基于流媒體技術的IPTV系統

隨著互聯網的普及，利用網絡傳輸聲音與視頻信號的需求也越來越大。廣播電視等媒體上網后，也都希望通過互聯網來發布自己的音視頻節目。但是，音視頻在存貯時文件的體積一般都十分龐大。在網絡帶寬還很有限的情況下，花幾十分鐘甚至更長的時間等待一個音視頻文件的傳輸，不能不說是一件讓人頭疼的事。流媒體技術的出現，在一定程度上使互聯網傳輸音視頻難的局面得到改善。流媒體技術發端于美國，在美國目前流媒體的應用已很普遍，比如惠普公司的產品發布和銷售人員培訓都用網絡視頻進行。與傳統的播放方式不同，流媒體在播放前并不下載整個文件，只將部分內容緩存，使流媒體數據流邊傳送邊播放，這樣就節省了下載等待時間和存儲空間。網絡電視正是結合了流媒體技術的特點應運而生，能夠很好地適應當今網絡飛速發展的趨勢，充分有效地利用網絡資源。因此，網絡電視的發展離不開流媒體技術，本文著重研究基于流媒體技術的網絡電視的應用和發展。

1流媒體的技術
1．1 流媒體技術的原理
??? 流媒體又叫流式媒體，它是指商家用一個視頻傳送服務器把節目當成數據包發出，傳送到網絡上。用戶通過解壓設備對這些數據進行解壓后，節目就會像發送前那樣顯示出來。這個過程的一系列相關的包稱為“流”。流媒體實際指的是一種新的媒體傳送方式，而非一種新的媒體。流媒體技術全面應用后，人們在網上聊天可直接語音輸入；如果想彼此看見對方的容貌、表情，只要雙方各有一個攝像頭就可以了；在網上看到感興趣的商品，點擊以后，講解員和商品的影像就會跳出來；更有真實感的影像新聞也會出現。
??? 如果將文件傳輸看作是一次接水的過程，過去的傳輸方式就像是對用戶做了一個規定，必須等到一桶水接滿才能使用它，這個等待的時間自然要受到水流量大小和桶的大小的影響。而流式傳輸則是，打開水頭龍，等待一小會兒，水就會源源不斷地流出來，而且可以隨接隨用，因此，不管水流量的大小，也不管桶的大小，用戶都可以隨時用上水。從這個意義上看，流媒體這個詞是非常形象的。
??? 流式傳輸的實現需要緩存。因為Internet以包傳輸為基礎進行斷續的異步傳輸，對一個實時A／V源或存儲的A／V文件，在傳輸中它們要被分解為許多包，由于網絡是動態變化的，各個包選擇的路由可能不盡相同，故到達客戶端的時間延遲也就不等，甚至先發的數據包還有可能后到。為此，使用緩存系統來彌補延遲和抖動的影響，并保證數據包的順序正確，從而使媒體數據能連續輸出，而不會因為網絡暫時擁塞使播放出現停頓。通常高速緩存所需容量并不大，因為高速緩存使用環形鏈表結構來存儲數據：通過丟棄已經播放的內容，流可以重新利用空出的高速緩存空間來緩存后續尚未播放的內容。流式傳輸的實現需要合適的傳輸協議。由于TCP需要較多的開銷，故不太適合傳輸實時數據。在流式傳輸的實現方案中，一般采用HTTP／TCP來傳輸控制信息，而用RTP／UDP來傳輸實時聲音數據。流式傳輸的過程一般是這樣的：用戶選擇某一流媒體服務后，Web瀏覽器與Web服務器之間使用HTTP／TCP交換控制信息，以便把需要傳輸的實時數據從原始信息中檢索出來；然后客戶機上的Web瀏覽器啟動A／VHelper程序，使用HTTP從Web服務器檢索相關參數對Helper程序初始化。這些參數可能包括目錄信息、A／V數據的編碼類型或與A／V檢索相關的服務器地址。
??? 需要說明的是，在流式傳輸中，使用RTP／UDP和RTSP／TCP兩種不同的通信協議與A／V服務器建立聯系，是為了能夠把服務器的輸出重定向到一個不同于運行A／V Helper程序所在客戶機的目的地址。實現流式傳輸一般都需要專用服務器和播放器，其基本原理如圖1所示。

1．2 流媒體技術的實現過程
??? 流媒體系統包括以下五個方面的內容：
??? (1)編碼工具：用于創建、捕捉和編輯多媒體數據，形成流媒體格式。
??? (2)流媒體數據。
??? (3)服務器:存放和控制流媒體的數據。
??? (4)網絡：適合多媒體傳輸協議甚至是實時傳輸協議的網絡。
??? (5)播放器：供客戶端瀏覽流媒體文件。

