[精品论文]多媒体数据流实时传输速率研究及应用(论文)

毕业设计课程定做 QQ1714879127 毕业设计课程定做 QQ1714879127 多媒体数据流实时传输速率研究及应用多媒体数据流实时传输速率研究及应用 摘 要 随着多媒体及互联网技术的迅速发展，广泛应用于远程教育、视频会议等的数字视频 实时传输的技术已成为计算机领域的一个研究热点。数字视频实时传输过程中数据量巨大 且延迟敏感性强，因此，在实时传输中必须对视频数据进行压缩以保证低延迟。 论文认真分析了流行编码器采用硬件实现，存在价格高、灵活性差、不易修改等缺点 的同时，提出了采用软件方法实现数字视频实时传输的构想。研究了由软件实现编/解码的 可行性、灵活性、适应性，并指出软件方法存在的问题和解决对策。 针对不同应用的图像特点，论文重点讨论了软件方法设计实现过程中编码效率、传输 可靠性、减少延迟和可扩展性等关键技术。结合远程教学图像的特点，给出了两种具体压 缩算法，测试并比较了二者的应用性能。 论文还深入研究了实际应用中的网络传输结构、所使用的协议，特别对实现实时传输 屏幕图像分片/重组协议提出了以 petri 网表示的改进方案，并给出了组播传输设计方案的 实现及应用。 论文最后总结了课题研究成果在远程教学、视频会议、局域网管理等多方面的应用价 值。结合作者承担的教学工作任务，阐述了理论研究对工程实际的重要支持作用。 关键字： 实时传输，远程教学，图像压缩，组播 Research and application of real-time transfer of multimedia data stream Specialty: Computer Application & Technology Name: Lu Ping Instructor: Guangsi Ma Abstract 毕业设计课程定做 QQ1714879127 毕业设计课程定做 QQ1714879127 With the development of multimedia and internet, the real-time transportation of digital video, which has been widely applied in distance education and video conference, becomes more and more popular in computer science. Considering the magnitude of data and the sensitivity to delay, video data should be compressed. The article analyzing the drawbacks of using popular hardware coders such as high price, lack of flexibility and difficult to edit, and put forward the mind of realizing real-time transportation of digital video by software as well. Researching the probability, flexibility, adaptability of coding/decoding by software, then point out the problem of this method and give the solutions. According to the features of different applications, the article discussing the key technology of coding efficiency, transfer reliability and delay decreasing. There are two arithmetic put up with the features of distance teaching image, also testing and comparing the performance of the algorithms. There are deep researching in network transfer structure and the protocol in application, specially give a plan to alter the fragment/reassemble protocol witch described by Petri net, also give the realization and application of the broadcast transfer design. The article summarized the value of the achievement adopt the application such as distance teaching, video conference