（通信与信息系统专业论文）嵌入式智能多媒体信息发布系统的设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 多媒体信息发布系统的诞生使人们能够更加直观高效地接受多媒体信息，也为 商家带来巨大商机。该类系统现已被应用于很多的公共场合，例如宾馆、商场、车 站、小区等。本文应山西吕梁国贸大酒店的要求定向为其开发一套多媒体信息发布 系统，要求系统基于企业网络，且不占用太大带宽，简单实用，经济性好。本文主 要运用了嵌入式及流媒体技术完成了该系统的设计与实现，包括系统服务器端的音 视频m p e g - 4 转码、r t p 封装及流传输控制的设计，机顶盒的硬件设计与软件设计。 较好地达到了用户的要求，能实现在较低码率下实时传送较好质量的图像，按需求 组播，并可插播实时信息，如多行文本与滚动字幕等。 关键词：多媒体信息发布，嵌入式技术，m p e g - 4 ，r t p 封装，组播 a b s t r a c t m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o np u b l i s h i n gs y s t e mm a k e sp e o p l er e c e i v em u l t i m e d i a i n f o r m a t i o nm o r ev i s u a l l ya n de f f i c i e n t l y , a l s oc a r r i e so nh u g eb u s i n e s so p p o r t u n i t i e s i t i su s e di nm a n yp u b l i co c c a s i o n s ，s u c ha sh o t e l s ，e m p o r i u m s ，r a i l w a ys t a t i o n sa n d r e s i d e n t i a la r e a s t h i sp a p e rd e s i g n sas p e c i a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o np u b l i s h i n gs y s t e m i nt h eo r d e ro fl v l i a n gi n t e r n a t i o n a lt r a d e rh o t e li ns h a n x ip r o v i n c e ，w i t ht h er e q u e s t s a si ts h o u l db es i m p l e ，a p p l i e da n dl o w c o s t ，b a s e do nt h el a nw i t hn a r r o wb a n d w i d t h o c c u p i e d t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h es y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h ed e s i g no f a u d i o v i d e om p e g 一4c o d i n g ，r t pe n c a p s u l a t i o n ，a n ds t r e a mt r a n s m i s s i o nc o n t r o lo ft h e s e r v e r , h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es e t o n - b o x ，b yu s i n ge m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y i ts a t i s f i e st h eu s e rr e q u e s t s ，c a nr e a l i z et ot r a n s m i th i g h e r q u a l i t yo fv i d e oi n l o w e rc o d er a t e ，b r o a d c a s ta c c o r d i n gt ot h er e q u e s t s ，a n di n s e r t r e a l t i m ei n f o r m a t i o n ，s u c ha sm u l t i p l ec o u r s et e x t ，r o l l e rc a p t i o na n ds oo n r e ny a n ( e o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ys o d p r o f l i a n gm i n g k e yw o r d s ：m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o np u b l i s h i n g ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y , s t r e a m i n g m e d i a ，m u l t i c a s t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文嵌入式智能多媒体信息发布系统的设 计与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力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。 