（计算机系统结构专业论文）一种基于模糊控制的流媒体转发及存储系统的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，计算机网络技术特别是宽带技术的发展给人们的生活带来了巨大的冲 击。可以预见，在不久的将来，i n t e r n e t 将成为人与人之间最主要的交流方式。而流 媒体技术的出现与发展将使得人与人之间的交流方式更加人性化、多样化。 为构建一个稳定的、高效的、基于i p 的流媒体应用平台，有必要对现代流媒体 的传输和存储技术进行研究。考虑到应用环境的复杂性，在数据采集端采用了一个 基于“c l i m l x 的嵌入式设备，该设备支持t c p i p ，可适用于多种工作场合。而在接 收端，用户可以通过播放器或者是w e b 页面来获取千里之外的视音频内容。 作为流媒体服务平台的枢纽，视音频数据转发及存储系统需要将从数据采集端 接收的数据重新分帧、包装并转发给发布服务器。在转发过程中，由于采用的是本 身不具备拥塞控制的u d p 协议，因此出现丢包的情况在所难免。i 帧作为参考帧， 包含着更多的有效信息。相较p 帧而言，i 帧的丢失往往会对视频质量产生更大的 影响。在网络负载较大的情况下，怎样降低i 帧的丢失率就成了一个具有现实意义 的问题。在带宽有限的条件下，可以考虑主动丢弃一部分p 帧以降低网络的负载。 因此设计一种能够根据网络的负载状况和数据源的重要程度对p 帧的丢弃进行模糊 控制的算法具有一定的积极意义。出于通用性的考虑，系统选择较为常见的a s f ( a d v a n c e d s y s t e mf o r m a t ) 和a v i ( a u d i o v i d e oi n t e r l e a v e d ) 作为存储格式。为方 便用户开发，m i c r o s o f t 公司在w i n d o w s 平台上提供了相应的s d k ( s o f f w a r e d e v e l o p m e n tk i t ) ，但考虑到系统在u n i x 平台上的应用，有必要在研究和分析a s f 和a v i 格式的基础上提出一种脱离m i c r o s o f ts d k 的存储实现方法。 基于面向对象的设计思想，可以将系统分为3 个模块，它们分别完成数据的转 发、存储和控制信令解释等功能。在分析相关协议和标准的基础上，给出了这些模 块的设计方案和具体的实现方法。 关键词：流媒体，视频传输，视频存储，模糊控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n r e c e n t l yy e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k se s p e c i a l l yb r o a d b a n d n e t w o r k t e c h n o l o g yh a sm a d e ad e e pa f f e c t i o nt op e o p l e sl i f e i nt h ef u t u r e ，i n t e r a c tw i l l b et h em a i nw a yo fc o m m u n i c a t i o n a m o n gt h ep e o p l e ，a n d t h e a p p e a r a n c e a n d d e v e l o p m e n to ft h es t r e a mm e d i at e c h n o l o g yw i l lc e r t a i n l ym a k et h ec o m m u n i c a t i o n m o r ev a r i o u sa n df r i e n d l y f o rc r e a t i n gas t e a d ya n de f f i c i e n t a p p l i c a t i o np l a t f o r mb a s e do ni n t e r n e t ，t h e t r a n s m i s s i o na n d s t o r a g et e c h n o l o g y o ft h em o d e ms t r e a mm e d i am u s tb er e s e a r c h e d a n e m b e d d e de q u i p m e n tw h i c hb a s e do nuc l i n u xi sa p p l i e di nt h ed a t ac o l l e c t i o np a r to f t h ep l a t f o r m ，i tc o u l db eu s e di nm u l t i p l ew o r ks i t u a t i o n t h eu s e r sc a nv i s i tt h ew e bo r u s em e d i a p l a y e r t og e tv i d e o a u d i oc o