（信号与信息处理专业论文）基于流媒体技术的视频教学系统的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕+ 学位论文 摘要 随着科学技术的迅猛发展，远程教育在现代教育中发挥着越来越大的作用， 它通过无处不在的现代化网络，跨越了时空，建构了终身学习的教育体系，产 生了巨大的社会效益。 网络视频教学中的同步直播往往是一个重点部分。传统的直播采用闭路电 视系统或者卫星传输，利用采集设备将授课信息实时采集后，经过相应的处理 将信号传送到学习点，成本巨大。随着流媒体技术的发展，研究人员将其运用 到视频教学领域，将实时数据做相应的流处理以后，通过网络传输出去，大大 节省了成本和时间。很多基于流媒体技术的视频教学都是采用的c s 模式。直 播的教学资源传送到服务器，但客户量逐渐增多，服务器的访问量过大，会加 重服务器的负担，造成服务质量下降而影响教学效果。随着p 2 p 网络技术的发 展，研究人员发现p 2 p 组播不需要部署专用服务器，可以节约大量的硬件和管 理成本，因此使用p 2 p 技术来解决网络视频教学中的服务器瓶颈问题，成为国 内外很多研究人员关注的新问题。 本文在对流媒体技术以及p 2 p 网络作出深入研究以后，将c s 模式与p 2 p 模式 相结合，提出了一种可选择式的流媒体视频教学系统。系统运用d x s d k 的滤波 器框架实现视音频的实时采集，并结合w i n d o w sm e d i a 流媒体技术开发流化滤波 器，将实时采集的数据压缩成a s f 格式，便于数据流的传输。在c s 模式中，利 用w i n d o w sm e d i a 流媒体组件将数据流通过流媒体服务器分发给用户。而在p 2 p 模式中，利用单源的树型多层结构来分发数据流。发送者与接收者之前形成树 形结构，树的中间节点接收来自父节点的媒体数据，同时将数据传送给其他子 节点。另外系统还实现了在线文字交流以及虚拟成员列表等辅助功能，支持教 学双方的信息交流与成员管理，是一套集视频的采集、流化、分发、观看等操 作为一体的视频教学系统。 系统经过开发和测试，在相关海事单位局域网内架设并应用，视频流的分 发充分结合了c s 模式和p 2 p 模式流媒体技术的特点，按照实际情况，选择分发 类型。在客户量不是很大的情况下采用c s 模式；在客户量大的情况下采取p 2 p 模式，极大程度的发挥了两者的优势，灵活性强。 关键词：视频教学，流媒体，c s ，p 2 p ，w i n d o w sm e d i a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , d i s t a n c ee d u c a t i o np l a y s am o r ea n dm o r ei r r e p l a c e a b l er o l ei nm o d e me d u c a t i o n t h r o u g ht h eo m n i p r e s e n t m o d e mn e t w o r k ，d i s t a n c ee d u c a t i o ng o e sb e y o n ds p a c ea n dt i m e ，c o n s t i t u t e st h e e d u c a t i o n a ls y s t e mo f l i f e l o n gl e a r n i n ga n dp r o d u c e st r e m e n d o u ss o c i a lp r o f i t s i nt h en e t w o r kv i d e o l e a r n i n gs y s t e m ，s y n c h r o n o u s l i v eb r o a d c a s ti sa n i m p o r t a n tp a r t t r a d i t i o n a lm e t h o do fl i v eb r o a d c a s ta l w a y su s e sc l o s e d - c i r c u i tt v s y s t e mo rs a t e l l i t et r a n s m i s s i o n i tg a t h e r si n f o r m a t i o no ft e a c h i n gb yv i d e o a u d i o g a t h e r i n ge q u i p m e n t sa n dt r a n s m i t sp r o c e s s e dd a t at os t u d e n t t h i sm e t h o d sc o s ti s e n o r m o u s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , r e s e a r c h e r sb r i n gi t i n t ot h ef i e l do f v i d e ol e a r n i n g ，w h i c hp r o c e s s e sr e a l - t i m ed a t aa n dt r a n s m i t si tb yt h e n e t w o r k t h i sa l t e r n a t i v es a v e sc o s ta n dt i m e m a n yv i d e ol e a r n i n gs y s t e mb a s e do ns t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g ya d o p tt h ec s m o d e l ，b u ta st h en u m b e ro fc l i e n t si si n c r e a s i n g ，t h ea c c e s st os e r v e r si st o ol a r g e ， w h i c hb r i n ga b o u tt h eb u r d e no fs e r v e r si sh e a v ya n dt h ed e