学位论文作者签名：当笙蕉日期：丝垒：垒! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鱼堡 日期：坦：! ! ：翌 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 自人类社会诞生伊始，就有了信息交流的需要，这种交流一开始是面对面的交 流，后来人类开始借助简单的媒介物来传达一些信息，发展到现在运用网络来发布 多媒体信息。传统的信息发布主要有以下几种方式： ( 1 ) 印刷方式：主要以报纸、杂志、宣传品为主要媒介，用文字、图片等表达信 息，虽然携带方便，价格便宜，易于保存，但是信息内容是静态的，信息量不可能 很大，且受发行量限制，传播的范围有限。 ( 2 ) 广播方式：它用声音来传达信息，因而不受文化、教育程度限制，另外传播 速度快、范围广，能适应各种环境。然而它也存在不足：只能在特定的时间、频段 才能收听，受众可以回避不接收，达不到广泛信息发布的效果；所发布的信息是面 向所有的人，具有共同性、大众化、普遍性，却缺乏针对性；而且语言所表述的是 抽象的概念，缺乏直观、形象的表现。 ( 3 ) 电视方式：将影像、声音、文字、图形等信息形式集于一体，是一种全方位 信息传播载体。表达信息形象、直观、快捷，受到广泛的青睐；另一方面它也存在 与广播类似的问题，受时间、频道的限制，无法达到广泛的信息发布；所发布的信 息是面向所有的人，缺乏针对性，使受众对发布内容的接受大打折扣；电视广告的 费用不菲，一定程度上阻碍了信息通过电视方式进行有效发布。 ( 4 ) 互联网方式：企业通过依托其他大型网站，或自身的网络平台，或第三方建 立的专门的产品信息发布平台发布其产品广告。这种方式只需投入少量资金就可以 展示企业产品，宣传企业形象，动态更新数据，也可以在网上直接进行销售、交易， 而且不需要硬件设施、后期维护投入，降低了成本。但这种方式针对的受众必需是 拥有可联网的多媒体p c 机且具备一定计算机操作能力的人，这大大降低了信息发 布的广泛性。 信息化的大潮席卷了社会的每个角落，也唤起了人们对获取文本、图片信息的 服务外的音频、视频信息服务的更高要求。在满足信息收集的便捷性基础上，更加 注重于信息获取的高效性。继报刊、广播、电视、互联网等四大媒体之后，以楼宇 电视广告为代表的分散安装、区分不同受众、有针对性地播放广告和多媒体信息的 新型媒体被称为“第五媒体”。多媒体信息发布系统是基于企业网和互联网的视频多 媒体播放系统，它可以让企业、广告运营商和政府机构轻松构建网络多媒体信息发 布和视频播放系统，为用户提供高质量的视频多媒体服务，视音频质量可达到卓越 的高清电视品质。该系统多应用于高楼大厦，电梯内外，酒店、宾馆、商场、超市、 华北电力大学硕士学位论文 连锁店、专卖店、产品展示柜、橱窗柜台、公共汽车、长途汽车、火车、轮船、飞 机、小区等公共场合和娱乐场所。通过直接的具有音视觉感官冲击力的多媒体影像 发布，该系统不仅能直接加大信息发布的力度，提高受众的认知程度，更能显示2 l 世纪现代化多媒体生活的技术装备和实力。 数字化、信息化酒店将是现代酒店建设的必然趋势，这能够极大地提升酒店宣 传工作的管理效率，同时也意味着及时、全面、丰富的资讯报道，优质、高效的信 息服务以及全新的酒店文化氛围。与传统的宣传手段相比，一套功能多样，稳定高 效的酒店信息发布系统是营造数字化酒店的首选。色彩缤纷、内容丰富的动态画面 与普通的报纸或宣传单相比，显然更能吸引人们的眼球。酒店通过在其大厅、电梯 日j 、餐厅、休闲俱乐部、会议室等宾客聚集或人流量大的地方悬挂离子或液晶显示 设备，播放或滚动播放各种酒店新闻、图片资料、天气预报、航班信息、会议公告 以及视频节目等。还可以根据实际情况，在酒店内部发布一些相关的产品或企业的 广告收取一定的广告费用。这样，酒店既多了一个宣传的渠道，提高了其管理信息 的透明度，也增加了一个新的利润增长点。通过多媒体信息发布系统，酒店信息部 门就能够给入住的宾客提供周到细致的信息服务以及全面、及时、精彩的资讯报道。 利用自身优势为宾客提供各类优质、优惠、高效的信息服务内容，使宾客更加感受 到人性化和更多的人情味，这已成为现代酒店信息化不可缺少的部分。 1 2 国内外发展现状 以数字化、网络化、智能化为特征的多媒体信息发布系统已越来越受到人们的 关注和青睐。在很多的公共场合，例如宾馆、商场、车站、小区等，都能看到它的 身影。目前，市场上现有的多媒体信息发布系统产品，一般都是基于以下三种模式： ( 1 ) 单机本地播放模式。即采用本地v c d 或d v d 机播放模式，很多广告机就是 采用这种方式。这种模式的优点是：本地播放，相对独立，可靠稳定，不受其它传 输媒介的限制和影响。