n t e n t s a st h eh i n g eo f t h es t r e a mm e d i as e r v i c ep l a t f o r m ，t h ev i d e o a u d i od a t at r a n s f e ra n d s t o r a g es y s t e mi sd e s i g n e d t or e c e i v et h ed a t as e n tb yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma n dt r a n s f e r t h ed a t at od e l i v e r ys e r v e r i ti su n a v o i d a b l et ol o s st h e p a c k e ti np r o c e s so f t r a n s f e rs i n c e t h ec o n g e s t i o nc o n t r o li sn o tp r o v i d e di nu d p i n t r a - p i c t u r ef r a m eh a sm o r ei n f o r m a t i o n t h a np r e d i c t e df r a m e ，s ot h el o s so ft h ei n t r a - p i c t u r ef r a m eh a sm o r ea f f e c t i o nf o rv i d e o q u a l i t y h o wt od e c r e a s et h el o s so f t h ei n t r a - p i c t u r ef r a m eb e c o m e sa p r a c t i c a lp r o b l e m u n d e re x t r a o r d i n a r yn e t w o r kl o a d af l o wc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf u z z yt h e o r ys h o u l d b e b r o u g h tf o r w a r dt o s o l v et h e p r o b l e mo ff r e q u e n t l o s so fif r a m ea r o u s e db y c o n g e s t i o no ft h e n e t w o r k c o n s i d e r e dt h e a p p l i c a t i o n o nt h eu n i xp l a t f o r m ，t h e t e c h n i q u e t os t o r ea v i ( a u d i ov i d e oi n t e r l e a v e d ) o ra s f ( a d v a n c e ds y s t e mf o r m a t ) f i l e w i t h o u tm i c r o s o f ts d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) i si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e mi sm a d eo f3m o d u l e s ：t r a n s f e rm o d u l e ，s t o r a g e m o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l e t h et r a n s f e rm o d u l ei si nc h a r g eo fr e c e i v i n gt h ed a t as e n t b yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma n dp a s s i n gt h e d a t at od e l i v e r ys e r v e r s t o r a g em o d u l ei s r e s p o n s i b l ef o rs t o r i n gt h e v i d e oa n da u d i od a t ai nt h ef a m i l i a rf i l ef o r m a ts u c ha sa v io f a s f t h ec o n t r o lm o d u l er e c e i v e sa n di n t e r p r e t st h ec o n t r o li n f o r m a t i o n f r o mc l i e n t k e y w o r d s ：s t r e a m m e d i a , v i d e ot r a n s p o r t , v i d e os t o r a g e ，f u z z yc o n t r o l i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蜱缸 日期：夕一争年咖月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：诤移 日期：j p 牛年p 月z f 日 指导教师签名 触 目期：，口一斗年厂月d 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 随着现代网络技术的发展，网络开始带给人们更多形式的信息模式。