）局域网中视频应用的服务质量保证措施与方法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 和多媒体技术的迅速发展，人们对通过网络获取多媒体信息 的需求越来越多，视频点播、远程教学、新闻发布等多点通信业务将成为新一轮 运营竞争的焦点。人们已经在网络平台上开发了各种业务，如e - m a i l 、t e l n e t 、 f t p 、w w w 等业务，这些都是点到点的数据传输：而人们希望在i n t e r n e t 网络上 开视频会议、听现场音乐会、看实况转播等，这些是点到多点或多点到多点的数 据传输，视频传输带来的网络带宽问题更突出。如当n 个i p 地址同时接收网络 多媒体视频流时，设每个视频流所需传输带宽为1 5i b p s ，按现在网络结构， 所需带宽为n 1 5m b p s ，同时会带来无法忍受的网络延时和抖动。为更好解决 这些问题，本文将针对现行的网络优化技术提出相应的解决方案。 本文主要从流媒体技术、o o s 、i p 组播技术等方面探讨视频应用于网络的方 法和保障措施。 流媒体技术是一种专门用于网络多媒体信息传播和处理的新技术。该技术是 一种能够在网络上实现传播和播放同时进行的实时工作模式，目前已经成为网上 音视频，特别是实时音视频传输的主要解决方案。本文对流媒体关键技术进行分 类，并对涉及的关键技术如数据压缩解压缩、传输协议和数字版权管理等进行 了介绍。 如何提高流媒体服务质量o o s 是现在流媒体技术发展的一个关键性的问题。 在多媒体领域，特别是流媒体技术领域，它更是不可忽略的。视频对涉及到的实 时数据流传输对网络带宽、时延和丢包率有较高要求，但是目前得到广泛应用的 i p 网络是一种尽力而为的网络，它并没有对实时多媒体提供任何服务质量保证。 本文首先从两个方面对服务质量加以控制：在发送端控制发送流量；在数据再现 端通过缓冲机制控制媒体同步。然后从拥塞控制和错误控制出发，深入探讨了 o o s 控制机制。 i p 组播技术在多点视频数据传输方面具有很大的优势，当某个站点向网络 中的多个站点发送同一视频数据时，组播技术可以减少不必要的重叠发送，与多 次点对点的单播相比，减轻了系统和网络的负担，提高了用户资源和网络带宽的 利用率，极大地改善了视频数据传输的实时性。参与通信的各主机不论是源站点 还是目的站点均使用同一程序，无客户机和服务器之分，从而具有对等性。组播 山东大学硕士学位论文 带入了许多新的应用并减少了网络的拥塞和服务器的负担。 关键字：视频；局域网 i l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e ta n dt h em u l t i m e d i at e c h n o l o g y ， t h e r ei sag r o w i n gd e m a n df o ro b t a i n i n gm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nt h r o u g han e t w o r k m u l t i - p o i n tc o m m u n i c a t i o n si n c l u d i n gv i d e o o n - d e m a n d ，d i s t a n c el e a r n i n ga n dn e w s r e l e a s ew i l lb e c o m eac o m p e t i t i v ef o c u so ft h en e w o p e r a t i o n p e o p l eh a v ea l r e a d y d e v e l o p e dv a r i o u sb u s i n e s so nt h en e t w o r kt e r r a c e ，s u c ha se m a i l ，t e l n e t ，f y p ， w w w ，a l lo fw h i c hb e l o n gt ot h ep o i n t - t o p o i n td a t at r a n s m i s s i o n n o w a d a y sp e o p l e e x p e c tt oh o l dv i d e oc o n f e r e n c e s ，l i s t e nt os p o tc o n c e r t sa n dw a t c hl i v eb r o a d c a s to n t h ei n t e m e t ，w h i c ha r ep o i n t - t o p o i n to rm u l t i p o i n t - t o - m u l t i p o i n td a t ac o m m u n i c a t i o n t h ep r o b l e mo fn e t w o r kb a n d w i d t hi sm o r eo u t s t a n d i n gb e c a u s eo ft h ev i d e o t