缺点是：不支持终端集中管理，片源更换麻烦，且不支持及 时信息插播发布，系统维护工作量大。v c d 或d v d 碟片使用寿命有限，更换片源又 必须在各个终端处完成，需耗费大量的人力物力。 ( 2 ) p c 机多媒体信息发布模式。以网站为载体，媒体库为后台，创建多媒体信 息( 包括流媒体文件) 的超链接，终端用户通过p c 机上的流媒体播放器观看这些信 息。这种模式的优点是：完全基于服务器浏览器结构，无需安装任何客户端程 序，支持远程办公，可异地完成对网站新闻的制作与管理；专业的流媒体视音频信 息集成应用，直接实现网络点播( v o d ) 及直播( w e bt v ) 应用。缺点是：终端用户必 需在p c 机上才可以观看，且必须具备一定的计算机操作技能。“” ( 3 ) 基于机顶盒的网络多媒体信息发布模式。终端用户采用机顶盒接收网络流 2 华北电力大学硕士学位论文 媒体信号，并经过解码、a d 转换为普通电视可接收的音视频信号。这种模式的优 点是：终端用户通过普通的电视机，不需要任何操作便可欣赏到形式多样的多媒体 信息，包括音视频流。可实现通过网络集中管理和控制所有的机顶盒，更换片源方 便，还可随时插播各种及时信息。该模式中的机顶盒可以是基于嵌入式操作系统， 采用硬件解码方式的硬件机顶盒，也可以是基于通用型操作系统，采用软件解码方 式的软件机顶盒。 第一种模式早年运用较多，但随着近年来网络的发展和人们对系统的更高要 求，己逐渐被淘汰。后两种模式目前运用较多，但所针对的客户群以及发布的信息 内容有所不同，前者面对的是广大的网民，发布内容以产品为主；后者根据安放位 置的不同，所面对的是某一特定群体，发布内容以广告、新闻、宣传材料以及特定 的音视频信息为主。表卜1 所示为以上三种发布模式的功能比较： 表卜i 几种多媒体信息发布系统的功能比较 功能多媒体信息发布单机本地播放系p c 机多媒体信息发布基于机顶盒的网络多媒体 系统统系统信息发布系统 嵌入式系统 否否 足 即时信息插播不支持支持支持 流媒体发布不支持支持支持 分组发布不支持不支持支持 图像质量取决于碟片格式取决于编码压缩率取决于编码压缩率 网络甲台不需要网络 i p 网络i p 网络 对网络的依赖性不依赖依赖依赖 占崩带宽不涉及取决于传输码率取决于传输码率 丌机自动播支持需专门设置支持 远程节日更新不支持支持支持 终端播出记录不支持支持支持 远程控制播放状态不支持不支持支持 远程终端管理不支持不支持支持 安全性高比较低高 1 3 论文主要工作及结构安排 本文致力于根据客户需求开发一套简洁实用的新型嵌入式智能多媒体信息发 布系统。文中深入讨论了系统的设计思想与实现方法，其研究内容与结构安排如下： 第一章是引言，通过分析传统的信息发布方式的利弊阐述了发展多媒体信息发 布系统的必要性，并列举了该系统国内外的发展现状。 第二章通过分析具体的用户需求，确定系统的总体方案设计。其间大量分析研 究了系统每一部分所用到的各种技术( 音视频压缩标准、流媒体的传输方式、流媒 体的播放方式、支持流媒体组播的网络协议以及嵌入式实时系统等) 及可选方案， 3 华北电力大学硕士学位论文 以确保本文的设计最为符合用户的需求。 第三章详细给出了系统播控中心的软件设计与实现，包括所选择的操作系统及 开发平台，以及主要模块( 音视频压缩模块、网络传输模块、管理模块) 的具体设计。 第四章介绍了机顶盒终端的硬件结构及工作原理流程等。 第五章详细给出了基于v x w o r k s 嵌入式平台的机顶盒的软件设计和实现，包括 所选实时嵌入式操作系统的介绍和机顶盒应用软件的主要模块( 软件升级模块、网 络传输模块、播放控制模块、多行文本信息控制模块、滚动字幕控制模块) 设计。 第六章给出了系统的综合测试平台以及测试结果，还介绍了该系统的实际应用 情况。 第七章对该课题设计作总结并展望它的未来发展趋势。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统总体设计与可行性研究 2 1 用户需求及分析 2 1 1 用户需求 山西吕梁国贸大酒店于今年十月建成，是一个私人创办的中小型宾馆。在当前 宾馆普遍呈现现代化、数字化的趋势下，该宾馆也决定启动一系列宾馆数字化工程。 前期已经铺设了企业局域网，本课题就是应其要求定向开发的。 用户现场情况及具体需求如下： ( 1 ) 该宾馆共有十层，其中一层为酒店大堂及餐厅；二层为餐厅雅间，共有2 0 问雅间( 其中6 个大型雅问) ；三层为多功能娱乐厅；四至九层为客房；顶层为会议 厅，共有6 个会议厅( 其中2 个大的多功能会议厅，4 个小型会议室) ；此外该宾馆 共有4 台电梯( 东西两侧各有2 台，且电梯门相对) ，即2 0 个电梯口。 ( 2 ) 要求在酒店的大堂、餐厅雅间、多功能娱乐厅、会议厅及各楼层电梯口等 处安装机顶盒及液晶电视。 ( 3 ) 播放宾馆介绍、当地旅游、贵宾欢迎、会议预告、广告等信息，并要求能 实时插播滚动字幕及文本消息等。 ( 4 ) 要求安装在不同地点的机顶盒终端可以发布不同的信息，比如说当大厅正 在发布宾馆介绍的同时，会议厅却要求发布跟本次会议相关的内容。 ( 5 ) 要求播放的画面清晰流畅，不出现画面马赛克或音视频不同步现象。 ( 6 ) 节目更换方便，后台控制软件界面友好，操作简单。 ( 7 ) 终端反应灵敏，延时小，安全性强。 ( 8 ) 系统成本低，且占用带宽资源少。 2 1 1 需求分析 ( 1 ) 对用户的需求进行分析，参照1 2 节中三种多媒体信息发布系统模式各自 的功能与特点，确定该用户适合选择基于机顶盒的网络多媒体信息发布模式。因为 宾馆信息发布的受众不可能利用p c 去观看，所以第二种方式不可取；而用户又要 求能方便地更换片源，插播及时信息，则第一种方式亦不可取。 ( 2 ) 在布线可达的情况下，一个机顶盒可以带1 4 台液晶电视。由于机顶盒 是硬件设备，需要一定的成本费用，所以原则上在满足用户信息发布需求的前提下 应根据具体布线环境尽量减少机顶盒的个数。但前提是必须保证由此台机顶盒所带 的多台液晶电视所需播放的信息完全相同。通过对用户进一步的需求调查，确定如 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1 所示的液晶电视及机顶盒分布安排： 表2 - 1 液晶电视及机顶盒分布安排 所需液晶电视所需机顶盒 安放位置 备注说明 ( 台)( 个) 洒店大堂21 播放内容一样，两台液晶电视共用一个机顶盒 播放内容一样，根据液晶电视的安放位置，每 一层餐厅42 两台液晶电视共用一个机顶盒 大雅间每间需2 台液晶电视，其余每间1 台； 餐厅雅间2 61 0 播放内容样，根据液晶电视的安放位置，经 计算需要1 0 个机顶盒 多功能娱 播放内容不完全相同根据液晶电视的安放位 64 乐厅 置，经计算需要4 个机顶盒 多功能会议厅每间2 台液晶电视，其余不需 会议厅42 要；每间会议厅的播放内容一样，但彼此可能 不同，每间会议厅共用一个机顶盒 每个电梯门旁需要1 台液晶电视；播放内容一 电梯口 4 0 2 0 样，由于每一个电梯口的两个电梯门相对，距 离很近，每个电梯口共用一个机顶盒 总计 7 23 9 ( 3 ) 用户要求播放的画面质量清晰流畅，不出现画面马赛克或音视频不同步现 象，且要求终端安全性强，所以将采用基于嵌入式实时操作系统的硬件机顶盒，解 码采用硬解码方式。 ( 4 ) 用户要求所占带宽资源小，所以将在服务器端制作节l i 的时候，采用 p e g 一4 压缩格式压缩音视频文件。 ( 5 ) 为了尽量降低系统成本，除了经过实地考察，精确计算机顶盒的使用量外， 还采取了将播控中心多台不同功能的服务器合并，用一台服务器代替完成。但在系 统设计时必须尽量减轻该服务器的负担。 ( 6 ) 为了同时满足用户发布不同多媒体信息以及尽量减轻服务器负担的两大 要求，将采用组播的方式发布信息。 2 2 课题相关技术及方案的研究与分析 为了能够设计出最为满足用户需求的系统，除了做好需求分析外，还需要对相 关技术做大量的研究和分析，以确保所做的方案正确可行。以下将分别给出几个相 6 华北电力大学硕士学位论文 关技术的研究与分析结果。 2 2 1 音视频压缩标准简介“1 视频压缩标准简介 视频数据量巨大，所以在多媒体应用中，多媒体数据传输或存储的第一步就是 多媒体压缩。这就提出了一个不同厂家产品的兼容性问题，因此需要一个全球性的 统一的多媒体压缩标准。运动图像专家组( m p e g ) 应运而生。 m p e g 是m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ，动态图象专家组的英文缩写，它是 i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ) 与i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i c c o m m i t r e e ) 于1 9 8 8 年联合成立的一个工作组，致力于运动图像及其伴音编码的标 准化工作。自成立以来，m p e g 专家组发布了一系列的多媒体压缩标准。 m p e g 一1 标准是针对1 5 m b p s 以下数据传输率的数字存储媒体运动像及其伴音编 码设计的国际标准。m p e g 一1 广泛用于v c d 与数字电话网络上的视频传输。 m p e g 一2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和 系统层的详细规定，编码率从每秒3 m b p s l o o m b p s ，特别适用于广播级的数字电视 的编码和传送。 m p e g - 4 是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性 和灵活性。m p e g - 4 是一种高效率的编码标准，其最低码率可达到4 8 6 4 k b p s 。 m p e g 一4 的主要应用领域有：因特网多媒体应用；广播电视；实时可视通信；交互式 多储媒体应用；演播室技术及电视后期制作；远程视频监控；通过a t m 网络等进行 的远程数据库业务等。 与m p e g - i 、m p e g 一2 相比，m p e g 一4 具有如下独特的优点：基于内容的交互性； 高效的压缩性；通用的访问性。m p e g - 4 提供了易出错环境的鲁棒性，来保证其在许 多无线和有线网络及存储介质中的应用，此外，m p e g 一4 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。