?這五個部分有些是網站需要的，有些是客戶端需要的，而且不同的流媒體標準和不同公司的解決方案會在某些方面有所不同。
??? 在運用流媒體技術時，音視頻文件要采用相應的格式，不同格式的文件需要用不同的播放器軟件來播放，所謂“一把鑰匙開一把鎖”。目前，采用流媒體技術的音視頻文件主要有三大“流派”，即RealNetworks公司的RealMedia、Microsoft的Windows Media和Apple公司的QItickTime。
??? 按照內容提交的方式，流媒體可以分為兩種：實況流媒體廣播(即Web廣播)和由用戶按需訪問的存檔的視頻和音頻。不論是哪一種類型的流媒體，其實現從攝制原始鏡頭到媒體內容的回放都要經過一定的過程。下面以RealMedia為例說明流媒體的制作、傳輸和使用的過程：
??? (1)采用視頻捕獲裝置對事件進行錄制。
??? (2)對獲取的內容進行編輯，然后利用視頻編輯硬件和軟件對它進行數字化處理。
??? (3)經數字化的視頻和音頻內容被編碼為流媒體格式。
??? (4)媒體文件或實況數據流被保存在安裝了流媒體服務器軟件的宿主計算機上。
??? (5)用戶點擊網頁請求視頻流或訪問流內容的數據庫。
??? (6)宿主服務器通過網絡向最終用戶提交數字化內容。
??? (7)最終用戶利用桌面或移動終端上的顯示媒體內容的播放程序進行回放和觀看。
??? 由于流媒體技術在一定程度上突破了網絡帶寬對多媒體信息傳輸的限制，因此被廣泛運用于網上直播、網絡廣告、視頻點播、遠程教育、遠程醫療、視頻會議、企業培訓、電子商務等多種領域。

2 流式技術的主要解決方案
??? 由于其成熟穩定的技術性能，互聯網巨人美國在線(AOL)、ABC、AT&T、Sony和Time Life等公司和網上主要電臺都使用：RealSystem向世界各地傳送實時影音媒體信息以及實時的音樂廣播。在我國，大量的影視、音樂點播和春節晚會、昆明世博會開幕式的網上直播都采用了RealSystem系統。
??? Windows Media Technology是Microsoft提出的信息流式播放方案，其主要目的是在Internet和Intra-net上實現包括音頻、視頻信息在內的多媒體流信息的傳輸。其核心是ASF文件，ASF是一種包含音頻、視頻、圖像以及控制命令、腳本等多媒體信息在內數據格式，通過分成一個個的網絡數據包在Internet上傳輸，實現流式多媒體內容發布。因此，把在網絡上傳輸的內容就稱為ASF Stream。ASF支持任意的壓縮／解壓縮編碼方式，并可以使用任何一種底層網絡傳輸協議，具有很大的靈活性。Microsoft已將Windows Media技術捆綁在Windows 2000中，并打算將ASF用作將來的Windows版本中多媒體內容的標準文件格式，這無疑將對Internet特別是流式技術的應用和發展產生重大影響。

Windows Media Technology由Media Tools、Media Server和Media Player工具構成。Media Tools是整個方案的重要組成部分，它提供了一系列的工具幫助用戶生成ASF、格式的多媒體流，分創建工具和編輯工具兩種，創建工具主要用于生成ASF格式的多媒體流，包括Media Encoder，Author，VidToASF，WavToASF，Presen-ter五個工具；編輯工具主要對ASF格式的多媒體流信息進行編輯與管理，包括后期制作編輯工具ASF Indexer與ASFChop，以及對ASF流進行檢查并改正錯誤的ASF-Check。Media Server可以保證文件的保密性，不被下載，并使每個使用者都能以最佳的影片品質瀏覽網頁，具有多種文件發布形式和監控管理功能。Media Player則提供強大的流信息的播放功能。
??? Apple公司于1991年開始發布QuickTime，它幾乎支持所有主流的個人計算平臺和各種格式的靜態圖像文件、視頻和動畫格式，具有內置Web瀏覽器插件技術，支持IETF流標準以及RTP，RTSP，SDP，FTP和HTTP等網絡協議。通過好萊塢影視城檢索到的許多電影新片片段，都是以QuickTime格式存放的。
??? QltickTime包括服務器、帶編輯功能的播放器QuickTime Player、制作工、圖像瀏覽器以及使Internet瀏覽器能夠播放QuickTime影片的QuickTime插件。QuickTime 4支持兩種類型的流：實時流和快速啟動流。使用實時流的QuickTime影片必須從支持QuickTime流的服務器上播放，是真正意義上的Streaming Media，使用實時傳輸協議(RTP)傳輸數據。快速啟動影片可以從任何Web Server上播放，使用超文本傳輸協議(HTTP)或文件傳輸協議(FTP)傳輸數據。
??? 目前，FOX新聞在線、FOX體育在線、BBCWORLD、氣象頻道等機構都加入QuickTime內容供應商行列，使用QuickTime技術制作實況轉播節目除了上述的流媒體技術的三種主要格式外，在多媒體課件和動畫方面的流媒體技術還有Macromedia的Shock-wave技術和MeataCreation公司的Meta Stream技術。
??? 通過Shockwave技術可以方便地在Web頁面中加入圖像、動畫以及交互式界面等操作。利用這種Streaming Shockwave，即通過流的方式使用戶在客戶端實現邊下載邊播放的功能，節省了等待時的時間。Shockwave與Macromedia產品緊密聯系在一起，包括Flash，Shockwave for Authorware，Shockwave for Di-rector等技術。
??? MetaStream 3D的圖形設計軟件是Ray Dream studio 5以及Ray Dream 3D，可以方便地在網上創建、發布及瀏覽被縮放的3D圖形，它具有小文件量及流傳輸的特點，比其它任何一種已存在的Internet 3D技術壓縮率都高。主要應用于游戲開發廠商、頁面設計者、電子商務、科學研究者、專業設計者等。