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，人们的视听觉器官通 过网络得到了很大的满足。然而人们同时面临的是另外一个不可避免的尴尬：由于 人们需求的不断提高，上网人数的快速增加，加之网络硬件设备的局限性，使得文 件的大小成为网络传输的一个不可忽视的参数。一方面，人们希望能在网络上看到 生动清晰的媒体演示，另一方面人们又不得不去面对如此慢的网络速度下数据量极 大的多媒体文件传输所需的大量时间。为了解决这种矛盾，一种新的媒体技术应运 而生，这就是“流媒体”技术。 流媒体技术是将连续的影像和声音信息经过特殊的压缩方式分成一个个压缩 包，由视音频服务器向用户计算机连续、实时地传送。让用户一边下载一边观看和 收听，而不需事先将整个文件下载到本地。该技术先在用户端创建一个缓冲区，在 播放前预先下载文件的一段数据作为缓冲，播放程序取用这段数据进行播放。在播 放的同时，该文件的剩余部分在后台继续下载到缓冲区中。这样，即使当网络实际 下载速度小于播放所耗用数据的速度时，也可以使得播放品质得以维持。所以流媒 体最显著的特征是“边下载、边播放”【l 。j 随着宽带网的普及，流媒体技术被广泛地应用于网络聊天、视频电话、视频会 议、远程教学、远程医疗和远程监控等领域中 6 t o l 。有报告显示，在2 0 0 4 年，流 媒体服务市场的收入将达到2 8 亿美元【l 。面对这样一个巨大的市场，国内外的一 些知名公司纷纷推出了许多基于流媒体技术的产品，例如r e a l n e t w o r k s 公司的h e l i x d n a 1 ”、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sm e d i as e r v i c e9 0 1 12 1 。而在国内，也有诸如浪 潮、北京航科、安徽创世、南京远古等公司提出了各自的流媒体解决方案【1 0 】。本课 题正是在这个背景下产生的。 本课题来源于华中科技大学计算机学院多媒体网络实验室和新加坡某公司合 作的开发项目“i pc a m e r a ( 网络千里眼) ”。该项目的目的是建立一个基于i p 的流媒体服务平台【1 3 叫5 1 ，该平台能够实现在i n t e m e t 上的多媒体信息的传输、发布 华中科技大学硕士学位论文 和存储。以这个平台为基础，还可以进一步开发出视频会议、远程监控等衍生产品。 1 2 与本课题相关的国内外概况 1 2 1 流媒体技术的主要特点 般来讲，流包含两种含义：广义上的流是使视频和音频形成稳定和连续的传 输流和回放流的一系列技术、方法和协议的总称，习惯上被称为流媒体系统；而狭 义上的流是相对于传统的下载一回放( d o w n l o a d p l a y b a c k ) 方式而言的一种媒体格 式。流媒体实现的关键技术就是流式传输 1 6 1 8 1 。其特定含义为通过i n t e m e t i n t r a n e t 将影音资料传送到客户端。 首先，流式传输的实现需要缓存。这是因为i n t e m e t 是以分包传输为基础进行 断续的异步传输。数据在传输过程中要被分解为许多包，由于网络是动态变化的， 各个包选择的路由会不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等。因此，应使用 缓冲系统来减少影像的延迟和抖动，并保证数据包的顺序正确。 再次，流式传输的实现需要合适的传输协议。w w w 技术是以h t t p 为基础的， 而h t t p 又建立在t c p 基础之上。但由于t c p 需要较多的开销【1 9 1 ，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 ( r e a l - t i m e t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) u d p 来传输实时视音频数据 2 0 、2 2 】。 在流式传输中，用户先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， 然后客户机的w e b 浏览器启动流媒体播放程序，使用h t t p 从w e b 服务器检索相 关参数对流媒体播放程序初始化。这些参数可能包括目录信息、视音频数据的编码 类型或与视音频数据检索相关的服务器地址。 流媒体播放程序与流媒体服务器之间利用r t c p ( r e a l t i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ， 以交换视，音频数据传输所需的控制信息。