r a n s m i s s i o n f o ri n s t a n c e ，w h e nni pa d d r e s s e sr e c e i v eam u l t i m e d i av i d e o s t r e a m i n ga tt h es a m et i m e ，a n de a c hv i d e os t r e a m i n gr e q u i r e s1 5m b p sb a n d w i d t h ， t h et o t a lb a n d w i d t hr e q u i r e sn 1 5m b p s ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts t r u c t u r eo ft h e n e t w o r k a n dt h en e t w o r kd e l a ya n dj i t t e ri tb r i n g sa b o u ti su n e n d u r a b l e t os o l v e t h e s ei s s u e s ，t h i sa r t i c l e 、忻l l0 f f e rt h es o l u t i o n sb a s e do nt h ec u r r e n tn e t w o r k o p t i m i z a t i o n t h i sa r t i c l ee x p l o r e st h em e t h o d sa n ds a f e g u a r d v i d e oi nt h ei n t e m e tf r o mt h ea s p e c t so fs t r e a m i n g m u l t i c a s tt e c h n o l o g y m e a s u r e si nt h ea p p l i c a t i o no f m e d i at e c h n o l o g y ，q o sa n di p s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yi sak i n do fn e wt e c h n i q u ew h i c hi se x c l u s i v e l yu s e d i nt h ed i s s e m i n a t i o na n dh a n d l e so ft h em u l t i - m e d i ai n f o r m a t i o n t h et e c h n o l o g yc a n a c h i e v et h em o d et h a td i s s e m i n a t e sa n db r o a d c a s t ss i m u l t a n e o u s l yo nt h en e t w o r k c u r r e n t l y ， i th a sa l r e a d yb e c o m eam a i ns o l u t i o no fa u d i oa n dv i d e ot r a n s m i s s i o n ， e s p e c i a l l yo fr e a l t i m ea u d i oa n dv i d e ot r a n s m i s s i o n t h ek e yt e c h n i q u eo ft h e s t r e a m i n gm e d i ai sc l a s s i f i e di nt h i st e x t a n dt h ek e yt e c h n i q u ec o n c e m e ds u c ha s d a t ac o m p r e s s s o l v ec o m p r e s s i o n ，t r a n s p o r tp r o t o c o l sa n dd i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t i sa l s oi n t r o d u c e di n 吐1 i st e x t h o wt oi m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t yo ft h es t r e a m i n gm e d i ai sak e yi s s u ei nt h e s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i nt h ef i e l do fm u l t i m e d i a ，e s p e c i a l l yi nt h e f i e l do fs t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y ，i tc a nn o tb ei g n o r e d v i