三者基本参数比较如表2 - 2 所示： 表2 2m p e g 一1 2 4 基本参数比较 n i p f _ j 3 系列标准的基本参数 标准幅颟 赖率 ” 带宽应用领域! m p b g 1 3 5 2 x 2 4 或3 2 0 x 2 4 0 2 4 - 3 0f p s 1 5 r o p s v i d e oc d ，c d - r o m ，毋b g - 2 7 2 0 x 2 4 或6 4 0 x 4 8 0 2 4 - 3 0i i , s 6 - 8 m b p su - h d t v , d v d - v i d c o m p e g - 43 4 x 4 8 4 0 9 6 x 4 0 9 6 1 - 3 0 + f r , sl o k b p s , - - 1 0 m b p s互联网及无线传输， 交互式电视 7 华北电力大学硕士学位论文 音频压缩标准简介 数字化的声音有很多种存在形式：w a v 、m p 3 、a a c 等等。但是无论怎样，声音 的数据量由两方面决定：频度和样本精度。由于对于声音的数字化涉及较广的数学 和感知领域的知识，这里只是简要介绍。 ( 1 ) m p 3 音频 m p e g 一1 音频定义了3 个分明的层次，它们的基本模型是相同的。层1 是最基础 的，层2 和层3 都在层1 的基础上有所提高。每个后继的层次都有更高的压缩比， 但也因此需要更加复杂的解码器。我们平时说的m p 3 解码就是说m p e g 一1 音频解码 标准的第三层。其编码器最为复杂，编码器的输出数据率为6 4 k b p s 。 ( 2 ) a a c 音频 a a c 的全名为a d v a n c e da u d i oc o d i n g ，其意思为高级音频编码，是国际标准 化组织( i s o ) 制定的音频标准格式，也是m p e g 规范的一部分。在m p e g - 2 里提出， 在m p e g 一4 里进一步扩展和完善。采样频率选择性更高，更接近c d 音质；并且采用 了解析度更高的滤波器组，达到很高的压缩率，并且可大幅度降低传输时间及介绍 存储空间，适合新一代音乐产品使用。 由于用户要求传输占用较小网络带宽资源，因此系统对节目源采取m p e g 一4 压 缩标准压缩，在保证一定图像质量的前提下，使其占用尽可能少的带宽。 2 2 2 流媒体的传输方式“”“1 流媒体指在i n t e r n 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，它在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内 存，其他的数据流随时传送随时播放，只是在开始时有一些延迟，其关键技术就是 流式传输。与传统的单纯的下载相比较，流媒体具有以下几个明显的优点：( 1 ) 由 于不需要将全部数据下载，因此等待时间可以大大缩短；( 2 ) 由于流文件往往小于 原始文件的数据量，并且用户也不需要将全部流文件下载到硬盘，从而节省了大量 的磁盘空间；( 3 ) 由于采用了r t s p 等实时传输协议，更加适合动画、视音频在网上 的实时传输。 流式传输的定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术 总称。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 es 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。当然，流式文件也支持在播放前完全下载到硬盘。 ( 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 8 华北电力大学硕士学位论文 刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的前头部分，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。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。 顺序流式文件是放在标准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长片段和有随机访问要求的视频，也不支持现场广播， 严格说来，它是一种点播技术。 ( 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 t t p 流式传输不同，需要专用的流媒体服务器与传输协议。 实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快 进或后退以观看静面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就可不停止，但实际 上，可能发生周期暂停。 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像质 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，顺序流式传输更好。 本文所设计的系统需要支持网络上音视频流的实时传输，故应采取实时流式传 输方式。 