与录像机提供的功能类似，r t s p 提供了 操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法1 2 孙。流媒体服务器使用r t p u d p 将视音频数据传输给客户端流媒体播放程序，一旦视，音频数据到达客户端，并缓 冲完毕，流媒体播放程序即可播放输出。其基本原理如图1 1 所示。 实现流式传输有两种方法：实时流式( r e a lt i m es t r e a m i n g ) 传输和顺序流式 ( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 传输【卜”。一般来讲，如视频为实时广播，或使用流式传 华中科技大学硕士学位论文 输媒体服务器，或使用如r t s p 的实时传输协议，即为实时流式传输。如使用h t t p 服务器，文件通过顺序流发送，这种传输方式就称为顺序流式传输。 图1 1 流媒体传输基本原理 1 2 1 1 顺序流式传输 顺序流式传输即顺序下载，在下载文件的同时用户可观看再现媒体。但在给定 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其他部分，顺序流式 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 服务器可发送这种形式的文件，也不需要其他特殊协议，它经常被称作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，这种方法能保证电影播放的最终质量。这意味 着用户在观看前，必须经历一段时间的延迟，对较慢的连接尤其如此。 对通过调制解调器上网的用户，顺序流式传输显得比较实用，它允许用比调制 解调器更高的数据率创建视音频片段。尽管有延迟，但毕竟可以发布较高质量的视 音频片段。 顺序流式文件放在标准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较长的和有随机访问要求的视频，比如讲座、演说等场景。 它也不支持现场广播。 1 2 1 2 实时流式传输 实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看到。 实时流与h t t p 流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。 实时流式传输特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退观看前 面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就不可停止( 除非用户中止) ，但实际 上，由于i n t e m e t 是一个“b e s te f f o r t ”网络，因此可能会发生周期性暂停。 华中科技大学硕士学位论文 实时流式传输必须匹配连接带宽，这意味着在以低速设备连接网络的情况下视 音频质量会很差，当网络出现拥塞时，问题会更严重。实时流式传输需要特定服务 器，如r e a l s e r v e r 、q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 或w i n d o w sm e d i as e r v e r 。这些服务 器允许用户对媒体发送进行更多级别的控制，因此其系统的设置、管理比标准h t t p 服务器更复杂。实时流式传输还需要特殊网络协议，如r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n g p r o t o c 0 1 ) 或m m s ( m i c r o s o f tm e d i as e r v e rp r o t o c 0 1 ) 。 与传统多媒体相比，流媒体具有以下特点： 1 ) 启动延迟大幅缩短 用户不用等待所有内容下载到硬盘上后才开始播放，对宽带网来讲，一个4 5 分钟的影音片断可以在1 分钟之内就显示在客户端上，而且在播放过程中一般不会 出现中断的情况。另外，全屏播放对播放速度并没有影响，但是v c r ( v i d e oc a s s e t t e r e c o r d e r ) 操作( 如快进、快退等) 需要时间等待。 2 ) 对系统存储容量的需求大大降低 由于i n t e r n e t 是以分包传输为基础进行断续的异步传输，数据被分解成许多包 ( p a c k e t ) 进行传输，动态变化的网络使各个包可能会选择不同的路由，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减少延迟和抖动所 带来的影响，以保证数据包传输顺序的正确，从而使媒体数据能够连续输出，不会 因网络暂时拥塞而使播放出现停顿。虽然流式传输仍需要缓存，但由于不需要把所 有的视音频数据都下载到缓存中，因此，其对存储容量的要求有所降低。 