d e oo ft h ei n v o l v e d r e a l - t i m es t r e a m i n gd a t at r a n s m i s s i o nh a sh i g h r e q u i r e m e n t s f o rt h en e t w o r k t i t 山东大学硕士学位论文 b a n d w i d t h ，l a t e n c ya n dp a c k e tl o s sr a t e w h i l et h ec u r r e n tw i d e l yu s e di pn e t w o r ki sa n e t w o r kf o rt h eb e s t ，a n di td o e s n to f f e ra n ys e r v i c e sq u a j i 够a s s u r a n c ef o rt h e r e a l t i m em u l t i m e d i a t h i sa r t i c l eb e g i n sw i t ht w oa r e a so fs e r v i c eq u a l i t yc o n t r o l ： c o n t r o l i n g f l o wr a t ei ns e n d i n gt e r m i n a la n dc o n t r o l i n gm e d i as y n c h r o n i z a t i o n t h r o u g hb u f f e r i n gm e c h a n i s mi nd a t ar e p r o d u c t i o nm r n 血n a l a n dt h e ni t d i s c u s s e s t h o r o u g h l yt h ec o n t r o lm e c h a n i s mo fq o sb a s e do nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o la n dt h e e r r o rc o n t r 0 1 i pm u l t i c a s t t e c h n o l o g y h a sag r e a t a d v a n t a g ei nm u l t i - p o i n tv i d e o d a t a t r a n s m i s s i o n w h e naw e bs i t es e n d st h es a m ev i d e od a t at om u l t i p l es i t e s ，m u l t i c a s t t e c h n o l o g yc a nr e d u c eu n n e c e s s a r yd u p l i c a t i o ns e n d i n g ，a n dt h u sr e d u c e st h eb u r d e n o ft h es y s t e m ，a n dr a i s e st h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ff a m i l yr e s o u r c e sa n dn e t w o r k b a n d w i d t h ，a n dg r e a t l yi m p r o v e dt h er e a l t i m ea p p l i c a t i o ni nv i d e od a t at r a n s m i s s i o n ， c o m p a r e dt oap o i n tt op o i n ts y s t e m t h em a i n f r a m ec o m p u t e r sw h i c hp a r t i c i p a t ei n c o m m u n i c a t i o nu s et h es a m ep r o c e d u r e sb o t hf r o mt h es o u r c es i t ea n df r o mt h e p u r p o s es i t e ，a n dt h e r ei sn oc l i e n ta n ds e r v e rd i v i s i o n ，w h i c hm a k e s i ts h a r ea ne q u i t y n a t u r e m u l t i c a s tb r i n g san u m b e ro fn e wa p p l i c a t i o n sa n dr e d u c e sn e t w o r k c o n g e s t i o na n dt h eb u r d e no f t h es e r v e r s k e y w o r d s ：v i d e o ；l a n i v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：睦互壶苔 e l 期：皇通丝：匆 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拙舀导师签名：期：t 生 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼! 