2 2 3 i i i i , 媒体的播放方式“” 当| j i 的网络中有三种流媒体模式：单播、广播、组播( 多播) ，其中的组播出现 时自j 最晚但同时具备单播和广播的优点，最具有发展前景。 单播是主机之间“一对一”的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进 行转发不进行复制。服务器及时响应客户机的请求，但在客户数量大、每个客户机 流量大的流媒体应用中服务器将不堪重负。 广播是主机之间“一对所有”的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号 都进行无条件复制并转发。其网络设备简单，维护简单，布网成本低廉，且服务器 流量负载极低，但却无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务，且禁止在 i n t e r n e t 宽带网上传输。 组播是主机之间“一对一组”的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以 接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所 需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选 择的复制并传输数据。即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将 9 华北电力大学硕士学位论文 数据传输给多个有需要( 加入组) 的主机，又能保证不影响其他不需要( 未加入组) 的 主机的其他通讯。 组播的优点“： 1 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的 负载。具备广播所具备的优点。 2 由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的 服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。i p 协议允许有2 亿6 千多万个( 2 6 8 4 3 5 4 5 6 ) 组播，所以其提供的服务可以非常丰富。 3 此协议和单播协议一样允许在i n t e r n e t 宽带网上传输。 组播的缺点： 1 与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一 定的容错机制和q o s 加以弥补。 2 现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、o o s 等方面还需要完善， 这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中。 由于用户要求能同时向某一部分终端发布一类信息，而向另一部分终端发布不 同的信息。很显然，广播方式不满足要求。虽然单播可以实现上述要求，但是单播 是一种发送数据包到单个目的地的i p 传输，是点对点的，当一台主机向多个用户 发送信息时，单播对于每一个用户都要发送一份数据的拷贝，从而加重了服务器的 负担，并增加了服务器与交换机，交换机与交换机之间的网络负担，尤其对于大数 据量的多媒体传输。因此，不满足用户要求的较小网络带宽资源占用要求。 故本文采用组播技术将音频视频数据传送到网络上。当某发送者向一组接收者 发送数据时，它不必将数据向每一个接收者都发送数据，只需将数据发送到一个特 定的预约的组地址，所有加入该组的接收者均可以收到这份数据。这样对发送者而 言，数据只需发送一次就可以发送到所有接收者，由于交换机之间只传送一份数据 拷贝，到接收者的投递数据大大减轻了网络的负载和发送者的负担。单播与组播的 比较如图2 - 1 和2 2 所示。 皓叠鋈耋鹂 县 。 画 图2 - 1 单播网络传输图 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 组播网络传输图 2 24 支持流媒体组播的网络协议 组播在o s i 七层协议中的数据链路层( 第二层) 和网络层( 第三层) 都可以实施， 还可以通过不同媒体类型实施，包括以太网、f d d i 和a t m 。由于i p 组播是t c p i p 协议族的一个功能，这里介绍t c p i p 网络模型，如图2 - 3 所示“”。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 图2 - 3t c m i p 四层参考模型 t c p i p 网络模型是现今i n t e r n e t 网最广泛的网络模型，它分为四层。从下往 上分别是：数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一个层的功能都由其相应的 协议来执行，并对上一层提供服务。t c p i p 协议族对组播有着广泛的支持。这里主 要介绍与i p 组播相关的几个重要协议： ( 1 ) 网络层协议 i p 协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) i p 协议是网络层上的一个协议，它的主要任务是把来自t c p 或者u d p 协议执行 软件装配的消息装配成数据报( d a t a g r a m ) ，负责安排数据报的传送路线以及在接收 端把数据报还原成原来的消息段。