and LAN management. Author also tell the important relationship between the theory and really project according to the authors own teaching task. Key words: real-time transfer, distance teaching, image compress, broadcast 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论4 1.1 研究背景 4 1.2 作者完成的工作 4 1.3 本文组织结构 4 第二章第二章 多媒体数据压缩编码多媒体数据压缩编码技技术术4 2.1 信源编码 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 毕业设计课程定做 QQ1714879127 毕业设计课程定做 QQ1714879127 2.1.1 无失真信源编码.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1.2 限失真信源编码.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2 图像压缩标准 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.1 JPEG错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.2 MPEG错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3.3 H.263.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3 本论文的图像获取分析 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3.1 图像传输分析.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3.2 获取并显示屏幕图像.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4 本论文的图像压缩编码算法 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.1 基于异或运算的无损压缩.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.2 基于差值量化的有损压缩.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.3 算法性能分析.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第三章第三章 网络传输协议网络传输协议错误！未定义书签。 3.1 TCP 和 UDP 协议错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.1 TCP 协议.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.2 UDP 协议错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2 多媒体传输协议 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.1 RTP 和 RTCP 协议.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.2 RSVP 协议错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3 本论文实时传输方案及协议 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.4 对相关协议实时性的改进 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.4.1 分片重组协议原理.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.4.2 协议实时性改进.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.4.3 协议实现.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第四章 IP 组播传输技术.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1 组播技术 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.1 组播概念及特点.