詈曼皇曼皇曼量曼曼曼量量曼曼皇曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇鼍i 皇皇鼍鼍! 鼍詈鼍皇曼曼曼鼍量鼍皇! 曼曼鼍曼曼曼曼 第1 章引言 1 1 研究背景 随着网络视频的不断发展，支持网络视频的设备也在日益发展和完善。流媒 体编码器、流媒体管理系统、网络视频服务器等网络视频设备不断完善，高品质 的网络视频设备让用户能从容实现在网络上的音频、视频的捕捉、管理和分发。 我们在网上可以看到各种各样支持网络视频的软件，如网络视频捕捉、网络视频 发布软件、可视电话、远程视频会议软件等，还有雅虎通等聊天软件也都带有视 频功能。目前，网络视频在的传输速度已经够快，应用范围也非常广泛。网络视 频在远程视频会议、网络视频广告、电视台的制作播出、网络视频监控、视频服 务、远程教育等方面都有广泛应用。近年来，视频会议领域发展极为迅猛，企业 对于在国际和洲际间进行的视频会议的需求也大幅度增加。 1 2 研究现状 随着信息社会的快速发展，流媒体技术在互联网媒体传播方面起到了主导的 作用。其中视频点播、远程教育、视频会议、i n t e r n e t 直播、网上新闻发布、 网络广告等方面的应用空前广泛，方便了人们全球范围内的信息、情感交流，人 们已经进入了一个多媒体信息的时代。在选择学习和娱乐信息时，不再是单纯的 枯燥的文字信息，丰富多彩的图片和视频信息越来越成为人们的首选。流媒体成 为互联网应用的主流，并因其广泛而又独特的魅力占领互联网重要市场，从而推 动互联网整体架构的革新，拉动信息经济的发展。近几年来，流媒体技术在世界 范围内已有应用，特别是1 9 9 5 年推出第一个i n t e r n e t 流媒体播放器以来， i n t e r n e t 流媒体应用有了爆炸性增长，截止2 0 0 8 年6 月，中国互联网络信息中 心调查表明，上网用户数已达2 5 3 亿，随着上网用户的逐日聚增，宽带网的不 断发展，网络将成为人们获取信息，家庭娱乐的重要渠道。十大网络应用中，三 大娱乐类网络应用网络音乐、网络视频和网络游戏都分列其中，娱乐仍旧是 中国网民的主要互联网活动之一。网络视频的使用率为7 1 ，用户量已经达到1 8 亿人，是中国的第四大网络应用。第四媒体的发展极其迅速，但同时还处于成长 阶段。第四媒体的优势即相对于传统媒体的特点在于交互式的双向传播信息丰 富、资源共享超时空、地域和人种传播，时效性好。互联网的发展为电视的传播 提供了新的载体。由于数字技术与计算机技术的飞速发展，远距离传送数字视音 山东大学硕士学位论文 频信号成为可能。而网络视频作为网络媒体重要的一部分，它的现状及发展前景 如何，这与我们传统的影视息息相关，我们要引起足够的重视和关注。随着人们 对视频和音频信息的需求愈来愈强烈，追求远距离的视音频的同步交互成为新的 时尚。互联网的发展决定了流媒体市场的广阔前景。与用户增长相呼应，逐年互 联网上视频流媒体技术应用大幅度增长。但繁多的视频文件种类，各主流厂商互 不兼容的标准，使得我们在使用视频文件时面临诸多类似选择播放器，文件打不 开，有声音没图象，不能识别的媒体文件格式等等，给我们的使用带来了极大的 不便。对于宽带来说，我们清醒地认识到，未来的宽带业务不能强调是宽带接入， 而应该是宽带服务。中国互联网络信息中心调查表明，用户经常使用的网络服务 主要有电子邮箱、看新闻、浏览网站网页、视频会议、点播、网上直播。本文 将在这样的大环境下对视频在局域网上应用的保障措施及方法进行探讨分析。 1 3 本文主要工作 本文主要通过对视频技术的应用现状和发展趋势的分析，借鉴国内外网络视 频技术的研究经验，提出视频应用在网络的方法和保障措施，为视频应用提供更 好的技术支持。 提出了从流媒体技术、o o s h 艮务质量保证、i p 组播技术三个方面结合来解决 视频应用于网络的中的存在问题。 1 、对流媒体关键技术进行分析，分别对数据压缩解压缩、传输协议和数字 版权管理进行了介绍。 2 、对q o s 问题进行了讨论，提出了错误控制和拥塞控制的关键技术，以提 高视频在网络传输中的质量。 3 、结合组播技术工作方式和特点，对实现i p 组播技术的前提条件、i p 组 播技术的优势及i p 组播技术的应用进行了分析，并探讨了i p 组播的发展前景。 1 4 本文结构 全文的组织结构如下： 第一章主要介绍了本文的研究背景、研究目标及内容安排。 第二章介绍了流媒体技术背景、发展现状和应用前景，对流媒体关键技术在 视频技术上的应用进行了介绍。 第三章对o o s 问题进行了研究。在分析q o s 的指标、控制机制和控制原理的 2 山东大学硕士学位论文 基础上，提出了基于宽带i p 的视频点播系统的流媒体q o s 控制方案，给出了一 个实时视频网络传输系统的实现框图，并结合该原理框图，分析了实时视频网络 传输系统的关键技术：视频采集、视频编码解码和网络传输控制协议。 