3 ) 流式传输的实现需要特定的实时传输协议 流式传输采用r t p ( r e a l - t i m ep r o t o c 0 1 ) 、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 0 1 ) 等实时传输协议，更加适合视音频数据在网上的流式实时传输。 1 2 2 国内外流媒体技术的研究与进展 目前，流媒体技术在计算机界还是新兴领域。由于其赵好的前景，吸引了国内 外许多科学家和研究人员从事这方面的研究。 在流编码技术方面，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 l i t y ) 。d c t 系数的比特平面编码因 为其实现复杂度较低、性能优越等特点被m p e g - 4 选定为f g s 编码机制。为解决 m p e g 4f g s 不支持时间可扩展的问题，m i h a e l a 等 2 4 1 提出了一种混合时间s n r 4 华中科技大学硕士学位论文 ( s i g n a ln o i s er a t i o ) 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范围。w u 等【2 5 1 提出的渐进可精细扩展方法p f g s ( p r o g r e s s i v ef i n eg 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。 拥塞控制方面，j a c o b s o n 2 6 】于1 9 8 8 年提出的a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 算法被t c p 阻塞控制机制采用成为一种常用的带宽估计方 法，这是一种“试探”( p r o b e ) 的算法：网络没有丢包时则线性增加传输速率，一旦 网络发生了丢包，则以乘法运算降低传输速率。a i m d 算法具有一定的鲁棒性，对 阻塞反应灵敏，但即使是网络带宽不发生变化，也会由于周期性的信道状况检测而 造成传输速率的波动，造成视频传输质量的下降。在a i m d 算法的基础上r e z a 等 2 7 】 提出了r a p ( r a t ea d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 算法，这是一种端到端的基于码率自适应的 拥塞控制机制，利用每个包的a c k 估计回程时间和丢包率。可以用于实时的视频 流传输，并具有t c p 友好性能。余胜生t 2 8 j 等研究了基于速率的网络拥塞控制方法， 通过采用自适应码率调整和分层的视频编码技术对源端和收端进行速率控制。而 r o h i t 等 2 9 】则提出了l i m d h 算法，它利用过去的丢包信息区分丢包发生的原因， 并对丢包区别处理，既对阻塞反应灵敏，又能够平缓调整传输速率。 在码率匹配方面，目前采用的技术主要包括码率转换、动态码率切换和可扩展 编码等1 8 】。码率转换方法是指编码器预先以某一固定速率对视频内容进行编码，服 务器通过有选择地丢帧、丢d c t 高频系数以及重新量化等方式来调整编码速率。 采用这种方法只能调整有限的码率范围，而且算法复杂度高，需要服务器参与复杂 的处理。动态码率切换技术是指对同一视频内容采用多个码率进行编码，服务器根 据客户的信道状况反馈信息选择最匹配的编码速率进行传输。这种方法需要用到多 个速率的码流，其占用的存储资源较大，客户端解码时同步困难，码率调整的范围 有限。可扩展编码方法被认为是可用于视频流以解决因特网异构特性的编码方法， 服务器根据网络带宽的具体状况决定是否传输增强层、传几个增强层，因此服务器 参与的处理比较少。在解码端，增强层要么根本不可用，要么作为一个整体被解码， 因此采用可扩展编码方法获得的视频质量是不连续的，呈阶梯状变化。如果只有一 华中科技大学硕士学位论文 个或两个增强层可用，那么码率调整的程度有限。如果有多个增强层可用，则编码 开销增大，致使编码效率降低。 1 3 课题的主要研究工作 本课题的开发平台为w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 和s o l a r i s8 0 ，开发过程中使 用了s o c k e t 编程和多线程技术。课题的主要研究工作有： 1 ) 研究流媒体技术的国内外应用现状，了解各主流流媒体服务系统的技术性 能指标。 2 ) 提出合理的软件体系结构并予以实现。 3 ) 研究流媒体传输中出现的丢包问题的原因和特点，提出相应的拥塞控制算 法。 4 ) 研究a v i 、a s f 等流媒体的主流存储格式，并在u n i x 环境下给出相应的 实现方法。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 系统设计概述 本章将研究目前主流的流媒体服务平台的体系结构，分析其特点，并在此基础 上阐述本系统的设计思想。 2 1 典型流媒体服务平台的体系结构 典型的流媒体系统主要由制作端、服务器端和客户端三个软件系统构成。制作 端实现对各种媒体的“流化”处理，以及相关流媒体的编辑、合成等功能；服务 器端为客户端提供各种流式服务；客户端软件主要用于实现流媒体在客户端的播 放。 