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.2 组播工作原理.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.3 组播路由选择算法及协议.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2 本论文的 IP 组播实现方案.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.1 组播工作环境.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 毕业设计课程定做 QQ1714879127 毕业设计课程定做 QQ1714879127 4.2.2 互联网组管理协议（IGMP）.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.3 组播应用程序实现.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第五章第五章 系统分析与设计系统分析与设计错误！未定义书签。 5.1 系统设计概述 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1.1 论文程序结构说明.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1.2 系统实现中的难点.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1.3 实验测试的数据库结构.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 系统的改进方案构想 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第六章第六章 小结与展望小结与展望4 6.1 论文小结 4 6.2 展望 4 致致 谢谢4 参考文献参考文献4 毕业设计课程定做 QQ1714879127 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 研究背景研究背景 当前以 Internet 为代表的网络正朝着多媒体综合业务的方向发展。许多交互式的多媒 体应用，包括远程教育、视频会议和视频点播等在 TCP/IP 网络中迅速开展起来。例如英国 在全国范围内的所有高等学校中实施一项称为“计算机用于教学创新”(Computers in Teaching Initiavite 简称 CTI)的庞大项目,其目标是要通过计算机、多媒体结合,实现对 高等院校所有学科教学模式、教学内容到教学组织形式的变革,当时成为欧洲乃至全世界关 注的焦点。 近年来，千兆以太网技术有了突飞猛进的发展，在全国高校校园网的建设中得到了广 泛的使用1。目前很多学校实现了光纤网络互连，校园网规模得以扩大、性能明显提高， 基本实现了校园网络化目标，为实现数字化校园打下了坚实的基础。网络速度的提高和计 算机性能的上升，使得网络多媒体通信的应用成为可能。利用网络技术将学校建设成数字 化校园是解决上述问题的必由之路。而基于校园网的数字化远程教育平台是数字化校园的 核心组成部分，其基本特征是能在计算机网络上进行高效实时多媒体信息多点传输，真正 实现分布式实时远程授课，在虚拟网络空间完成传统教学过程的模拟，有力促进教育思想 改革和教学手段现代化。 对于远程教育的研究集中在两个领域：实时的基于视频会议的远程教育和非实时的基 于 Web 的远程教育。实时的远程教学的研究主要利用视频会议系统传输视频和音频，构建 一种分布式的教室，这种环境下教师和学生只是物理位置上不同，称之为同步的或面向教 师的（teacheroriented）学习模式。在基于 Web 的方式下，教学资源存放在 Web 服务器 上，学习者可以随时随地通过浏览器独立地进行课程学习、提问、做作业、考试以及与其 他同学交流，称之为异步的或面向学生的（studentoriented）学习模式。在第一种面向 教师的学习模式中，数字视频的实时多点传输是其中的关键技术。 随着多媒体技术和互联网的发展，数字视频的实时传输成为计算机领域一个研究的热 点。数字视频实时传输中视频信息数据量巨大且延迟敏感性强,所以，必须对视频数据进行 压缩，以确保实时传输的低延迟。目前在校园网上的多媒体应用主要是集中在流媒体的一 些点播和广播、组播的应用；较少考虑音频、视频的双向交互。在校园网上进行高质量的 多点视频传输，现阶段多为通过采用硬件方式的 H.323 视频会议终端配置 MCU（Microprogrammed Control Unit）来实现。在不少中、小学中已实施的基于局域网的 毕业设计课程定做 QQ1714879127 2 交互式多媒体教学系统基本上都是使用硬件编码实现。但这样做投资较大，且容易过时。 另外，在多点视频会议通信系统设计方法上，也是基于专用的硬件设备或一些关键部分如 视频压缩等采用硬件设备进行处理，而其他运算量低的部分就尽可能采用基于主机的方法。 