第四章主要介绍了组播的概念、工作方式和特点，分析了i p 组播技术的概 念和相关技术。 第五章提出了一种基于流媒体技术的校园网直播系统的完整的解决方案。 最后对整篇论文进行总结，提出了尚需改进的地方和下一步的工作方向。 3 山东大学硕士学位论文 第2 章流媒体技术分析 2 1 流媒体概述 2 1 1 基本概念 所谓流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是指采用流式传输的方式使音频、视频及其 它多媒体在i n t e r n e t 上实时播放的一种技术。流媒体又叫流式媒体，它可以用 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。流式传输方式是将多 媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，由视频服务器向用户计算机连 续、实时传送。用户可以用它来实时广播，或者将它作为存档文件以便在需要时 再使用。在采用流式传输方式的系统中，用户不必像采用下载方式那样等到整个 文件全部下载完毕，而是只需经过几秒或几十秒的启动延时即可在用户的计算机 上利用解压设备( 硬件或软件) 对压缩的多媒体文件解压后进行播放和观看。此时 多媒体文件的剩余部分将在后台的服务器内继续下载。( 见图2 1 ) 寅i 览嚣 放软 h c t p 盯c p 材信息r t s p 厂r c p w w w 服务器 定位 流媒体 服务器 流盯p u d p 图2 1 流媒体传输原理 与单纯的下载方式相比，这种对多媒体文件边下载边播放的流式传输方式， 不仅使启动延时大幅度地缩短，而且对系统缓存容量的需求也大大降低。 2 1 2 流媒体系统介绍 一个完整的流媒体系统( 如图2 - 2 所示) 由以下几部分组成：压缩编码部分、 流媒体服务器、客户端播放软件。压缩编码部分由带音视频硬件接口的专用计算 机完成，将普通格式的音频、视频、动画等转换为能进行流式传输的流式文件； 流媒体服务器用于存放和控制流媒体数据，向客户端发送编码后的媒体流；客户 端播放软件负责解码和播放接收到的媒体数据。编码器对原始的音视频媒体源进 行一定格式的压缩编码，将其封装为一个媒体文件，供服务器进行传输。服务器 负责将编码数据封装成r t p 数据包发送到网络中。每次从节目中获取一帧数据， 4 山东大学硕士学位论立 然后分成几个r 什数据包，并将雕戳和序列号添加到r p 包头，属r | r j 帧 的数据包具有相例的叫戳。 旦到达数据包所应措放的时问后，服务器便将这 帧的音观频数据包发送出去，然后再读取卜一帧数据。客户端每次从队列头部读 取一帧的数据，从包头的时戳中解出馥帧的播放时问，然后进行音视频同步处理。 同步后的数据将送入解码器进行解码，解码后的数据杖送入一个循环读取的缓存 中等待。一但该帧的播放时间到达，解码数据就被从缓存中取卅，送入播放模块 驱动底层硬件设备进行显示或描放。 葛争一画 图22 流媒体系统 2 13 流媒体技术特点 l 、流媒体数据量与用户质鼍的兼顺性。在网络多媒体系统中，长期以柬， 网络传输的数据量与j 村户端的质量是一对矛盾。即：要确保用户端有较盘了的质最， 就必须加大网络传输的数据量，则需要增加网络带宽和磁盘存储空问，因而必须 增加建设成本。所以，在流媒体压缩标准体现了二者兼顾性原则：尽量咀最小的 数据量在用广终端还原最好的主观视频质量。 2 、流媒体文件格式的兼容性。网络多媒体在r 几年的发艟历程c i ，形成的 文件格式众多。既有尉际通用的格式( 如y a p e g 系列) ，又“r m a s f 皿0 v ” “a v i s w f ”等，纷繁复杂而且在网卜都有应用。在对文件格式的选择l 兼弈 性强，在提南用户质量的前提下，各种文件格式都要能够广泛兼容或便捷转换。 3 、点播系统的并发性。作为运营级网络，必须提供面向大量用户接八的能 力和管理功能。因此，流媒_ 怍服务器的i o 带宽足够犬，特别是用户在对同一文 件( 节日) 同时点播时，服务器的并发能力强。在用户逐渐增多后，能够支持分 布式多服务器的协同工作和负载均衡。 屠屠：!屠 山东大学硕士学位论文 4 、流媒体存储的海量性。电视剧、电影、歌曲、音乐等多媒体原始素材资 料，都是以流媒体文件的形式存储在磁盘中供用户点播的，系统的磁盘存储容量 和并行i o 能力足够大，能适应海量存储的要求。 5 、流媒体数据的安全性。流媒体文件在磁盘上要具备科学的分布放置策略 和安全备份策略，点播时不至于因文件损坏而发生点播失败的问题。 6 、用户的可管理性。在运营级的网络中，对用户的管理功能至关重要，流 媒体系统具备用户的身份验证功能和计费或加密功能，以防止非法用户的访问， 同时，便于对不同身份用户提供分级控制服务。 2 2 流媒体的关键技术 流媒体的三个关键技术包括数据压缩解压缩技术、流媒体的网络传输技术 和媒体文件在流式传输中的版权保护技术。 2 2 1 数据压缩解压缩技术 流媒体的本质是媒体，流是媒体传递过程中的一种表现形式。媒体的编码本 质就是音频的编码和视频的编码，然后将两者同步传送，形成媒体流。相比传统 的编码方法，流媒体的关键在于降低文件大小，使之能减少带宽压力，也即是除 了要做到和传统的编码相同的功能外，压缩是流媒体编码的重点考虑因素，解码 只是对编码数据的恢复，虽然也很重要但不是技术的关键。