（信号与信息处理专业论文）现代远程教育系统中的流媒体传输协议研究及系统实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 争歹乒 摘要 f 随着多媒体技术、通信与网络、计算机技术的不断发展，现代远程教育形式 逐渐出现并升温。由于其具有不受空间和时间的限制，受教育面广，更有丰富的 教学资源、灵活的教学形式以及强大的交互功能等相对于传统远程教育的优点， 现代远程教育必将成为未来远程教育的主导形式。同时，现代远程教育是一个庞 大的系统工程，它涉及到诸多的关键技术，基于m 的流媒体技术与适合于多媒体 流实时传输协议就是其中重要的两个方面。 本文首先在介绍国内外远程教育的情况的基础上，将流媒体技术引入远程教 育中去，并对流媒体进行了研究，比较深入的了解了流媒体的文件体系、媒体格 式、传输方式等，提出了将流媒体技术应用到远程教育的方案。 同时，本文针对多媒体流在i n t e m e t 上的传输协议进行了比较深入的研究，提 出了一种对t c p 的改进算法，该算法是基于t c p 的流量方程( t c pt h r o u g h p u t e q u a t i o n ) ，并对其参数的测量方法做了更加优化的修改。算法的主要思想是：在 发送的数据包包头里加入序列号、时间戳等信息，接收端根据收到数据包的这些 信息测出丢包事件率( p ) ，并将其反馈给发送端；在接收端发出的反馈包里面同样 加入一些冗余信息，发送端利用反馈回来的信息测量数据包往返时间( r t t ) ，利用 得到的丢包事件率( p ) 与往返时f 司( r t t ) ，发送端通过流量方程计算出合理的发送速 率，并将当前发送速率调整为计算出的发送速率。实验表明，这种算法能够比较 有效的传输多媒体流。尸。 最后，我们将流媒体技术与传输协议的研究综合应用到了实际的系统中，开 发出了易点非实时远程教学系统。这套系统利用流媒体的最新技术，整合并实现 了非实时远程教育的核心系统，包括多媒体课件制作系统平台、多媒体课件管理 与点播发送平台、学生点播端系统，实现了非实时远程教育的全过程。 关键词：流媒体，智能流技术，拥塞控制，流量方程，速率调整，远程教育系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t o fm u l t i m e d i a ，c o m m u n i c a t i o n a n dn e t w o r k ， c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m o d e m d i s t a n c el e a r n i n ge m e r g e sa n db e c o m e sh o t t e ri tw i l l b ea nm a i ns t r e a mo fd i s t a n c el e a r n i n g i nt h ef u t u r e ，f o ri t sc h a r a c t e r i s t i c so fn o l i m i t a t i o nt o s p a c ea n dt i m e ，v e r yp o p u l a rr e c e i v e r s ，a b u n d a n tr e s o u r c e s ，f l e x i b l e f a s h i o no fe d u c a t i o n ，s t r o n gi n t e r a c t i v ef u n c t i o ne t c w h i c hn o te x i s t i n gi nt r a d i t i o n a l d i s t a n c el e a r n i n g i nt h em e a nt i m e ，m o d e md i s t a n c el e a r n i n gi sa h u g es y s t e m a t i cp r o j e c t ，a n dm a n y k e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di ni t , t h et e c h n o l o g yo f m u l t i m e d i as t r e a m i n gb a s e do ni p a n d t r a n s p o r tp r o t o c o lf i t t e df o r t r a n s m i s s i o no fr e a l t i m em u l t i m e d i as t r e a m i n ga r et h e t w o i m p o r t a n tp a r t s f o ri t s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g ya r ec o n d u c t e dt od i s t a n c el e a r n i n gf i r s t l yb a s e d o n t h ei n t r o d u c f i o nt ot h en