3 流媒體技術在網絡電視中的應用
??? 目前我國通信事業正在迅猛地發展，用戶對信息服務的要求越來越高，特別是寬帶視頻信息。可以說中國已基本具備了大力發展IPTV的技術條件和市場條件，而且IPTV網絡電視市場競爭越來越激烈。市場競爭競爭對普通的消費者比較有利，拋開這些不管，這里關心的是怎樣才能實現網絡電視。對于一般的用戶來說，一般是采用網絡機頂盒+普通電視機。如圖2所示，電腦與機頂盒共用一臺ADSL Modem寬帶上網。通常ADSL用戶的電腦和ADSL Modem都在一個地方，因此，ADSL Modem引出五類網線連接到機頂盒上。考慮到大多數ADSL Modem只有一個10BaseT網口，因此要多加一個HUB。網絡電視可以提供遠程教育、視頻點播、網絡直播、視頻會議等服務，使人們的生活更加豐富多彩，下面就從這幾個方面探討流媒體的應用。

3．1 遠程教育
??? 電腦的普及、多媒體技術的發展以及互聯網的迅速崛起，給遠程教育帶來了新的機遇。世界各國都正大力開展包括網絡教育在內的遠程教育。在遠程教學過程中，最基本的要求是將信息從教師端傳遞到遠程的學生端，需要傳遞的信息可能是多元化的，這其中包括各種類型的數據：如視頻、音頻、文本、圖片等。將這些資料從一端傳遞到另一端是遠程教學需要解決的問題，而如何將這些信息資料有效的組合起來以達到更好的教學效果更是人們思考的重要方面。由于當前網絡帶寬的限制，流式媒體無疑是最佳的選擇，學生可以在家通過一臺計算機、一條電話線、一只Modem就可以參加到遠程教學當中來。對于教師來講，也無須做過多的準備，授課方法基本與傳統授課方法相同，只不過面對的是攝像頭和計算機而已。