视音频压缩编码技 术是数字电视和交互式系统、多媒体计算机、多媒体通信中的关键技术，它也是 流媒体技术的核心之一，它将原来不适合网络传输的大体积文件转化成可以适合 网络传输的小体积文件，通常称为压缩编码技术。 数据的压缩方式和图像压缩的j p e g 格式很相像，流媒体在播放时，播放器 进行实时的解压缩。在不影响文件播放质量的前提下，会丢弃一些不必要的数据， 比如一帧视频图像中和前一帧相同的部分、人的视力不敏感的色差、人的听力不 敏感的频率等。这样，流媒体的文件体积要比其他类型的媒体文件小的多，和传 统的声音( w a v ) 以及视频( a v i ) 文件相比，同样内容的流媒体文件体积只有它 们的5 左右。 从目前的主要技术上看，得到市场认可的主要有微软的w m v 标准、i s o 的 移动图像专家组( 肝e g ) 开发的m p e g 系列标准、以及i t u - t 和i s o 两个国际 化标准组织的有关视频编码的专家联合组成的视频联合工作组( j v t ) 开发的 山东大学硕士学位论文 h 2 6 4 标准。 视频流技术的特点要求视频流的压缩技术不仅是高效的，还必须是码率可调 整的，即视频数据只压缩一次，但可以以多个帧率、空间分辨率或视频质量进行 解码，从而仅用一个码率可调整的码流就可以支持所有的用户。 针对视频流发展的需求，2 0 0 0 年m p e g 一4 标准增补了视频流应用框架，提 出了可精细扩展编码方法( f g s ，f i n eg r a n u l a r i t ys c a l a b i li t y ) 。经过多次 实验，d c t 系数的比特平面编码因为实现复杂度低、性能优等特点被m p e g 一4 选 定为f g s 编码机制。 m p e g 一4f g s 采用的是一种混合分层嵌入式编码策略，压缩后的码流包括 一个基本层和一个增强层，基本层采用非可扩展的基于d o t 变换的运动补偿混合 编码方法，对原始图像与基本层重建图像之间的残差图像采用d c t 系数的比特 平面编码方法来得到增强层的码流，增强层码流可以在任意处截断，从而获得对 r 1 1 码流速率的连续控制，这就是被称作“可精细扩展”的原因“。 f g s 编码方法实现简单，可以在编码速率、显示分辨率、内容、解码复杂度、 抗误码等方面提供灵活的自适应和可扩展性，具有很强的带宽自适应能力和抗误 码性能，但还存在以下问题： ( 1 ) 编码效率低于不可扩展的编码方法。这是由于非可扩展编码与f g s 编 码的出发点不同，前者的目的是在给定的编码速率下使编码的失真最小，而后者 的目的是为了可精细地调整编码速率。为了避免因为接收不到增强层的信息而造 成的误码扩散问题，f g s 预测时采用的是一种“开环”增强层的预测方式，预测 时没有利用高质量的增强层信息。 ( 2 ) f g s 方法在编码时确定帧尺寸、帧率、解压缩的质量，在图像质量和编 码效率之间达到均衡，并没有考虑实际可用的传输带宽、网络丢包率、用户爱好 以及接收端的部分解码等问题，造成接收端得到的视频质量并非最优。 目前b l p e g 一4f g s 支持质量( s n r ) 可扩展，而不支持时间可扩展，无法进行时 r n 间分辨率的调整。为此，m i h a e l a 等“。提出了一种混合时间s n r 的f g s 编码方 案，采用一个f g s 增强层就可以调整质量和时间分辨率，扩展了增强层的码率 r01 范围。w u 等”。提出的渐迸可精细扩展方法p f g s ( p r o g r e s s i v ef i n e 7 山东大学硕士学位论文 g r a n u l a r i t ys c a l a b i l i t y ) 针对f g s 方法编码效率不高的缺点，利用多个增强 层进行预测以减少预测误差，提高了编码效率，但同时运算复杂度也会相应地提 高。近来，人们在把对f g s 的研究集中在提高增强层视频的视觉质量方面，包 括频率加权、对感兴趣区有选择地增强以提高视觉质量、提高增强层的抗误码能 力等。 在实际应用中，用户希望能够实现对多媒体信息的有效、快速的浏览，这其 中的关键是能为用户提供v c r 功能，如快进、快退、停止、随机存取等，要实 现这些功能需要更多的网络带宽以及解码复杂度的提高。 随着新m p e g 国际标准的不断推出，许多视频流应用都采用m p e g 格式对视 频信息进行压缩。因此，不少学者对m p e g 码流支持v c r 功能进行了深入的研究。 m p e g 标准采用的是基于i p b 帧结构的运动补偿预测编码机制，如果要对p 帧 解码，则需要首先对前面的i p 帧进行解码，而要对b 帧解码，则前后的p 帧 都要先解码。这种i p b 帧结构便于实现快进等前向播放功能，但要实现后向播 放功能则难度很大。 一种实现后向播放功能的方法是将整个g o p 解码后存储在一个大的缓存器 中，然后再反向播放。但这需要用户端有极大的缓存器来存储解码帧，因此虽然 实现简单但在实际应用中并不可行。c h e n 等h 。提出的方法是在客户端将p 帧转 换成i 帧，切断i 帧和p 帧之间的相关性。