a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o no fd i s t a n c el e a r n i n gi nt h i s t h e s i s ，r e s e a r c ho ns t r e a m i n gm e d i a a r ec o n d u c t e d ，a n di t s f i l es y s t e m ，m e d i af o r m a t a n dt r a n s m i s s i o nm o d ea r ea n a l y z e dd e e p l y , a n das c h e m eo fu s i n gi tf o rd i s t a n c e l e a r n i n g i sp r o p o s e d m e a n w h i l e ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e e p l yr e s e a r c h e st h ei n t e m e tt r a n s f e rp r o t o c o lo f t h e m u l t i m e d i as t r e a m i n ga n dp u t sf o r w a r da na d v a n c e da l g o r i t h mo ft c pw h i c hb a s e so n t h et c pt h r o u g h p u t e q u a t i o n a n dt h e nm o d i f i e si t sm e t h o d so fm e a s u r i n gi t s p a r a m e t e r s t h em a i ni d e ai sa sf o l l o w s ：a d ds o m ei n f o r m a t i o ns u c ha st h es e q u e n c e n u m b e ra n dt h et i m e s t a m pt ot h es e n d i n g p a c k e th e a d e rt h r o u g h w h i c ht h er e c e i v e rc a l l m e a s u r et h er a t i oo fl o s sq ) a n df e e d b a c kt ot h es e n d e rs i m i l a r l y , a d ds o m ea b u n d a n t i n f o r m a t i o nt ot h ef e e d b a c kp a c k e tt h r o u g hw h i c ht h es e n d e rc a nm e a s u r et h er t to f t h ep a c k e t u s i n gpa n dr 咒t h es e n d e rc 鞠t l ac a l c u l a t ear a t i o n a lt r a n s f e rr a t et h _ r o u g h t h et c pt h r o u g h p u te q u a t i o na n d a d j u s t t h ec u r r e n tr a t et ot h er e s u l t a st h e e x p e r i m e n ts h o w s ，t h i sm e t h o d c a l lt r a n s f e rm u l t i m e d i as t r e a m i n ge f f e c t i v e l y f i n o l l y ，e d e n ，an o nr e a l t i m ed i s t a n c el e a r n i n gs y s t e mi gi m p l e m e n t e da st h e i l 华中科技大学硕士学位论文 r e s u l to f a p p l i c a t i o no f m u l t i m c d i as t r e a m i n gt e c h n i q u ea n d t r a n s p o r tp r o t o c o lt oar e a l s y s t e m t h ek e r n e ls y s t e mo fn o nr e a l t i m ed i s t a n c el e a r n i n gi si n t e g r a t e da n dr e a l i z e d b yu s i n gl a t e s tm u l t i m e d i as t r e a m i n gt e c h n i q u e ，w h i c hi n c l u d e sp l a t f o r mo f f a c t u r eo f m u l t i m e d i ac 0 1 1 r s e w a r e ，p l a t f o r mo f m a n a g e m e n to fo r d e r i n