2 1 1m i c r o s o f t 公司的流媒体服务平台：w i n d o w sm e d i as e r i e s w i n d o w s m e d i as e r i e s ( w m s ) 作为m i c r o s o f t 公司的流媒体服务平台f 1 2 , 3 0 3 1 。 主要是由m e d i a 播放器系列、m e d i a 编码器系列和m e d i as e r v i c e s 系列、m e d i a 视 音频解码器和m e d i as d k 等4 个部分组成。其最新版本为w i n d o w sm e d i a9 系列， 其中m e d i as e r v i c e s 以w i n d o w s 服务的形式内嵌于m i c r o s o f t 最新的操作系统 w i n d o w s2 0 0 3 中。 如图2 1 所示，使用w m s 大致有以下6 个方面的内容： 1 ) m e d i a 编码器将视音频数据存储为a s f ( a d v a n c e ds y s t e mf o r m a t ) 文件； 2 ) m e d i a 编码器实时创建a s f 文件： 3 ) m e d i a 编码器将实况流发布到w i n d o wm e d i a 服务器中，用作单播或多播内 容； 4 ) w i n d o w m e d i a 服务器用a s f 文件作为单播或多播内容源； 5 ) w i n d o wm e d i a 服务器通过单播方式把内容播放到客户端； 6 ) w i n d o w m e d i a 服务器通过i p 地址来广播或多播内容。 w i n d o wm e d i a 服务器组件由组件服务和管理器组成。组件服务是运行于 m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 上的一系列服务。这些服务通过单播、多播或广播视 频和音频内容给客户端。管理器是一系列运行于i e 浏览器窗口的w 曲页，用来管 理组件服务。 华中科技大学硕士学位论文 图2 1w i n d o w sm e d i as e r v i c e 结构图 通过w i n d o w sm e d i a 管理器可以控制本地服务器，也可以控制一个或多个远程 w i n d o w sm e d i a 服务器。组件服务包括： 1 ) w i n d o w sm e d i a 监视器服务：提供服务以监视客户端和服务器与w i n d o w s m e d i a 服务的连接。 2 ) w i n d o w sm e d i a 节目服务：将w i n d o w sm e d i a 流组合至w i n d o w sm e d i a 广 播站服务连续节目内。 3 ) w i n d o w sm e d i a 广播服务：为传输w i n d o w sm e d i a 内容提供多播和分发服 务。 4 ) w i n d o w sm e d i a 单播服务：将w i n d o w sm e d i a 流点播内容提供给网络客户， 为客户提供了点对点连接方式的服务。 w i n d o w sm e d i a 的客户端软件为w i n d o w sm e d i ap l a y e r ，由w m d o w sm e d i a 服 务器接收并播放流内容。w i n d o w s m e d i a 服务使用w i n d o w s m e d i a p l a y e r 以播放包 华中科技大学硕士学位论文 含视频、音频、图像、u r l 和脚本内容的a s f 流。对客户端来说，w i n d o w sm e d i a p l a y e r 可以单独使用，也可以以a c t i v e x 控件的形式嵌入到w e b 页中。此外，它还 支持多种常见的多媒体文件格式，比如a v i 、m p g 、d a t 等。 w i n d o w s m e d i a 编码器用于创建a s f 内容。它使用特定的压缩算法来压缩音频 视频媒体( 包括从实况源发送的或从其他媒体格式转换过来的) ，使之适合于网络 的可用带宽。然后，m e d i ap l a y e r 在播放之前使用相应的解码器解压缩该a s f 信息。 对于a s f 流的音频和视频部分，分别使用单独的编解码器。a s f 可以以文件的形式 保存在计算机上，也可以用m s b d ( m e d i as t r e a m i n gb r o a d c a s td i s t r i b u t i o n ) 协议实 时发送给m e d i a 服务器，从而实现多媒体流的实时广播。编码器可以向用户提供多 种编码参数，如图像和声音的编解码算法、每秒编码的帧数、网络带宽和采样频率 等。编码器支持多种视频压缩编码解码标准，包括m p e g ，4 、m i c r o s o f th 2 6 3 等， 还支持包括w i n d o w sm e d i aa u d i oc o d e c 、f h gm p e gl a y e r - 3 、v o x w a r e 等在内的 多种音频压缩编码解码标准。