在进行帧类型转换和帧顺序重排后， 采用交换运动矢量的办法进行新i b 码流的反向播放。但将p 帧转换成i 帧时 会造成解码复杂度高、存储空间大等问题。 w e e 等”。提出的方法将i p b 格式的码流分成两部分：i - p 帧部分和b 帧部 分。采用码间转换的方法将帧转换成反向帧顺序的i p 码流，然后根据原有i p 帧的前向运动矢量估计新i p 码流的反向运动矢量，降低了转换过程中的运算 复杂度。对于b 帧，采用一种用于反向播放的运动矢量交换机制，但是这种码间 转换过程所需的计算量仍然很大，还会因为运动矢量估计的误差造成误码扩散。 以上这些方法都没有完全解决因为支持v e r 功能而造成的网络流量增加和 解码复杂度增大等问题。o m o i g u i 等旧1 提出的解决快进问题的方法是存储多个具 有不同时间分辨率的压缩码流，然后根据用户的要求发送某一个具有适当的时间 山东大学硕士学位论文 分辨率的码流。这种方法不会造成网络流量过大的问题，但是由于存储的码流数 r 1 目有限，快进的速度受到一定的限制。l i n 等“。在服务器上采用双向码流结构来 解决反向播放的问题，并基于这种结构，提出了一种服务器端的帧选择机制来减 小所需的网络带宽和解码器复杂度。采用误差补偿机制来减少由于码流切换而造 成的误码扩散问题，最终实现用m p e g - 4 视频流系统提供全部的v c r 功能。 2 2 2 流媒体的网络传输技术 流媒体压缩编码以后，如何在网络上有效传输是另外一个需要考虑的重要问 题。和w e b 服务器采用的超文本传输协议( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，h t t p ) 相比，流媒体服务器采用了一些适合流媒体传输特性的传输协议。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 u d p ) 来传输实时数据。流式传输的过程一般如下： 1 、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，以便将需要传输的实时数据从原始信息中检索出来； 2 、w e b 浏览器启动音视频客户程序，使用h t t p 从服务器检索相关参数并 对音视频客户程序初始化，这些参数可能包括目录信息、音视频数据的编码类型 以及与音视频检索相关的服务器地址信息等； 3 、音视频客户程序及音视频服务器运行实时流协议，以交换音视频传输所 需的控制信息，同时提供执行播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法； 4 、音视频服务器使用r t p u d p 协议将音视频数据传输给音视频客户程序， 一旦音视频数据抵达客户端，音视频客户程序即可播放输出。 网络的环境是复杂的，在网络拥挤的情况下，没有办法保证流媒体文件及时 有效的传输，虽然数据缓冲技术可以缓解数据实时传输的压力，但是单纯依靠数 据缓冲技术依然无法满足顺畅欣赏网络媒体的要求。当然，网络传输技术的应用 也可以大大缓解带宽的压力，特别是能满足高清晰度直播电视的需求。 确保流媒体文件高效快速传输的技术成为迫切的需求，r t p r t c p 、r t s p 和 r s v p 这三种协议就是为了保证流媒体在i n t e r n e t 中高效、实时传输的技术体 制。 1 、实时传输协议r t p 与r t c p ( r e a l - t i m ec o n t r o lp r o t o c o l ，r t c p ) r t p 是用于i n t e r n e t 上的针对多媒体数据流的一种传输协议。r t p 被定义 9 山东大学硕士学位论文 为在一对一或一对多的情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议上工作。当 应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞 控制，它依靠r t c p 提供这些服务。r t c p 和r t p 起提供流量控制和拥塞控制 服务。r t p 和r t c p 配合使用，以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化， 因而特别适合传送网上的实时数据。 2 、实时流协议r t s p ( r e a l - t i m es t r e a m i n gp r o t o c o l ，r t s p ) 实时流协议r t s p 是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，该协议定 义了一对多情况下应用程序如何有效地通过i p 网络传送多媒体数据。r t s p 在 体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r t p 完成数据传输。h t t p 与 r t s p 相比，h t t p 传送h t m l ，而r t p 传送的是多媒体数据。h t t p 请求由客机发 出，服务器做出响应；使用r t s p 时，客户机和服务器都可以发出请求，即r t s p 可以是双向的。 