ga n ds e n d i n gc o 山- t s e w a r e , a n ds t u d e n tt e r m i n a lo r d e r i n gs y s t e m s ot h ew h o l e p r o c e s so fn o nr e a l t i m ed i s t a n c e l e a r n i n gi si m p l e m e n t e d 1 ( e yw o r 凼：m u l t i m e d i a s t r e a m i n g ，s u r es t r e a m i n g t e c h n i q u e c o n g e s t i o n c o n t r o l ，t h r o u g h p u te q u a t i o n ，r a t ea d a p t i n g ，d i s t a n c el e a r n i n gs y s t e m i l l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 现代远程教育是随着现代信息技术的发展而产生的一种新型教育形式，是构 筑知识经济时代人们终身学习体系的主要手段。远程教育是指学生和教师、学生 和教育机构之间主要采用多种媒体手段进行系统教学和通信联系的教育形式。相 对于传统的面授教育，远程教育有这样几个显著的特征：在整个学习期间，师生 准永久性地分离；教育机构通过学习材料和支持服务两方面对学生的学习提供服 务；利用各种技术媒体联系师生并承载课程内容；提供双向通信交流；在整个学 习期间，学生主要是作为个人在学习，为了社交和教学目的进行必要的面对面交 流。 通常认为，远程教育已经历经三代：第一代是函授教育；第二代是广播电视 教育：第三代的基本特征是利用计算机网络和多媒体技术，在数字信号环境下进 行教学活动，被称为“现代远程教育”i l l 2 1 。 函授教育出现在1 7 世纪印刷术发明和流行之后。作为教材的书信是主要的信 息载体。本世纪出现的电视和广播技术使得无线电成为了信息的载体，视频和音 频则和传统的文字、图像结合，成为了教学的主要信息形式。以电视和广播为主 的第二代远程教育虽然在形式上对于第代函授教育是一个革命，但是缺乏交互 能力，学生更无法自由的根据自己的情况来选择教育。随着世纪末多媒体技术和 i n t e m e t 网络技术的发展，远程教育信息的载体由传统的模拟信道转移到了数字化 的i n t e m e t 上来，同时，信息的形式也发展到了图文声像等多种形式【3 1 。最重要的 是，这一切的出现，开始就是以交互为主要目的。因此，它能弥补传统远程教 育的缺点而得到迅速推广。 现代远程教育的突出特点是：真正不受空间和时间的限制：受教育对象扩展 到全社会：将会有更丰富的教学资源供学习者选用；教学形式由原来的以教为主 变为以学为主。需要说明的是，新一代远程教育并不意味着对前几代的否定或取 l 华中科技大学硕士学位论文 代，不能把函授教育、广播电视教育看成是过时的教育。函授教育、广播电视教 育的媒体手段与计算机网络、多媒体技术等新的媒体手段相结合，实现资源的优 化配置和综合利用，可以说是现代远程教育发展的必然趋势。 任何事物都有其不足之处，基于i n t e m e t 和多媒体技术的现代远程教育也是如 此。首先，i n t e m e t 带宽是一个共享信道，其接入带宽在目前远远小于传统远程教 育的信息通道容量( 比如电视) ，学生和教师在进行多媒体交互的时候，性能会受 到影响甚至完全行不通。因此，数据压缩成了首要研究的问题。其次，数据传输 只是利用了i n t e m e t 分布式计算能力很小的一个部分。如何充分利用这样一个强大 的数据处理能力，将教学中涉及的诸如学生管理、教学管理等工作实现信息化是 我们需要研究的第二个问题。从硬件基础上讲，如何建设远程教学网络，实现高 质量的教学环境，也是一个重要的问题。除此之外，政策的制定，课件的制作等 等都是远程教育研究必须面对的关键问题和技术。 1 2 国内外现代远程教育标准化工作概况与动态 远程教育在国内外发展迅速。虽然国际上没有一个统一的标准和协议，但通 过本节对几个特定实例的分析，可以大致从系统角度对这个领域加以把握。 1 2 1 国外现代远程教育标准化工作概况与动态 远程教育系统在欧洲的现状： 位于挪威的n o v as c o t i au n i v e r s i t y 有一个专门的机构a t ic o n s u l t i n g c o r p o r a t i o n ，i n c 致力于远程教育的研究，他们提出的远程教育的定义为：远程 教育是指老师和学生分布在不同的地点进行教学，主要包括课程设计，学习和指 导，各种媒体的使用，以及专家指导。目标是：1 ) 为挪威的每所大学提供远程教 育的资源；2 ) 为远程教育的发展提供模型；3 ) 为第二代远程教育和培训提供设 计原型。表1 1 列出了欧洲目前可应用的远程教育媒体。 