由于w i n d o w sm e d i a 编码器在编码和压缩视频、音频 内容时需要占用较多的系统资源，故而一般编码器和服务器分别在不同的计算机上 运行。 2 1 2r e a l n e t w o r k s 公司的流媒体服务平台：h e l i xd n a 作为r e a l n e t w o r k s 公司的最新产品，h e l i x d n a 流媒体平台主要由以下几个模 块构成 1 1 , 3 2 - 3 5 ： 1 ) h e l i xd n a c l l e n t h e l i xd n a 客户端的作用是实现流的播放。一般来讲，h e l i xd n a 客户端由2 部分构成：客户端核心和客户端插件。图2 2 描述了h e l i xc l i e n t 客户端的基本结构。 其中，客户端核心作为最终用户与流媒体服务器的联系者为各个插件的使用提 供了设备无关性。而每一个插件都为h e l i x d n a 客户端提供了一项具体的服务。例 如，文件格式插件( f i l e f o r m a t p l u g i n ) 能够将文件流化，并且提供a s m ( a d a p t i v e s t r e a mm a n a g e m e n t ) 功能；渲染插件( r e n d e r i n gp l u g - i n ) 为不同格式的文件提供 相应的渲染功能。 2 ) h e l i xd n a p r o d u c e r h e l i xd n ap r o d u c e r 作为媒体编码引擎，可对声音信号、视频信号进行采集， 并流化为r e a l 流媒体格式。 相对它的前身r e a l p r o d u c e r ，h e l i x d n a p r o d u c e r 提供了诸如d e i n t e r l a c e f i l t e r 、 华中科技大学硕士学位论文 i n v 。8 。t e l e c i n ef i l t e r 、n o i s e r e d u c t i o nf i l t e r 、t w o p a s s e n c o d i n g 、a u d i og a i n c o n t r o l 、f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 、l o s s p r o t e c t i o n 等先进功能。 n l t e m c “i n t m n e t 图2 2h e l i x 客户端的基本结构 3 ) h e l i x d n a s e r v e r h e l i xd n as e r v e r 是整个h e l i xd n a 平台的核心，负责流媒体数据的发布，同 时提供存储管理、媒体会话管理和接入控制等多种服务。同h e l i x d n a c l i e n t 类似， h e l i xd n a s e r v e r 的内部体系结构也分为媒体发布引擎和插件两大模块。 2 1 3 两者的比较 w i n d o w sm e d i as e r v i c e 和h e l i xd n a 分别作为两大业界巨头m i c r o s o f t 和 r e a l n e t w o r k s 为抢占流媒体市场而推出的主力产品，其性能各有优劣，具体比较如 表2 1 所示。 表2 1m e d i as e r v i c e 与h e l i x 功能比较 w 抽d o w $ m e d i as e r v i c e r e a l s e r v e rh e l i x i nw i n d o w s2 0 0 0s e r v e r d e l i v e r ys e r v i c e s r t s p ，r t p支持支持 1 0 华中科技大学硕士学位论文 续表2 1m e d i as e r v i c e 与h e l i x 功能比较 l i v ep l a y b a c k 支持支持 s t a t i cp l a y b a c k 支持支持 n e t w o r kf i l es y s t e m支持支持 p n a支持 r t s p ，r d t支持 f i r e w a l lp l a y b a c k ( h t t pc l o a k i n g )支持支持 m u l t i c a s t支持支持 m a n a g e m e n t s e r v i c e s w 曲b a s e da d m i n i s t r a t i o n支持 p e r f o r m a n c em o n i t o r 支持 s e r v e rs i d ea r c h i v i n g 支持 c o n n e e t i o nc o n t r 0 1 支持 a c c e s sc o n t r o ll i s t s 支持 u r l a l i a s i n g 支持 r e