? 就目前來講，能夠在互聯網上進行多媒體交互教學的技術多為流媒體，像RealSystem，Flash，Shockwave等技術就經常應用到網絡教學中。遠程教育是對傳統教育模式的一次革命，它能夠集教學和管理于一體，突破了傳統“面授”的局限，為學習者在空間和時問上都提供了便利。
??? 除去實時教學以外，使用流媒體中的VOD(視頻點播)技術，更可以達到因材施教、交互式的教學目的，學生也可以通過網絡共享自己的學習經驗和成果。大型企業可以利用基于流技術的遠程教育系統作為對員工進行培訓的手段，這里不僅可以利用視頻和音頻，計算機屏幕的圖形捕捉也可以被用流的方式傳送給學員。現在微軟公司自己內部就大量使用了其自己的流技術產品作為其全球各分公司問員工培訓和交流的手段。隨著網絡及流媒體技術的發展，越來越多的遠程教育網站開始采用流媒體作為主要的網絡教學方式。
3．2 寬帶網視頻點播
??? 在前面的遠程教育中曾經提到過VOD視頻點播，視頻點播技術已經不是什么新鮮的概念了，最初的VOD應用于卡拉OK點播，當時的VOD系統是半自動的需要人工參與。隨著計算機的發展，VOD技術逐漸應用于局域網及有線電視網中，此時的VOD技術趨于完善，但有一個困難阻礙了VOD技術的發展，那就是音視頻信息的龐大容量。這樣服務器端不僅需要大量的存儲系統，同時還要負荷大量的數據傳輸，導致服務器根本無法進行大規模的點播。同時由于局域網中的視頻點播覆蓋范圍小，用戶也無法通過互聯網等網絡媒介收聽或觀看局域網內的節目。此時流媒體技術的出現，在視頻點播方面完全可以遺棄局域網而使用互聯網，由于流媒體經過了特殊的壓縮編碼，使得它很適合在互聯網上傳輸。客戶端采用瀏覽器方式進行點播，基本無需維護。由于采用了先進的機群技術，可對大規模的并發點播請求進行分布式處理，使其能適應大規模的點播環境。
??? 隨著寬帶網和信息家電的發展，流媒體技術會越來越廣泛地應用于視頻點播系統，也許有一天你也可以在自己的家中欣賞到與電視節目相當的流式視頻節目。就當前而言，很多大型的新聞娛樂媒體都在Internet上提供基于流技術的音視頻節目，如國外的CNN、CBS以及我國的中央電視臺、北京電視臺等，有人將這種In-ternet上的播放節目稱之為“Webcast”。
3．3 互聯網直播
??? 也許大家只聽說過現場直播、衛星轉播之類的名詞，對于互聯網直播(或稱為網絡直播)的概念還并不太熟悉，隨著互聯網的普及網民越來越多，從互聯網上直接收看體育賽事、重大慶典、商貿展覽成為很多網民的愿望。而很多廠商希望借助網上直播的形式將自己的產品和活動傳遍全世界，這也許是任何一種媒體都不能達到的。這一切都促成了互聯網直播的形成。但是網絡帶寬問題一直困擾著互聯網直播的發展，不過隨著寬帶網的不斷普及和流媒體技術的不斷改進，互聯網直播已經從實驗階段走向了實用階段，并能夠提供較滿意的音、視頻效果。流媒體技術在互聯網直播中充當著重要的角色，首先流媒體實現了在低帶寬的環境下提供高質量的影音。其次，像Real公司的SureStream這樣的智能流技術可以保證不同連接速率下的用戶可以得到不同質量的影音效果。此外，流媒體的Multicast(多址廣播)技術可以大大減少服務器端的負荷，同時最大限度地節省了帶寬。無論從技術上還是從市場上考慮，現在互聯網直播是流媒體眾多應用中最成熟的一個。已經有很多公司提供網上直播服務，每年一度的《春節晚會》就提供網上現場直播。
3．4 視頻會議
??? 市場上的視頻會議系統有很多，這些產品基本都支持TCP／IP網絡協議，但采用流媒體技術作為核心技術的系統并不占多數。視頻會議技術上涉及到數據采集、數據壓縮、網絡傳輸等多項技術。流媒體并不是視頻會議必須的選擇，但是流媒體技術的出現為視頻會議的發展起了很重要的作用。采用流媒體格式傳數影音，使用者不必等待整個影片傳送完畢，就可以實時的連續不斷的觀看，這樣不但改善觀看前的等待問題，也可以達到即時的效果。雖然損失了一些畫面質量，但就視頻會議來講，并不需要很高的音視頻質量。視頻會議是流媒體的一個商業用途，通過流媒體還可以進行點對點的通信，最常見的例子就是可視電話。只要有一臺已經接入互聯網的電腦和一個攝像頭，就可以與世界任何地點的人進行音視頻的通信。此外，大型企業可以利用基于流技術的視頻會議系統來組織跨地區的會議和討論，從而節省大量的開支。一個實際的例子是美國第二大證券交易商從1998年開始，采用Starlight Network公司提供的流技術方案，為其分布在全球500多個城市和地區的分公司經紀人和投資咨詢員實時提供到桌面的財經新聞，使他們的客戶獲取更多的投資利潤。

4 結 語
??? 隨著網絡通信的不斷發展，IPTV必將成為發展趨勢，流媒體技術作為IPTV的關鍵技術之一，它的發展和應用倍受關注。雖然流媒體服務系統和傳統的網絡文件服務系統有許多相似之處，但是，流媒體技術更為強調對高速、穩定和邊疆的尋體流的訪問支持，以及對不同媒體同步的支持，從而確保媒體數據以最小的時延到達并在本地終端同步回放。由于當前的流媒體服務系統存在著對連續性、實時性的嚴格要求以及對數據巨量需要，現階段的網絡尚有些免為其難。隨著計算機網絡的進一步發展，網絡帶寬的不斷擴大，網絡多媒體平臺將不斷完善，流媒體技術必將會在未來的網絡應用中發揮更大的作用。正如當初圖像處理要求對計算機的影響一樣，可以預見，流媒體服務系統也將對網絡和終端的硬件和軟件設計產生重大影響。