c l i n eo ft h eq u a l i t yo f s e r v e r s ，w h i c hu l t i m a t e l ya f f e c tt h ee f f e c to fl e a r n i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp 2 p n e t w o r k ，r e s e a r c h e r sf i n dt h ep 2 pm u l t i c a s tn e e dn o tc e r t a i ns e r v e r s ，a n ds a v e sm a n y h a r d w a r ea n dm a n a g e m e n tc o s t t h e r e f o r e ，u s i n gt h ep 2 pt e c h n o l o g yt or e s o l v et h e p r o b l e mo f b o t t l e n e c ki nn e t w o r kv i d e ol e a r n i n gb e c o m e san e wq u e s t i o nf o c u s e db y m a n yr e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo fs t r e a m i n gm e d i aa n dr e s e a r c h e st h ep 2 p n e t w o r kd e e p l y , t h e np u tf o r w a r da no p t i o n a lv i d e ol e a r n i n gs y s t e mb a s e do n s t r e a m i n gm e d i a ，w h i c hi n t e g r a t e dt h ec sm o d e lw i t hp 2 pm o d e l t h es y s t e mi s d e v e l o p e du s i n gv cp r o g r a ml a n g u a g e i tu s e st h ef i l t e rf r a m e w o r ko fd x s d k t o r e a l i z et h el i v eg a t h e r i n go fv i d e o a u d i o ，a n dd e v e l o p ss t r e a m i n gf i l t e rb ym e a n so f w i n d o w sm e d i as t r e a m i n gt e c h n o l o g y t h eg a t h e r e dd a t ai sc o m p r e s s e dt ot h ef o r m a t o fd x s d k i nt h ec sm o d e l ，d a t ai sd i s t r i b u t e dt oc l i e n t sb yt h ec o m p o n e n t so f w i n d o w sm e d i a ，w h e r e a si nt h ep 2 pm o d e l ，t h et r e ep a t t e r no fs i n g l er e s o u r c ei su s e d i i 武汉理j 二人学硕士学位论文 t ot r a n s m i td a t a t h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rf o r mam u l t i c a s tt r e e t h em i d d l en o d e r e c e i v e st h ed a t ao fi t sf a t h e rn o d ea n dm e a n w h i l et r a n s m i t si tt oi t ss o nn o d e s b e s i d e s ，t h es y s t e md e v e l o p so t h e ra c c e s s o r i a lf u n c t i o n s ，s u c ha so n - l i n em e s s a g e c o m m u n i c a t i o n v i r t u a lm e m b e rl i s ta n ds oo n t h ef u n c t i o n sc a ns u s t a i nt h em e s s a g e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt e a c h e r sa n ds t u d e n t s ，a n da c h i e v et h e m a n a g e m e n to f m e m b e r s t h ep a p e rr e a l i z e sa ni n t e g r a t e dv i d e ol e a r n i n gs y s t e mc o n t a i n sv i d e og a t h e r i n g ， s t r e a m i n g d i s t r i b u t i n ga n dw a t c h i n g t h i ss y s t e mi sd e v e l o p e da n dt e s t e d ，t h e ns e tu p i nt h el a no fr e l a t e dm a r i t i m eu n i t t h ed i s t r i b u t i o no f v i d e oi n t e g r a t e dt h ef e a t u r e s o fc sa n dp 2 pm o d e l s t h ec l i e n t sc a nc h o o s et h em o d e l sa c c o r d i n gt ot h ef