m o t ec o n t e n tb r o w s i n g 支持 m e d i as e r v i c e s m p e g _ 4 支持 m p e g 1支持 支持 m p e g 2 支持 支持 m p 3 支持 支持 r e a l a u d i o 支持 r e a l v i d e o 支持 r e a l f l a s h 支持 r e a l t e x t 支持 r e a l p i x 支持 q u i c k t i m e 支持 w m t 支持 支持 a p p l i c a t i o n s u i t e g a t e w a yf u n c t i o n a l i t y s e r v e rs i d ep l a yl i s t s支持 支持 s t a t i cc o n t e n td i s t r i b u t i o n 支持 l i v ec o n t e n td i s t r i b u t i o n 支持 支持 a u t h e n t i c a t i o n 支持 支持 a d v e r t i s i n g 支持 e n c o d e rr e d u n d a n c y 支持 d y n a m i cl o g g i n g 支持 m e d i ac o m m e r c es u i t e 支持 支持 l l 华中科技大学硕士学位论文 从表2 1 可以看出，作为流媒体技术的积极倡导者，r e a l n e t w o r k s 公司的h e l i x 在兼容性、w e b 管理以及应用上都占有一定的优势。但是m i c r o s o f t 公司作为世界 上最大的操作系统软件提供商，其产品的潜力也不可低估。有资料显示口m ，在其最 近推出的w i n d o w s2 0 0 3 中，w i n d o w sm e d i as e r v i c e s9s e r i e s 在内容分发、服务器 管理、广告应用以及产品的稳定性、安全性方面均取得了一些进展。 2 2“i pc a m e r a ”系统总体架构 “i pc a m e r a ”是一个基于i n t e m e t 的流媒体信息平台，集数据采集、压缩、传 输、存储和点播等功能于一身。为更好地了解这些模块的功能和特点，有必要对“i p c a m e r a ”系统进行一个大致的介绍。 在设计流媒体系统时，应考虑到其具有以下特点口, 3 7 4 0 】： 1 ) 当前的因特网是为了传输数据而设计的，并不适合传输连续的流媒体。因 特网是一个异构、时变、缺乏q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 控制的网络，虽然传输效率 较高，但其带宽波动大，易发生丢包现象，网络提供“b e s t e f f o r t ”服务，因此很难 满足用户个性化的q o s 需要。 2 ) 视音频流基于客户服务器模型传输。与传统的传输模型不同，视音频编码 器通过服务器与信道相连，视音频信息预先以某一速率进行编码，编码器无法根据 信道的状况调整编码速率。 3 ) 在视频流系统中，每个用户的连接速率、终端的处理速度与显示能力、q o s 需求等存在着很大的差异。解码器不一定像传统的方式那样将接收到的信息全部解 码，而是根据实际情况动态调整。 “i pc a m e r a ”有3 个子系统，分别是数据采集及压缩子系统d c c s ( d a t a c o l l e c t i o na n dc o m p r e s s i o ns y s t e m ) 、转发及存储子系统t s s ( t r a n s f e ra n ds t o r a g e s y s t e m ) 和流媒体发布系统d s ( d e l i v e r ys y s t e m ) 。图2 3 为该系统的逻辑结构图。 如图2 3 所示，d c c s 是一个嵌入式设备。其设备体积小，视，音频处理速度快， 稳定性高，适合在无人值守的环境中使用。通过网络，可以远程对系统进行配置和 软件升级。该设备有自动恢复功能，当前端发生掉电后，可自动启动，无需人工维 护。其核心芯片为韩国i n t i m e 公司的i m e 6 4 0 0 芯片，它最多支持4 路视频信号， 每路均可以进行实时p a l ( 2 5 f p s ) 或n t s c ( 3 0 f p s ) 制式、c i f 分辨率( 3 5 2 2 8 8 ) 的独立硬件压缩。它还支持变码率、有限变码率、定码率等多种工作方式， 华中科技大学硕士学位论文 帧率也可根据需要进行调节。音频方面，它支持最多4 路音频信号实时压缩，压缩 标准采用m p e g 一1 一l 2 或a d p c m 格式，压缩码率为1 2 8 k b p s 或3 2 k b p s 。此外，它 还支持多区域移动检测功能。 图2 3“i pc a m e r a ”系统的逻辑结构 d s 可以根据需要选择m i c r o s o f t 公司的m e d i a s e r v i c e 或r e a l n e t w