流媒体传输的关键问题研究

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1、流媒体传输的关键问题研究木文关键字：ISO国际标准化组织 多媒体通信 监测 微软ITU H.264服务器 互联网 网络 流媒体 信令 电路交换 视频编码 MPEG 路山器 MPLS QoS宽带IP随着视频处理技术的发展，基于流媒体(stream media)传输的视频应川得到了迅速的 发展。目前，许多实验性的高速宽帯网络都把视频传输的技术和应用作为研究的重点课题。宽带 网络的竞争最终将是宽带应用的竞争，山此诞生的基于中速网络的流媒体技术正FI益受到 人们的关注。它推动了 1L联网整体架构的革新,转变了传统互联网呆板的内容表现形式， 赋予宽带应用更多的娱乐性和互动性，必将成为未來宽带网络的主流技

2、术。流媒体依赖的传输平台是&网络，由丁 IP网络的无连接包转发机制主要应对突发性 的数据传输而设计，不适用丁对连续媒体流的传输。为了在Internet 有效的、高质量的 传输视频流，需要多种技术的支持。木文将主要介绍流媒体传输中的一些关键技术。一、视频压缩处理问题目前，视频流传输中故为重要的编解码标准有国际电联的H.261、H.263、H.264, 运动静止图像专家组的MJPEG和国际标准化组织运动图像专家组的MPEG系列标准,此 外，在互联网上被广泛应用的还有Real-Networks的RealVideo、微软公司的WMT以 及 Apple 公司的 QuickTime 等。其中，Window

3、s Media 最新发布的 windows media encoding utility v8.0 beta 包含了 windows media audio 8(音频)和 windows media video 8(视频)两部分压缩编码系统。windows media video 8采用了的MPEG4视频 压缩技术，实现了在500kbps传送速率下捉供接近于dvd质M(near-DVD quality)的画 而(分辨率640x480,每秒24帧)。Windows media video 8为电影在线下载观看做了 优化，支持true-vbr(真正动态变量速率编码)。Real Networks公司

4、最新发布的real producer 8.5住制作rm文件上采用口己开发的real g2 codec,它具有很多先进的设计, 例如,svt(scalable video technology),双向编码(two-encoding)0 双向编码类似于 vbr,它可通过预先扫描整个影片，根据带宽的限制选择最优化压缩码率。ITU-T和I SO两个国际标准化组织的有关视频编码的专家联合组成JVT(Joint Video Team,视频联合工作组)，其工作li的是制定一个新的视频编码标准，该标准能实现视频 的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。目前，JVT的工作己被ITU-T接纳, 新的视频压

5、缩编码标准被称为H.264标准，该标准也被ISO接纳，称为AVC(Advanced Video Coding)标准，是MPEG4的第10部分。H.264比H.263和MPEG-4节约50%的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。 它引入了而向IP包的编码机制，有利于网络中的分纽传输，支持网络中视频的流媒体传输。 H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264标准使运 动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段，在较低带宽上捉供高质量的图像传输是H.264 的应用亮点。H.264的推广应用

6、为流媒体业务的推广提供技术保证。二、媒体同步问题在流媒体业务中需要保持一个数据流或者不同媒体流Z间的时间关系，即媒体同步是 一个重要的要求，包括媒体间同步和媒体内同步。因为传输的多媒体信息在时空上都是相 互约束、相互关联的，多媒体通信系统必须正确反应这种约束关系,以保证声音与图像的 同步。媒体同步通常有三种类型：(1)流内(intra-stream)同步；(2)流间(inter-stream)同 步；(3)对象fnj(inter-object)同步。由于网络时延导致媒体流失步,媒体同步机制可以确 保客户端正确地恢复媒体流的同步，即通过某种方式在媒体内或者媒体间说明其时间关系。 说明时问关系的方

7、法有：基于间隔的方法、基于轴的方法、皐于控制流的方法和皐于爭件 的方法。对于连续媒体，应用最为广泛的说明方法是基于轴的说明或时间戳。目前流媒体同步最主要的技术有:Microsoft的Windows Media Tools、SMI L语言 和 Microsoft Producer0 Windows Media Technology 是 Microsoft 公司提出的在 I P 网上传播多媒体流信息的解决方案。整个方案由三个主要部分构成:(1)Media Tools； (2)Media Server： (3)Media Player。SMI L(Synchronized Multimedia I

8、ntegration Language)通常称作同步多媒体集成语言,是由3W(World Wide Web Consortium)组 织规定的多媒体操纵语言。可以实现多个流和文本信息在播放时的时间同步控制和空间位 置布置。SMI L语言屈丁扩展型标记语言XML( Extension Mark-up Language)的范畴， 基于XML语法，是一种标记文本语言，包含URL资源管理、基于CSS的页面编排控制、 HTML 超媒体链接oMicrosoft Producer 是 Microsoft PowerPoint 2002 或 PowerPoint 2003版的附件，它使用户更容易采集和同步音频

9、、视频、幻灯片以及图像，创建内容丰富、 图文并茂的媒体演示，并可以在任何地方的网页浏览器中进行预览和发布。三、媒休QoS问题目前，运营网络提供尽力而为(best effort service)的传送服务，业务量尽快传送， 没有明确的时间和可靠性保障流媒体需要有较高的QoS(quality of service)要求，QoS 通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率來衡量。流媒体依赖的传输平台是I P m，而IP QoS用下列指标来表示：传输服务的可靠性、 延时、延时抖动、吞吐量、丢包率。目前的IP QoS主要有3利咻系结构：(1)MPLS； (2)lntServ； (3)DiffServo In