i p 协议的主要内容是定义i p 数据报头部 ( i n t e r n e tp r o t o c o ld a t a g r a mh e a d e r ) ，它由6 个3 2 位，共计2 4 个字节组成， 包括如版本、服务类型、总长、标识、分段偏移、生命期、协议、头部校验和、源 地址、目的地址、可选项等。 传输协议( t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 在传输协议域中包含有传输协议的标识号，目前定义和指定了大约5 0 个传输 协议号。其中有两个在组播实现中起重要作用，协议号分别是1 和2 ，它们是网际 1 t 易囊昌名诅 e盆 盘 华北电力大学硕士学位论文 控制报文协议i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c 0 1 ) 和网际分组管理协议 i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g ep r o t o c 0 1 ) 。 网际控制报文协议i c m p 被认为是i p 的一部分，它控制错误和系统级的报文。 当一个数据报不能到达它的目标或当一个网关因为缓冲能力不足，传送数据报失败 时，一个i c m p 报文就可能被发出去。i p 标题的协议号1 ，表示一个i c m p 报文和 种0 服务类型，即回送回答类型。 网际分组管理协议i g m p 是i c m p 的扩充，它由r f c l l l 2 i p 系统多播的主机扩 充所定义，在t c p i p 协议族中占相同位置。实施i g m p 的主机是级别2 的主机， 它能够接收i p 组播。i g m p 在i p 数据报内有一个大小合适的报文。i g m p 要求i p 主 机报告它们的主机组成员到任意直接相邻的组播路由器。组播路由器发送主机成员 查询报文来测定它们连接的网络上的哪些主机组有成员，主机用列出的所有的组的 主机成员报告来做出回答。i p 组播接收了这些报文后，可以和其他组播路由器交换 组成员信息，同时形成分布树传递组播数据报。 多目标广播路由器是通过使用i g m p 来查明直接附加到子网的主机组成员是否 存在，它可以发送i g m p 查询消息以获得主机组成员的情况。 ( 2 ) 传输层协议“”捌 用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 是在传输层上的协议。它通过 使用端口编号支持组播。u d p 的1 6 位端口编号允许多个进程使用同一个主机上的设 备。 u d p 给用户提供类似i p 服务的访问和无保证的数据报传输。在u d p 中的数据报 传输是不可靠的、无连接的，信息在到达它们的目标之前可以被取消。u d p 在i p 上 只提供两种服务，即通过端口编号的多路传输和可选的数据校验和。这意味着通过 u d p 运行的应用程序可以控制端对端通信问题，例如重发以及信息包的集合和重新 集合。这恰恰为视频流媒体的缓存技术提供了基础。 ( 3 ) 应用层协议 实时传输协议r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 与实时传输控制协议 r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) r t p 是一种提供端对端传输服务的实时传输协议，用来支持在单目标广播和多 目标广播网络服务中传输实时数据。r t p 定义在r f c1 8 8 9 中。信息包的结构包含广 泛用于多媒体的各个领域，它没有对声音和电视的压缩格式制定标准格式，可以用 来传输普通文件格式的流，例如w a y 格式的音频文件流或m p e g l 、m p e g 一2 格式 的视频文件流。也可以用来传输专有格式的文件流。 r t p 通常使用u g p 传送数据，但r t p 也可以在t c p 或者a t m 等其他协议之上使 用。使用r t p 协议的应用程序运行在r t p 之上，而执行r t p 的程序运行在u d p 的上 1 2 华北电力大学硕士学位论文 层。由多媒体应用程序生成的音频或视频数据块被封装在r t p 信息包中，每个r t p 信息包被封装在u d p 消息段中，然后再封装在i p 数据包中进行发送。因此，r t p 协 议可以被认为是处于传输层和应用层之间的协议，它和u d p 协议之间是利用套接口 ( s o c k e ti n t e r f a c e ) 来连接的，如图2 4 所示： ：t c p i p 模型： 套接接口 图2 4r t p 和u d p 之间的接口 r t p 本身不提供任何机制来确保把数据及时递送到接收端或者确保其他的服务 质量，它也不担保在递送过程中不丢失信息包或者防止信息包的次序不被打乱。r t p 的封装只是在系统端才能看到，中间的路由器并不区分那个i p 数据报是运载r t p 信息包的。 