这种软硬件结合的办法可以提供较好的质量，但是这种方法的关键部分依赖于硬件设备， 存在价格高、灵活性差，系统升级和移植不方便等问题。 随着计算机处理速度的不断提高和内存空间的不断扩大，通过软件方法实现数字视频 的实时传输成为可能，并且由软件实现编/解码具有很大的灵活性，能随时根据用户的不同 需求修改编/解码器，这是硬件编码器无法做到的。但这样做首先要考虑编码效率的问题。 因此，在以软件方法实现数字视频的实时传输时，针对不同应用的图像特点,最大限度地提 高编码器编码效率，提高传输可靠性，减少传输延迟。 本课题旨在研究目前流行的远程教学手段,并着重解决其硬件依赖性方面的问题。在实 时传输中，针对远程教学图像特点对多媒体数据流进行压缩，使得完全依靠软件编解码 提高传输速度，具有较强的可扩充性，且软件更有利于系统升级。多媒体数据流的实时传 输是一个很有价值的研究课题，随着网络速度、压缩技术的发展，还需要提高使用的网络 协议的质量。该课题是远程可视化实时通信系统研究的基础和核心。研究成果适用于远程 教学、视频会议、局域网的管理等多方面应用。 1.21.2 作者完成的工作作者完成的工作 在数字视频的实时传输中，针对远程教学图像特点，对多媒体数据流通过软件方法编/ 解码进行压缩，最大限度地提高编码器编码效率，提高传输可靠性，减少传输延迟，并对 所涉及到的网络协议进行改进，使之适用于多媒体实时传输。 （1） 研究静态、动态图像压缩技术特点，寻找适合于远程教学图像传输的最佳动态图像 帧间压缩算法。分析算法性能。 （2） 研究网络传输协议 TCP、UDP 和 RTP 等，选择可用于实时传输的协议，并对涉及到的 相关协议进行改进。 （3） 研究 IP 组播结构、组播管理协议及组播程序实现环境。设计程序的组播结构。 （4） 对屏幕图像实时传输系统做详细设计，并编程实现以上重点研究内容，进行测试实 验，分析实验结果。 1.31.3 本文组织结构本文组织结构 第一章为绪论，给出了课题的研究背景以及作者所承担的工作。第二章为活动图象压缩编 码技术。 本章主要对多媒体数据压缩编码技术的原理、应用及其发展状况进行了概述，并介 毕业设计课程定做 QQ1714879127 3 绍了屏幕图像实时传输系统中是如何处理、运用这些关键技术完成图像压缩和解压缩的任 务。第三章为网络传输协议。 介绍 TCP、UDP 协议和用于多媒体网络的 RTP、RTCP 协议以 及 RSVP 技术。比较并分析各个协议的优缺点和适用环境。着重讨论了本应用中的网络传 输结构及传输协议，以及，为实现实时传输而对相关的分片重组协议进行改进的方案。 第四章为IP 组播传输技术。介绍组播技术的原理及重要路由算法及屏幕图像实时传输系统 的组播传输实现方案和组播工作环境。第五章为系统实现与分析。介绍系统的框架结构， 设计思想，实现时遇到的难点问题以及一些设想和构思。第六章为小结和展望，总结作者的 工作并对该应用加以展望。 毕业设计课程定做 QQ1714879127 4 第二章第二章 多媒体数据压缩编码技术多媒体数据压缩编码技术 多媒体数据压缩技术是实现多媒体实时通信的关键问题之一。本章主要对多媒体数据 压缩编码技术的原理、应用及其发展状况进行研究，介绍了系统中如何处理、运用这些关 键技术完成图像压缩和解压缩的方法。作者对本应用中的图像特点进行了分析，并结合数 据压缩的基本原理提出了基于异或运算的有损压缩和基于差值量化的无损压缩两种压缩方 案，着重讨论了两种方案的理论分析、算法实现和应用性能分析。 编码问题可分解为信源编码、信道编码和密码编码三类。信源编码的主要目标是压缩 每个信源符号的平均比特数或信源的码率。信道编码的主要目标是提高信息传送的可靠性， 主要方法是增大码率或频带（即信道容量） ，恰与信源编码相反。密码编码的主要目标是 保证信息的安全性、完整性，通常需要增加信息的冗余满足要求。从信源编码理论出发， 不难得到信源编码的两种基本途径。 毕业设计课程定做 QQ1714879127 5 第六章第六章 小结与展望小结与展望 6.16.1 论文小结论文小结 该课题的研究结合作者在教学实践中的应用需求而产生。作者在校承担了计算机网络， 汇编语言和计算机文化基础教学任务，部分采用多媒体授课，所有课程都需要通过计算机 编程实践。在局域网计算机房辅导学生上机的过程中，对于学生普遍出现的问题不能实时 的集中辅导，对一个同学的辅导情况难以实时地传输给其他的同学。针对这个问题，提出 了实时传输屏幕图像的设想。目前流行的编码器基本上都是采用硬件实现，价格高、不易 扩充和修改。在中、小学及高校中普遍采用的多媒体教学系统大多用硬件加软件辅助实现, ，成本高(装备 50 台计算机的多媒体教室用硬件实现约 3 万元人民币)，给目前已有的局域 网计算机房增加硬件设备存在很多困难，如资金、时间等。同时基于硬件的传输多是单向 的一对多通信（教师机向学生机发送信息） ，学生机之间不能交互式通信，这限制了授课 模式为单一的讲授方式，而无法实现分组讨论等其它教学方式，不利于学生能力的培养。 因此，希望能用纯软件的方式解决这个特殊应用下的多媒体数据流实时传输的问题。将该 想法整理后，申报理学院基础基金项目，在少量资金资助下展开研究工作。 