10、tServ DiffServ 是被 I ETF定义的两种 QoS 体系。IntServ 借川传统电路交换思想,在基于IP的呼叫两端，先通过信令建立一条虚连接链路,然后呼 叫双方的报文都经此链路传递，从而达到保证传输质量的H的。IntServ基本思想存于以 资源预留的方式实现QoS保障，而DiffServ则是传统路由思想的延伸，实现简单。它把 流经路山器的数据包按照一定的优先级分类,然后按照优先级顺序将数据包转发至下-跳 路由器。多协议标签交换(MPLS)将灵活的3层I P选路和高速的2层交换技术完美地结合 起来，从而弥补了传统IP网络的许多缺陷。它引入了“显式路由”机制，对QoS提供了更 为可

11、靠的保证。多协议标签转换MPLS支持特殊路山，到达同一目的地的数据包沿不同路径进行转发。MPLS网络主要由标签交换边缘路由器LER和标签交换路由器LSR组成，I ntServ试图为 每一路呼叫都建立一条虚链路。当网络规模大到一定程度时，维护链路状态的工作将使核 心网路由器不堪重负。DiffServ只着眼于网络中的单个路由器，缺乏全网观念。一旦网络 发生拥塞,采用DiffServ,报文会被阻塞。通过应用层质量控制技术來改善视频传输的质量，主要包括拥塞控制和差错控制等几 方血。采用质量控制的主要的原因是日前的Internet只提供Best-effort的服务，没有质 量保证。凶此，需要通过应用层的

12、机制来实现质量的控制。拥塞控制的目的是避免因为网 络拥塞导致包丢失而造成的质量下降。对于视频流，拥塞控制的主要方法是速率控制。速率控制的丨1的是皐于预测的网络带 宽决定发送的速率。有两种基本的速率控制手段：基于发送端的速率控制和基于接受端的 速率控制。前者主要基于反馈信息进行速率调节，可以适用于单播的方式或组播的方式。 对于单播的方式，有两种速率控制方法，基于探测的方法(probe-based)和基于模型的方 法(model-based)o基于探测的方法通过不断调整速率使得包的丢失率低于一个固定的概 率值。基于模型的方法直接利用TCP的吞吐率模型计算速率。因此，模型法也被称为TCP 友好的速率

13、控制方法。对于单通道的组播，只能采用基于探测的方法。在基于接受方的速 率控制中，发送方不参与速率控制，而由接受方通过增加和减少通道的数量来进行速率的 调整。通常，这种方法用于采用可扩展编码的组播的情况，组播的视频流分为多层，每个 层对应组播树的一个通道。接受方通过增加减少通道获得不同的质量。基于接受方的速率 控制也可以分为基于探测的方法和基丁模型的方法。除了基丁-发送方的速率控制和基丁-接 受方的速率控制方法以外，还右一个称为混合性速率控制的方法，兼有二者的特点，即接 受方增加减少通道，而发送方同时根据反馈调整各个通道的速率。混合速率控制方法的一 个例子是bl标集分组的方法。拥塞控制的目的是减

14、少包的丢失，但是无法避免包的丢失。在这种情况下可能需要一 定的差错控制机制。差错控制机制包括：(1) FEC： FEC的目的是通过增加冗余信息使得包丢失后能够通过其他包恢复出止确的 信息；(2) 延迟约朿的重传。通常流的播放有时间限制，因此，仅有当重传的时间小于正常的 播放时间时，重传才是有价值的；(3) 错误弹性编(Error-Resilient Encoding)：在编码中通过适当的控制,使得发生 数据的丢失后能够最大限度的减少对质量的影响。在Internet环境下，最典型的方法是多 描述编码(MDC)o MDC把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应-种描述，都可以提 供可接受的视觉质量

15、。多个描述结合起来提供更好的质量。该方法的优点是实现了对数据 丢失的健壮性和增强的质量。其缺点是相比单描述编码(SDC),它在压缩的效率上受到影 响。而且由于在多描述之间必须加入一定的相关性信息，这进一步降低了压缩的效率。(4)错误的取消(cancealment)：错误的取消是指当错误已经发牛后，接受端通过一定 的方法尽量削弱对人的视觉影响。主要的方法是时间和空间的插值(Interpolation)o近年来的研究还包括最人平滑恢复，运动补偿时I可预测等。Real Networks采用了大量的应用层质量控制技术来提高流传输的质量。在RealVideo采用了抗损(damage-resistant)的编码和FEC技术来减少包丢失的影响, RealVideo 支持两种编码:RealVideo standard 和 RealVideo fractal o 前者可以支持从 10k到500k的编码速率，而且特别为28.8k和56k进行了优化。为了适应网络速率的 变化，Real Networks釆用了 Sure Stream技术,该技术可以避免速率使用机制不能对， 每个速率进行优化的缺点。具体的方法是：首先在一个文件中同吋存储用不同速率编码的 媒体流，其次，通过在服务器和客户之问临测帯宽的变化来动态的决是使用那个速率的流。 这个技术的主要缺点在于不能适应速率的连续控制。作者：陈淸金