流媒体广播及点播系统的设计与应用

2019-11-03 10:37:44

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供稿：网友

龚志武，吴迪

1背景综述

　　MPEG（Moving Pictures Experts Group，动态图像专家组）是国际标准化组织ISO/IEC中的一个制定动态视频压缩编码标准的组织。MPEG-1和MPEG-2标准是有关音频、视频压缩编码的标准，正在制定的MPEG-4是基于内容的音频、视频编码标准。上述标准分别适用于不同带宽和数字影像质量的要求。MPEG-1和MPEG-2分别在VCD和DVD中得到充分运用，但是在网络视频系统中还未能得到充分运用：MPEG-1目前的压缩率不高，典型的速率为1.5 Mbps左右，而且视频质量仅为勉强接受的效果；而MPEG-2的视频质量可达到广播级的效果，但其典型数据率在4~10 Mbps之间，目前主要用于制作DVD，一部100 min的DVD-5的视频素材需要约5 GB的存储空间，目前的网络现状难以接受。而某些基于窄带开发的网络视频技术实在难以提供令人满意的图像效果。

　　相比之下，MPEG-4标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，以实现音视频数据的有效编码及灵活存取。MPEG-4是针对视频会议、可视电话的甚低速率编码标准，它融入了基于内容的检索与编码，可对压缩数据内容直接访问。MPEG-4既可以媲美DVD的视频质量，又具有VCD的压缩效率，从而在较小网络带宽的前提下获得更为满意的视频效果。采用MPEG-4技术，通过校园网，视频的质量可以得到明显改善，每秒可以得到25~30帧（352×176）的无闪烁视频，同时将视频数据压缩到300 kbps左右，使得单路服务器在采用100 M网卡的情况下可以支持100多个并发视频流。

2基于MPEG-4的视频课件的制作

21视频采集和压缩

将模拟视频信号进行数字化采样，将录像带等模拟视频信号转换成计算机可识别的数字视频信号，这就是视频采集。视频信号包括图像的色彩、亮度、大小等，当把模拟视频信号转换成数字视频信号时，对于计算机来说，数据的处理量是相当大的。有数据显示，数字电视图像中的SIF格式、NTSC制式、彩色、4∶4∶4采样，每帧的数据量为2 028 kb，每秒的数据流量可达60.8 Mb；CCIR格式、PAL制式、4∶4∶4采样的彩色视频的数据流量可达148.8 Mbps。显然，未经压缩的视频对计算机CPU的处理速度和硬盘的容量、系统的I/O都将产生严重的影响，在Internet上传输更会造成网络的拥塞甚至崩溃，因此有必要对采样的数据进行一定的压缩，即视频压缩。

22视频编解码

　　视频编解码器随 Windows Media 编码器一起安装。如果可能的话，使用Microsoft MPEG-4视频编解码器Version 3编码视频内容。

编解码器说明

　　MicrosoftMPEG-4视频编解码器Version 1Microsoft MPEG-4 编解码器是一种比特率介于低到高的视频编解码器，该编解码器的优势在于它满足由电影专家组 (MPEG) 设置的标准。如果要给 Version 2.0 服务器或播放器提供内容，请使用 Version 1。

　　MicrosoftMPEG-4视频编解码器Version 2Microsoft MPEG-4 编解码器是一种比特率介于低到高的视频编解码器，编解码器的第2版本给由第 3 版本的 Windows Media 工具所创建的内容和编码器配置提供兼容性。

　　MicrosoftMPEG-4视频编解码器Version 3Microsoft MPEG-4 编解码器是一种高伸缩性的视频编解码器，它支持的网络带宽的范围相当广。Microsoft MPEG-4 视频编解码器的最近一个版本，专门针对 Intel Pentium III 处理器进行了优化。使用该编解码器，可以提供速度更快的点播编码能力，给实况编码提供更高的比特率、分辨率和帧频。如果正在使用的是 Intel Pentium II 处理器，您将体验更好的视频编码性能。编解码器的第 3 版本还支持多带宽和高带宽编码。另外，它还包括视频解块筛选器，通过删除因视频压缩（特别是低数据比特率，如 28.8 kbps）所产生的块来改善内容的视频质量。

　　MicrosoftH.263H.263 可较好地提供比特率介于低到中之间的视频。该编解码器专门针对视频会议进行了优化，因此对于演示和其他动作要求不高的视频内容是一个不错的选择。