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 欧洲日前可应用的远程教育媒体 机构名称 方式 a uc ad a lm s jn s a cn s c a dn s c c s f xs m ut u n su c c b 磁带x x 视频会议 xxxxx xx 交互 xxxxxx d u e t ( 电视) xp e - m a i l ( 计算 xxppxxx 机会议) 软盘 x xxx 面对面xxxx x ( o f f - s i t e ) xx 一 ( o f f - s i t e )( o f f - s i t e )( o f f - s i r e ) - 传真p i n t e r a c tpxxppxx 网络p c sxp 打印xxxxxxx 无线电广播 电视广播xxp 音频远程会议xxxxxx 录像带xxxx 视频远程会议xxxp x 一目前有的 p 一推荐计划中 3 华中科技大学硕士学位论文 远程教育在美国的现状嗍 u s d l a 是美国远程教育委员会【5 】，成立与1 9 8 8 年。现有3 ，0 0 0 多会员。他 们来自高校、军事和政府组织、远程医疗等。由u s d l a 资助的远程教育国家政 策论坛在1 9 9 1 、1 9 9 7 、1 9 9 9 举行。主要集中在版权、远程教学、法律的制定和政 府的政策导向。 远程教育的一个核心的问题是知识产权问题。包括：远程教育课程的知识产 权、学校的权利和义务、学生的接入控制和个人隐私、学校的报酬、潜在的安全 问题等等。 1 9 9 9 年论坛主要讨论的问题在以下几个领域： 1 ) 知识产权 2 ) 远程教育课程的所有权 3 ) 对老师的评估 4 ) 对学生的评估 - 5 ) 个人隐私远程教育需要考虑学生的个人隐私问题 6 ) 有限的责任 7 ) 商业化 8 ) 远程教育的国内化和国际化 该组织认为目前远程教育存在的问题有下面几个： 课程没有传统教育的丰富 学生和老师之间没有交互，即缺乏反馈 学生缺乏材料，需要建立学生之间、学生和老师之间可以交互资料，支 持现场交流等 从收集到的资料来看，国外与远程教育相关的协会与组织主要集中精力在现 代远程教育中外部环境的营造、师生管理制度的建立与知识产权的保护上，关于 技术上的标准通常由专业的委员会如国际电联等单位制定。由于远程教育系统按 照国际电联的相关标准，属于多媒体会议型业务的一种应用。建议的标准如下表 1 2 所示。 4 华中科技大学硕士学位论文 表1 2i t u 视频会议标准建议h 3 2 h 3 1 0h 3 2 0h 3 2 lh j 2 2h 3 2 3h 3 2 4 通信网络 b i s d n ( a t m ) n i s d n b - i s d n ( a t m ) i s o 一以太网l a np s t n h 2 6 2 ( m p e g - 2 ) h 2 6 lh 2 6 lh 2 6 】h 2 6 lh 2 6 l 视频标准 h 2 6 lh 2 6 3h 2 6 3 m p e g l ( 音频) g 7 1 1g 7 “g 7 1 1g 7 1 1g 7 2 3 1 g 7 1 lg 7 2 2g 7 2 2g 7 2 2g 7 2 2g 7 2 9 音频标准g 7 2 2g 7 2 8g 7 2 8g 7 2 8g 7 2 8 g 7 2 8g 7 2 3 1 g 7 2 8 数据标准 t 1 2 0t 1 2 0t 1 2 0t 1 2 0t 1 2 0 t 1 2 0 h 2 2 0 0h 2 2 1h 2 2 1h 2 2 1h 2 2 5 0h 2 2 3 复用 h 2 2 1 控制h 2 4 5h 2 4 2h 2 4 2h 2 4 2h 2 4 5h 2 4 5 信令 q 9 3 1 2q 9 3 1q 9 3 1q 9 3 1 h 2 2 5 0 ( q 9 3 1 ) 电子白扳采用 1 1 2 6 标准，文件及文档传送采用t 1 2 7 标准，应用程序共享采 用t 1 2 8 标准，当前采用的n e t m e e t i n g 必须过渡到t 1 2 6 、t 1 2 7 、t 1 2 8 标准。卫 星远程教育必须逐步由m p e g2 过渡到h 3 2 3 、h 3 2 3v 2 、t 1 2 0 标准，才能保证 系统的兼容性。 1 2 2 国内现代远程教育标准化工作概况与动态 目前国内远程教育系统技术实施方案主要有以下几种【1 1 【6 1 【7 】【8 i ： 1 ) 远程课堂教学法与实时( 非实时) 交互【9 】 华中科技大学硕士学位论文 清华大学的现代远程教育网络【6 l ，由校内远程教育部及分布在全国各地的数 十个远程教育校外站组成。远程教育的实施，基于双向数字压缩卫星传输与计算 机网络相结合的技术模式。对于那些只能接收不能发射的单向接收校外站，实时 交互则通过电信网以可视电话方式进行。作为补充，建立了一个挂靠c e r n e t 的 远程教育辅导管理局域网，实现了师生之间非实时的交互讨论、答疑、作业提交 与批改。按照远程教育基本方法的分类，清华大学远程教育部采取的是远程课堂 教学法。采用这种教学法的代表院校有美国国家技术大学、威斯康星州立大学、 加拿大的阿萨巴斯卡大学。由于直播教室的课程定时播出，学生在学习时间、学 习空间两方面均受到限制，无法实现以学生为中心的、自主的个别化学习。 2 ) 基于有线电视网的远程教育方案。 承载综合信息，是计算机网、电视网、电信网的一个发展方向。我国有线电 视网覆盖面广、入户率高、频带宽的特点，有利于传输数字化多媒体教学信息。 清华大学信息科学技术学院开发的基于有线电视网的宽带多媒体数据广播系统， 是适合中国国情的远程教育方案之一。