在课题研究中，作者由网络教学中积累的相关理论知识，对课题研究的进展起了很重 要的作用，可以将主要精力投入于关于压缩方案的选取研究上，并对已有的网络传输、组 播传输技术进行应用实践，同时在实践中针对应用的特点加以改进。 作者研究目前流行的远程教学手段,并着重解决其硬件依赖性方面的问题。在实时传 输中，针对远程教学图像特点对多媒体数据流进行压缩，使得完全依靠软件编/解码提高 传输速度，具有一定的可扩充性，且便于系统维护升级。 主要完成如下工作： 在数字视频的实时传输中，针对远程教学图像特点，对多媒体数据流通过软件方法编/ 解码进行压缩，最大限度地提高编码器编码效率，提高传输可靠性，减少传输延迟，并对 所涉及到的网络协议进行改进，使之适用于多媒体实时传输。 研究静态、动态图像压缩技术特点，寻找适合于远程教学图像传输的最佳动态图像帧 间压缩算法并进行了算法性能分析。进一步研究了 TCP、UDP 和 RTP 等网络传输协议， 选择适用于实时传输的网络协议，并对涉及到的相关协议进行了改进。了解 IP 组播结构、 组播管理协议，及组播程序实现环境。设计应用系统的组播结构。并编程实现了以上各重 点研究内容，进行测试实验，分析实验结果。 毕业设计课程定做 QQ1714879127 6 6.26.2 展望展望 目前的实时传输不能进行视频回放，可以进一步考虑存储数值数据，通过运算将数值 数据恢复成图像，从而在一定程度上实现图像的回放。存储方案有很多，如数据库方式、 文档文件、XML等。其中XML可根据所要描述的数据元素定义不同的标签，表达各种丰富 的内容和意义，存储和传输都很方便，为网络实时信息传输提供了理想的方法。用XML文 档描述信息源机要传输的信息，在源机与目的机之间传输文本格式的XML文档，在目的机 把接收到的XML文档重新转换为屏幕元素信息。 此外，若将压缩过程抽象化成组件，在其他类似软件开发中使用，可在一定程度上实 现复用。 除了B/S和C/S结构，还可以将流行的智能Agent技术用于远程教学的开发和研究。 以上设想由于时间关系未能实现，有待于进一步研究和试验。 本论文所阐述的主要技术还可用于视频会议、局域网管理等多方面应用。 在视频会议中要注意在传输方案上加以变化，不是简单的一对多结构，而是多对多结 构。在局域网管理方面，可用于远程监控系统的开发，可以将多台计算机当前屏幕图像传 输到一台计算机上，便于监督和管理。 基于以上讨论，作者准备对本课题开展进一步的研究，将已获得成果逐渐扩展，形成 成熟产品，使其在各种应用中发挥重要作用。 毕业设计课程定做 QQ1714879127 7 致致 谢谢 在此毕业论文完成之际，首先向我的导师马光思教授表示衷心的感谢。在攻读硕士的两年 半中，他在学习、工作和生活中给予我教诲、关心和帮助。 马老师为人开朗豁达、平易近人，做学问一丝不苟，精益求精，深厚的数学理论基础、渊 博的知识、严谨的治学态度和求实的工作作风都给我留下了深刻的印象。尤其是在最后紧张的 论文批改阶段，马老师仍然字斟句酌，一遍一遍地审核、推敲直到深夜，这种认真严肃的治学 态度必会对我将来的学习和工作产生深刻的影响。马老师不仅在学习方面给我很多的指导和帮 助，更是在为人师表方面是我的楷模，良好的师德、幽默的教学方法这些都将是我作为青年教 师应该学习的榜样。 这里我还要特别感谢刘家佺教授和孔月萍老师。 刘老师在我攻读硕士期间给了我很多的帮助，在学习方面引导我，在精神上鼓励我，在工 作上关心我。刘老师的质朴、热情、认真、渊博将是我一生学习的榜样。 孔老师在我最后的论文撰写阶段认真批阅我的论文全文，提出了很多的宝贵意见。对一个 普通学生都可如此，其热情和认真的品质可见一斑。虽然交流的时间很短，但是孔老师精干、 利索、严谨的工作作风给我留下了深刻的印象。 此外，还要感谢西安交通大学图像所的杜春华教授，在系统调试阶段，给我提供了良好的 试验环境。 最后，感谢所有关心、帮助我的老师、同学和朋友。特别是戚艳军、李扬、赵晓芬、杨惠 莹，由于我在攻读硕士研究生的同时承担了大量的教学任务，时间有限，在3年的学习生活中，她 们默默的替我做了很多琐碎的事情，给我了实实在在的、点点滴滴的帮助。 特别感谢我的父母，感谢他们的养育，感谢他们的无私奉献和对我学习的理解，他们的关 心和支持是我不断进取的精神动力。 毕业设计课程定做 QQ1714879127 8 参考文献参考文献 1硕士论文：谭爱国. 基于校园网的多点视频会议系统方案规划与实施.武汉理工大学. 2005-05 2硕士论文：郭大群. 多媒体信息在网络中实时传输的研究与应用. 南京航空航天大学. 2002-02 3田丽华. 编码理论.西安:西安电子科技大学出版社,2003 年 8 月,9399 页 4叶青, 高宁. 一种基于动态行程的有损压缩.长春光学精密机械学院学报, 2002,25(1) 5鲁业频. 几种常见编码方法的比较. 电视技术,2002.4 6硕士论文：黄庆波.JPEG2000 标准的研究及其在 Internet 上的应用. 电子科技大学. 2003-04 7臧景峰, 崔春姬. 静态图像压缩从 JPEG 到 JPEG2000. 长春理工大学学报. 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