3 、资源预订协议r s v p 协议( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c o l ，r s v p ) r s v p 是正在开发的i n t e r n e t 上的资源预订协议，使用r s v p 预留一部分网 络资源( 即带宽) ，能在一定程度上为流媒体的传输提供o o s 。r s v p 是网络控制 协议，它使i n t e r n e t 应用传输数据流时能够获得特殊服务质量( o o s ) ，r s v p 是 非路由协议；它同路由协议协同工作，建立与路由协议计算出路由等价的动态访 问列表。在r s v p 中，数据流是一系列信息，有着相同的源、目的( 可有多个) 和服务质量，q o s 要求通过网络以流说明形式通讯。流说明是互连网主机用来请 求特殊服务的数据结构，保证互连网处理主机传输。 r s v p 协议的两个重要概念是流与预定。流是从发送者到一个或多个接收者 的连接特征，通过i p 包中“流标记 来认证。发送一个流前，发送者传输一个 路径信息到目的接收方，这个信息包括源i p 地址、目的i p 地址和一个流规格。 这个流规格是由流的速率和延迟组成的，这是流的q o s 需要的。接收者实现预定 后，基于接收者的模式能够实现一种分布式解决方案。 r s v p 领域的发展是非常迅速的，但目前并没有在任何一种网络上得到证实， 它的应用只是局限在测试的小i n t e r n e t 网络上。因为r s v p 的预定必须建立在完全 l o 山东大学硕士学位论文 流方式的基础上，其可扩展性问题倍受关注。 2 2 3 媒体文件在流式传输中的版权加密技术 d r m 数字版权管理( d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ) ，是流媒体中对于版权 控制的关键技术，它可以在一定程度上避免媒体文件被数字化后的盗版问题，盗 版视频光盘( v i d e oc o m p a c td i s k ，v c d ) 现象就是典型的媒体文件数字化以后 版权管理缺位造成的现象。流媒体产业要成功，数字版权管理技术是应用的关键， 因为这样才能保护著作者的权益，促进产业的健康发展，网络多媒体资源才会越 来越丰富。版权保护问题一直是i n t e r n e t 中流媒体分发的关键问题，d r m 是解决 这一问题的途径，对流进行加密处理是这一技术的核心内容。 2 3 流媒体的应用 互联网的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，流媒体 业务正变得日益流行。流媒体技术广泛用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广 告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互 联网信息服务的方方面面。下面主要介绍在学校教学等活动中的应用。 1 、网络教学 通过流方式进行传输，可以避免将整个音频、视频文件放到文件服务器上面， 然后通过h t t p 、f t p 等方式下载到本地才能放，既耗时又费力，又不能实现网上 直播。流式传播只需在电脑上创建一缓冲区，经过十几秒的延时就可以顺利播放 音视频等多媒体文件，一边接收一边播放。在网络语音教室采用m i c r o s o f t 的 w i n d o w sm e d i at e c h n o l o g y 的信息流式播放方案，硬件方面由一台服务器、一 台教师机、若干学生机组成。服务器端采用m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 、 m i c r o s o f tm e d i as e r v e r 、m i c r o s o f ts q ls e r v e r ，通过m i c r o s o f tm e d i as e r v e r 提供音视频广播服务；教师端采用m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s t i o n a l 、 m i c r o s o f tm e d i ae n c o d e r ，对教师的声音图像进行编码并发到服务器进行广播， 同时有多路音视频信号可以选择切换，比如教师机电脑桌面、实物投影、d v d 影 碟机等信号；学生端采用m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 、m i c r o s o f t m e d i ap l a y e r ，教师机可以通过网络语音教室系统控制软件对学生机进行控制， 使他们观看指定的音视频信号或者自选共享资源完成学习。多路信号传输和教师 机控制功能使该套系统发挥了强大的可扩展性，教师的讲课和学生的自学都能够 山东大学硕士学位论文 轻松实现，充分发挥了现代网络教学手段的优势。 2 、精品课程建设 由于国家精品课程是面向评审及学生，需要在网络上提供课程资源，已实现 资源共享及在线观看，国家精品课程建设工作实施办法中明确给出了视频的