宽带多媒体数据广播系统的关键，是利用 数字压缩技术。将一个模拟电视频道盼8 m h z 带宽分为4 个2 m h z 带宽的子信道， 每个子信道传输一路数字化视频信号，原来的一个模拟电视频道，可同时播出4 套数字化多媒体节目。照此计算，有线电视网空闲的6 0 个模拟电视频道，可同时 播出2 4 0 套教学节目，这是一个很大的远程教育可利用空间。远程学习者以上网 方式，通过远程教育机构的教师答疑服务器，实现师生间的非实时交互式双向信 息反馈。 3 ) 基于a t m 和1 6 9 网的远程教育方案【1 0 1 。 北京邮电大学的远程教育信息传输系统由两个子系统组成：基于中国电信宽 带网( a t m ) 骨干网的实时多媒体授课系统和基于中国公众多媒体通信网( 1 6 9 网) 的 辅助教学系统。 华中科技大学建立的远程教育信息传输系统拟采用卫星通讯与d d n 线路、 i n t e m e t 相结合的方案，包括：基于卫星通讯的i p 广播、基于网络的视频点播系 统和基于i n t e m e t 的交互系统，适当使用视频会议系统，同时支持卫星数字广播。 尽管教学信息传输通道与反馈通道不同，但华中科技大学、北京邮电大学与 华中科技大学硕士学位论文 清华大学的远程教育有完全相同的本质：采用远程课堂教学法，以教师为中心， 教师与学生以同步通信方式实时交互，并以异步通信方式非实时交互作为补充。 4 ) 中国电大系统的远程教育方案的媒体环境分析。 上海电大建成了以总校为中心，分校、工作站为结点的现代远程教育信息传 输网络，并以金融专业( 专科升本科) 为试点，进行第三代远程教育的实践。这个试 点，建立在计算机网、电视网、电信网有机组合的媒体环境上，是第三代远程教 育的成功尝试l 。 核心技术研究 从国内的情况来看，国内的现代远程教育系统基本上处于系统集成的层次， 同时对相关的关键技术进行了有益而深入的研究。而对于外部环境的营造和相关 管理条例的制定还处于初级阶段。主要的关键技术研究情况如下： ( 1 ) 基于腰的多媒体实时交互技术 ( 2 ) 同步协同教学技术 ( 3 ) 多媒体信息的压缩技术 ( 4 ) 基于、阮b 的数据库课件管理系统 课件管理系统要为现代远程教育系统提供资源的管理与相关版权的管理，郑 州大学根据远程教育的实际需求和发展趋势，提出基于w e b 的数据库课件管理系 统的总体结构如图1 1 所示。该数据库管理系统包括以下部分： w e b 浏览器，它是客户端用于输入查询条件和显示查询结果的交互界面： w e b 服务器，它提供i n t e m e t 服务，管理h t m l 构成的信息并提供对数据库 的存取接口以及用于接收用户输入的信息及形成查询结果： t c p i p ，用于实现w 曲浏览器与w e b 服务器之间的网络信息交换； c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) ，它是w e b 服务器运行外部程序的一种规范； 数据库服务器，用于实现课件的存储和数据库管理功能以及身份验证、计费 等，并提供分布式数据库的搜索路径和搜索规则，以有利于网络资源共享和利用； 华中科技大学硕士学位论文 图1 1 基于w e b 的数据库课件管理系统的总体结构 综上所述，国内很多单位与部门在远程教育领域进行了有意的尝试，并取得 了丰硕的成果，教育部最近批准国内4 5 所高校开设远程教育试点，因此国内远程 教育市场将迅速发展扩大。 1 3 课题来源 本课题是国家教育部重点科学技术项目( n o 2 0 0 0 1 7 5 ) “现代远程教育 关键技术：交互式实时教学工具软件”和国家科技部技术创新基金项目( n o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 ) “远程教学协同群件产品”的核心技术之一，这两个项目 的重点是连续媒体流的实时传输，这也是当前i n t e m e t 网上多媒体应用发展的重点 和难点，通过课题的研究，我们希望能够在这方面取得一定的研究成果，并应用 于实际的远程教育及其他网上多媒体流的应用中去。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 流媒体技术的研究 当今，网络技术发展迅速，主干网与宽带接入技术日臻成熟，从网上浏览多 媒体内容，成为因特网应用的新一代亮点。多媒体内容主要包括电影、新闻剪辑、 电台、电视广播、网络游戏甚至虚拟宠物，网络视频是其中最重要的应用。视频 帧中每个像素点需要用颜色和亮度描述，除了视频信息，可能还有声音信息，有 时甚至包含图像数据和其他文件格式信息，未经压缩的视频文件数据量很大。一 般广播级图像每帧有6 4 0 4 8 0 个像素点，每秒2 5 帧，如采用2 4 位颜色，每秒产 生2 3 兆字节数据，l o g 的硬盘也就存储约7 分钟的视频，更不用说在网络上实时 传输【l ”。事实上，原始视频数据中存在着大量冗余，通过压缩技术可使数据量大 为减小。网上播放多媒体内容时，若采用网络上数据传输的常用方法，即文件下 载，用户将不得不准备大量磁盘空间，并花费大量时间等待下载完毕。为了提高 视频数据在网络上传输效率，并实现视频的实时播放，各厂商争相开发流文件与 流式传输技术，边下载边播放。对海量视频数据存储、运行、检索的要求促进人 们开始了对多媒体数据的本质进行研究，提出了基于内容的管理、查询思想，促 进了视频数据库的发展。