23流媒体技术

　　Windows Media 编码器以实况信息或已存储信息作为源信息，并将这些信息转换成可由Windows Media服务器发送的Windows Media 内容流。实况信息源能够输入到音频或视频卡的任何设备，包括 CD 播放机、麦克风、VCR或摄影机。已存储的信息源包括电影、图片或声音文件，转换成ASF后，可将其传递给 Windows Media服务器，以便作为流进行传送，在用户端的PC播放器上呈现的是连续的画面。ASF 流可以存储为.asf文件，.asf文件是经过调整以适应网络可用带宽的流式多媒体文件，我们可以从多种源创建.asf文件，包括：

（1）视频：.mov或.avi文件。

（2）图像：.bmp，.dib，.rle，.jpg或.gif格式的图像。

（3）音频：使用ACM编解码器的.wav或.mp3文件，即可以在计算机（Microsoft Windows 操作系统包含几种 ACM 编解码器）上播放的音频文件。

（4）Microsoft Powerpoint演示文稿：根据使用的 PowerPoint 版本，您可以将PowerPoint演示文稿保存为.asf 文件，或者将PowerPoint 幻灯片保存为.jpg 图像，然后使用Windows Media Author将这些图像嵌入.asf 文件。

（5）实况音频和视频：通过Windows Media编码器，任何可通过麦克风或摄影机捕获的实况事件都能转换成.asf 文件。

3基于MPEG-4的视频流的发送

　　Internet上数据传输的方式通常有两种：单路点播和广播(Broadcast)，而广播又分为单路广播（Unicast）和多路广播(Multicast，也称组播)。

31点播流概述

　　点播是用户通过视频服务器接收流信息的一种方式。点播连接是客户端与服务器之间的主动的连接。在点播连接中，用户通过选择内容项目来初始化客户端连接，内容以视频流的形式从服务器传到客户端，用户可以开始、停止、后退、快进或暂停节目流。点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器，会迅速用完网络带宽。单播点播的一个示例是当用户申请视频流文件时，客户端连接到服务器以接收特定内容，而该内容也只传往一个客户端。客户端使用服务器名和视频流文件名识别视频流文件的统一资源定位URL。

32广播流概述

　　广播指的是用户被动地接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。共有两类广播：单播和多播，两种都是被动的。

（1）广播单播

　　在广播单播中，客户端通过发布点上的别名访问流。用户可单击 Web 网页上的链接或获得该别名的 URL，从而连接到流，每个连接到流的用户都有自己的连接和来自服务器的流。

（2）广播多播

　　在广播多播中，用户通过监视特定的 ip 地址被动地接收多播视频流（与以特定频率从收音机或电视台接收信号类似）。多播的优点为一个流通过网络可以提供视频内容给许多客户端，可节省网络带宽，对低带宽局域网尤其有用。

　　在校园网上使用多播，网络路由器必须支持多播，因此，要对路由器做相应的调整。实践证明，在校园网局域网的本地部分进行多播是完全可行的。

4系统功能的实现

①Windows Media工具可以创建.asf文件。

②Windows Media编码器可以创建.asf文件。

③Windows Media编码器可以将实况流发布到Windows Media服务器中，用作单播或多播内容。

④Windows Media服务器可使用.asf文件作为单播或多播内容。

⑤Windows Media服务器可将内容单播到客户端。

⑥Windows Media服务器可通过IP地址来多播内容。

　　该系统具备以下主要功能：

　　（1）实时广播功能：将视频信号（摄像头信号、电视信号）实时压缩成数字信号，通过网络广播形式将视频课件同步传送到校园网每一个请求学习的客户端，同时，将广播的视频课件保存下来，进行编目和索引，以供未能及时收视的同学点播学习。

　　（2）视频/课件点播功能：支持数百个同学的并发点播请求，每个同学均可点播相同的或不同的节目，每有线电视的迅速发展以及电视用户消费倾向的转变推动了电视广播运营机制的变革。在世界范围内，有条件接收（付费电视）业务已被确认是电视发展的动力和结构变化的方向，从国外的发展趋势看，在过去的十几年中，国外CATV与直播星（DBS）发达的国家和地区已悄然告别商业广告电视的黄金时代，各种有条件接收系统的技术保障手段日益完善。近年来，亚太地区有条件接收系统及其经营形式也开始繁荣和普及，并为运营者赢得了巨大的商业成功。从CATV的发展趋势看，有条件接收系统是有线电视运营机制的保证，它能满足有线电视台开展增值业务的需要，并且是实现增值业务的有效手段，因而有条件接收加解扰系统无疑是我国有线电视事业向高层次发展的方向和必然趋势。与有条件接收的发展相呼应，宽带网络也得到了发展。有线运营商，特别是美国的有线运营商，大量举债建设宽带网络，过去十几年有线运营商始终采取增长战略，并将网络升级为双向宽带网络（750 MHz）以提供数字语音、视频和数据业务。

摘自《中国有线电视》

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