当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：一个给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者 拥塞控制，因此需要依靠r t c p 来提供这些服务。通常r t p 算法并不作为一个独立 的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。实时传输控制协议 r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控 制服务。在r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中包含已发送 的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料。因此，服务器可以利用这些信 息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合使用，它们能以 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。 实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) r t c p 是为 应用程序提供会话质量或者广播性能质量的信息。r t c p 信息包封装的不是音频数据 或视频数据，而是发送端和接收端的统计信息。统计信息包括发送的信息包数目、 丢失的信息包数目和信息包的抖动等信息，对发送端、接收端、网络管理员都是很 有用的。在组播中最好把r t c p 和r t p 一起使用。这样，r t p 会话期间，每个参与者 周期性地向所有其他参与者发送r t c p 控制信息包。 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 0 1 ) r t s p 是一个新的协议，它是应用级协议，控制实时数据的发送，主要目标是为 广播和多播上的流式多媒体应用提供牢靠的播放性能，以及支持不同厂家提供的客 1 3 华北电力大学硕士学位论文 户机和服务机之间的协同工作能力。r t s p 提供了一个可扩展框架，使实时数据( 如 音频和视频) 的受控、点播成为可能。数据源包括现场数据和存储在剪辑中数据。 该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道( 如u d p 、组播u d p 与t c p ) 提供途径，并为选择基于r t p 上发送机制提供方法。著名的r e a l s e r v e r 使用的主 要的协议就是r t s p 。 实时流协议是一个新开发的协议，它的设想描述在r f c2 3 2 6 文件中。因为r t s p 是应用级的实时流协议，所以它的主要目标是为单目标广播和多目标广播上的流式 多媒体应用提供牢靠的播放性能支持，以及支持不同厂家的客户机和服务器之间的 协同工作能力。 资源保留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) r s v p 是一个允许应用程序保留资源的标准协议。它允许应用程序为它们的数据 流保留带宽。主机根据数据流的特性使用这个协议向网络请求保留一个特定量的带 宽，路由器也使用r s v p 协议转发带宽请求。 r s v p 是面向接收端的( r e c e i v e r o r i e n t e d ) 协议，也就是由接收数据流的终端 提出资源保留请求。每个多播路由器接收到的消息依次是从多播树的下流链路上发 送来的，而且只有一个带宽保留消息。r s v p 也可以从发送端发出并向接收端发送的 消息。目的是要让路由器知道在那些链路上应该转发保留消息。 资源保留协议使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 s ) ； 同时r s v p 又是非路由协议，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；再者，r s v p 属o s i 七层协议栈中传输层，开始是研究人员构 造的，i e t fj 下朝标准化方向努力。 图2 5 是本系统基于r t p 的m p e g - 4 视频传输模型。m p e g - 4 视频流分别被封装 上r t p 报头、u d p 报头和i p 报头，然后i p 数据包通过e t h e r n e t 向接收端发送。接 收端收到i p 包后按相反的顺序将r t p 报头和视频数据提取出来，根据r t p 报头中 的序列号将视频数据放入缓存供解码器解码输出。 图2 - 5 基于r t p 的i i i p e g - 4 视频传输模型 1 4 一 匝雾季三 华北电力大学硕士学位论文 2 2 5 嵌入式实时系统概述幢”1 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计 的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，有利于嵌入式系统设 计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不