视频播放的实时性要求高，数据处理量大，这对服务器 软硬件技术、网络技术都提出极高的挑战，促使播放系统的体系结构向专业化发 展，并相继制定了网络实时传输与服务质量保证协议，确保高质量、流畅地播放 视频流i t 3 l 。 在本章，我将在介绍现有流媒体相关技术的基础上，对流媒体的文件格式和 传输途径进行深入的研究，以求得到实际应用的解决方案。 2 2 流式传输的基础 在网络上传输音视频等多媒体信息目前主要有下载和流式传输两种方案。 v 文件一般都较大，所以需要的存储容量也较大：同时由于网络带宽的限制， 华中科技大学硕士学位论文 下载常常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方法延迟也很大。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i n t e m e t 上下载才能观看 的缺点【1 4 1 。 流媒体指在i n t e m e t i n t r a n e t 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。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存 入内存，流式媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开始时有一些延迟。流媒 体实现的关键技术就是流式传输。 流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技 术总称。其特定含义为通过i n t e m e t 将影视节目传送到p c 机。实现流式传输有两 种方法：实时流式传输( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 和顺序流式传输( p r o g r e s s i v e s t r e a m i n g ) 。一般说来，如视频为实时广播，或使用流式传输媒体服务器，或应用 如r t s p 的实时协议，即为实时流式传输。如使用h t t p 服务器，文件即通过顺 序流发送。采用那种传输方法依赖你的需求。当然，流式文件也支持在播放前完 全下载到硬盘。 2 2 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观看在线媒体，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后头部分，顺序流 式传输不象实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。由于标准的 h 1 v r 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 r r p 流式传输【1 5 1 。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，这种方法保证电影播放的最 终质量。这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。 0 华中科技大学硕士学位论文 顺序流式文件是放在标准h 1 v r 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a 2 2 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配匹，使媒体可被实时观看到。 实时流与h r r p 流式传输不同，他需要专用的流媒体服务器与传输协议【l 6 j 【i ”。 实时流式传输必须配匹连接带宽，这意味着在以调制解调器速度连接时图象 质量较差。而且，由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时，视频 质量很差。如欲保证视频质量，顺序流式传输也许更好【l8 1 。实时流式传输需要特 定服务器，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 ls e r v e r 与w i n d o w s m e d i as e r v e r 。 这些服务器允许你对媒体发送进行更多级别的控制，因而系统设置、管理比标准 h r r 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 r a e s t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 或m m s ( m i c r o s o f t m e d i a s e r v e r ) 。这些协议在有防火墙时有时 会出现问题，导致用户不能看到一些地点的实时内容 1 9 1 1 2 0 】【2 1 i 。 2 3 流媒体技术原理 流式传输的实现需要缓存。因为i n t e m e t 以包传输为基础进行断续的异步传 输，对一个实时w 源或存储的刖v 文件，在传输中它们要被分解为许多包，由 于网络是动态变化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延 迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，使用缓存系统来弥补延迟 和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，而不会 因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓 存使用环形链表结构来存储数据：通过丢弃已经播放的内容，流可以重新利用空 出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。 流式传输的实现需要合适的传输协议。由于t c p 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r t p u d p 来传输实时声音数据。 流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，w e b 浏览器与 华中科技大学硕士学位论文 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；然后客户机上的w 曲浏览器启动a v h e l p e r 程序，使用h 1 r r p 从w e b 服务器检索相关参数对h e l p e r 程序初始化。这些参数可能包括目录信息、 a v 数据的编码类型或与v 检索相关的服务器地址。 a vh e l p e r 程序及a ，v 服务器运行实时流控制协议( r t s p ) ，以交换a ，v 传输 所需的控制信息。与c d 播放机或v c r s 所提供的功能相似，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。a n 服务器使用r t p u d p 协议将 a v 数据传输给a v 客户程序( 一般可认为客户程序等同于h e l p e r 程序) ，一旦厂v 数据抵达客户端，a ，v 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 m d p 和r t s p t c p 两种不同的通信 协议与服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同于运 行a v h e l p e r 程序所在客户机的目的地址。实现流式传输一般都需要专用服务器 和播放器，其基本原理如图3 1 所示吲。 图2 1 流式媒体传输基本原理 2 4 智能流技术( s u r e s t r e a m l 今天，2 8 8 k b p s 调制解调器是i n t e m e t 连接的基本速率，c a b l em o d e m 、a d s l 、 d s s 、i s d n 等发展很快，内容提供商不得不要么限制发布媒体质量，要么限制连 接人数。根据r e a l n e t w o r k 站点统计，对2 8 8 k b p s 调制解调器，实际流量为1 0 b p s 到2 6 k b p s ，呈钟形分布，高峰在2 0 k b p s 。这意味着若内容提供商选择2 0 k b p s 固 定速率，将有大量用户得不到好质量信号，并可能停止媒体流而引起客户端再次 缓冲，直到接收足够数据。 一种解决方法是服务器减少发送给客户端的数据而阻止再缓冲，在r e a l 华中科技大学硕士学位论文 s y s t e m5 0 中，这种方法称为“视频流瘦化”。这种方法的限制是r e a lv i d e o 文件为 一种数据速率设计，结果可通过抽取内部帧扩展到更低速率，导致质量较低。离 原始数据速率越远，质量越差。另种解决方法是根据不同连接速率创建多个文 件，根据用户连接，服务器发送相应文件，这种方法带来制作和管理上的困难， 而且，用户连接是动态变化的，服务器也无法实时协调。智能流技术通过两种途 径克服带宽协调和流瘦化。首先，确立一个编码框架，允许不同速率的多个流同 时编码，合并到同一个文件中；第二，采用一种复杂客户服务器机制探测带宽变 化。 针对软件、设备和数据传输速度上的差别，用户以不同带宽浏览音视频内容。 为满足客户要求，p r o g r e s s i v en e t w o r k s 公司编码、记录不同速率下媒体数据，并 保存在单一文件中，此文件称为智能流文件，即创建可扩展流式文件。当客户端 发出请求，它将其带宽容量传给服务器，媒体服务器根据客户带宽将智能流文件 相应部分传送给用户。以此方式，用户可看到最可能自q 优质传输，制作人员只需 要压缩一次，管理员也只需要维护单一文件，而媒体服务器根据所得带宽自动切 换。智能流通过描述现实世界i n t e m e t 上变化的带宽特点来发送高质量媒体并保证 可靠性，并对混合连接环境的内容授权提供了解决方法。流媒体实现方式如下： 对所有连接速率环境创建个文件 在混合环境下以不同速率传送媒体 根据网络变化，无缝切换到其它速率 关键帧优先，音频比部分帧数据重要 向后兼容老版本r e a l p l a y e r 智能流在r e a ls y s t e mg 2 中是对所谓自适应流管理( a s m ) a p i 的实现，a s m 描述流式数据的类型，辅助智能决策，确定发送那种类型数据包。文件格式和广 播插件定义了a s m 规则。用最简单的形式分配预定义属性和平均带宽给数据包 组a 对高级形式，a s m 规则允许插件根据网络条件变化改变数据包发送。每个 a s m 规则可有一定义条件的演示式，如演示式定义客户带宽是5 ，0 0 0 到1 5 ， 0 0 0 k b p s ，包损失小于2 5 。如此条件描述了客户当前网络连接，客户就订阅此 规则。定义在规则中的属性有助于r e a l s e r v e r 有效传送数据包，如网络条件变化， 客户就订阅一个不同规则。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 5 流媒体文件格式 2 5 1 流媒体体系结构 对于流媒体，最重要的方面是同步、管理和播放；在可管理数量的空间存储 文件的同时，使视频和声音组件尽量小，可在计算机或通过网络连接正确播放。 为有效解决这些问题，开发出两种技术：流体系结构和编码解码器( c o d e c ) 。体系 结构为媒体发布提供整体构架和同步机制，编码解码器是体系结构内更小的组件。 例如，q u i c k t i m e 与w i n d o w sm e d i a 属体系结构，而s o r e n s o nv i d e o 与m p e g - 4 为视频编码解码器，r e a l a u d i o 和w m a 是声音编码解码器。 多媒体体系结构涉及数字视频的处理和同步。多媒体体系结构有时被称为格 式，其实这是一种误解，格式指特定体系结构下采用某种编码算法生成的文件结 构。除此以外，体系结构控制计算机如何处理流媒体，如文件转换、视像如何在 屏幕上播放。尽管不同体系结构有着诸多的共同点，其间也存在很多差别。有些 专用于网页视频回放，有些更适合于v c d ，并且在特定系列计算机上发挥最佳。 没有一个最好的体系结构，只有最适合于应用的体系结构【2 ”。 2 5 2 压缩媒体文件格式 压缩格式有时被称为压缩媒体格式，包含了描述一段声音和图象的同样信息， 尽管它的文件大小被处理得更小。很明显，压缩过程改变了数据位的编排。在压 缩媒体文件再次成为媒体格式前，其中数据需要解压缩。由于压缩过程自动进行， 并内嵌在媒体文件格式中，通常我们在存储文件时没有注意到这点。该过程如图 3 2 所示。表3 1 列举一些视频和音频文件格式f 2 4 1 。 撵糕释擀笺文件格式或硬件文件格式 图2 2 文件压缩过程 1 4 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 常用视频、音频压缩文件类型 文件格式扩展名 媒体类型与名称压缩情况 ( v i d e o a u d i o ) m o vq u i c k t i m ev i d e ov 2 0 可以 m p g m p e g lv i d e o有 m p 3 m p e g l a y e r 3a u d i o有 w a v w a v ea u d i o没有 a i fa u d i oi n t e r c h a n g ef o r m a没有 s n ds o u n d a u d i of i l ef o r m a t没有 a u a u d i of i l ef o r m m ( s u no s )没有 i a v ia u d i ov i d e oi n t e r l e a v e dv 1 0 ( m i c r o s o f tw i n )可以 2 5 3 流式文件格式 流式文件格式经过特殊编码，使其适合在网络上边下载边播放，而不是等到 下载完整个文件才能播放。可以在网上以流的方式播放标准媒体文件，但效率不 高。将压缩媒体文件编码成流式文件，必须假如一些附加信息，如计时、压缩和 版权信息。编码过程如图3 3 所示。表3 2 列举了常用的流式文件类型。 大文件 圄 匡雾。 匡要l 流式数据 l 窨兰善l 室篓善，匡兰兰 挥鞍瓣流媒黼格式 图2 3 流式文件编码过程 表2 2 常用流式文件格式 i 文件格式扩展( v i d e o a u d i o ) 媒体类型与名称 i a s fa d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ( m i c r o s o f t ) i r mr e a lv i d e o a u d i o 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r ar e a la u d i o 文件( p r o g r e s s i v e n e t w o r k s ) r p r e a lp i x 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r tr e a lt e x t 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) s w fs h o c kw a v ef l a s h ( m a c r o m e d i a ) _ v i v om o v i e 文件( v i v os o f t w a r e )v l v 华中科技大学硕士学位论文 2 5 4 媒体发布格式 媒体发布格式不是压缩格式，也不是传输协议，其本身并不描述视听数据， 也不提供编码方法。媒体发布格