a c t u a l s i t u a t i o n u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fs m a l ln u m b e ro fc l i e n t s ，t h e yc a nc h o o s et h e c sm o d e l ，w h e r e a si ft h en u m b e ro fc l i e n t si n c r e a s e s ，t h e yc a nc h o o s et h ep 2 pm o d e l t h i so p t i o n a ls y s t e mg i v e sf u l lp l a yt oa d v a n t a g e so fe a c hm o d e l ，a n di sf l e x i b l e k e yw o r d s ：v i d e ol e a r n i n g ，s t r e a m i n gm e d i a ，c s ，p 2 p ，w i n d o w sm e d i a i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特，l l j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 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。 研究生签名：监日期壹翌墨：三：墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：盟导师签 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着信息时代的到来，计算机技术与网络迅猛发展，科学技术的触角延伸 到世界上的每一个角落，教育也在进行着一次新的飞跃e 1 e a r n i n g ，即网络 教育，掀起了人类教育的新浪潮【l 】。近几年来，e 1 e a r n i n g 技术得到了广泛的关 注和迅速的发展，出现了很多不同种类的系统。 e 1 e a r n i n g 是计算机网络技术基础上的一种新型的教育方式，它是现代远程 教育的重要组成部分，它充分利用现代信息技术所提供的、具有全新沟通机制 与丰富资源的学习环境，实现一种全新的学习方式。这种学习方式充分体现了 网络技术和多媒体技术的多种优越性，实现了传统教育许多不能实现的教学方 式【2 】。一般来说网上教育分为两种模式：同步实时教学和异步非实时教学。同 步实时教学系统采用在线交互的方式，教师与学生同时在线进行教学活动。异 步非实时教学系统是指教师将教学资源放在特定的服务器或者网站上，学生根 据自身实际情况选择学习时间和学习内容【3 】。 1 9 9 4 年在意大利罗马召开的首届全球终身学习大会上提出了一个重要观 点：“终身学习是2 1 世纪的生存概念”。终身学习是国家未来发展的前提，也 是个人发展的关键。从此以后各国的网络远程教学开始起步发展，尤其是在科 技知识呈几何级指数增长的学习化社会背景下，网络教学越来越受到人们的重 视。 美国是目前网络教育和虚拟大学发展规模最大的国家。4 4 的高等学校向全 社会提供各种远程教育，接受远程高等教育的学员约占全日制在校学员3 2 ，此 外，还有2 1 的高校计划在今后3 年内开展远程教育【4 。】。近年来美国高校远程 教育课程建设j 陕速发展，达到了5 4 万种。其中本科课程3 5 万种，研究生课程1 4 万种，非学历学位课程5 千种。据统计，在美国，通过网络进行学习的人数正以 每年3 0 0 以上的速度增长，目前己有超过7 0 0 0 万的美国人通过这一方式获得知 识和工作技能，超过的6 0 企业通过这一方式进行员工的培训和继续教育。 在英国，把普及网络化教育作为保证英国人才培养紧跟世界潮流的战略性 武汉理t 大学硕+ 学位论文 措施。英国的开放大学是一种面向全社会、全世界的全方位开放的大学。实行 免试入学，实行学历教育和终身教育相结合的办学机制，采用学分制。从小学 教育到高等教育乃至研究生教育，每个层次的教学内容都应有尽有。开放大学 的教学以网络为基础，采用多媒体教学环境，应用c a i 课件。为了保证质量，开 放大学还提供了一系列辅助教学体系，比如学科和课程结构体系，多媒体教材 体系、质量保证体系和学员自主体系等。 现代远程教育在我国较之发达国家起步较晚，尚有很大差距。1 9 9 4 年，我 国丌始建设中国教育科研网，教育部在全国教育事业第十个五年计划中指 出“要把教育信息化工程列入国家重点建设工程，以信息化带动教育现代化。 重点支持并加快以中国教育科研网和卫星视频系统为基础的现代远程教育网络 建设，建成一批网络学校 。1 9 9 8 年，教育部首先在清华大学、浙江大学、北京 邮电大学、湖南大学等四所全日制大学进行远程教育试点，以后，北京大学和 中央广播电视大学加入了远程教育试点行列。2 0 0 0 年，教育部批准建立网络学 院进行现代远程教育试点的高等院校数量达至i j 3 1 所，以期依托重点高等院校实 现现代远程教育的跨越式发展。：至u 2 0 0 1 年，教育部己批准6 7 所普通高校开展现 代远程教育试点工作，全国以远程方式接受高等教育的学生己超过1 3 0 万人。 1 2 研究的目的与意义 随着接受高等教育的人越来越多，就业已经成为严重的社会问题，另外我 国“入世 之后的诸多效应不断显现，这些因素都促使人们需要不断学习，以 适应不断发展的社会需求。当前中国经济持续平稳发展、社会稳定，也为建设 学习化社会提供了一个良好的发展环境。然而，中国的教育资源在空间上分布 极其不均衡，极少数地区占有了极大多数的优秀教育资源【6 】。现在我国普通学校 在校生近2 5 亿，加上各级各类成人学校的在校学生，总数近3 3 亿，教育规模大、 教育资源相对不足。各个高校扩招使得教师与教室资源同趋紧张，很多热门课 程由于受到学生的青睐，听课人数众多，往往教室人满为患而仍有许多学生无 法听课，为解决这种状况，可以采用网络视频直播技术，使得学生可以在不同 的地方同时观看教学内容，从而弥补这种教学资源不足的现象。另外，在很多 公司和行政单位，为了提高职工的自身素质，会定期的组织职工进行一些必要 的培训和专业学习。通过这种网络教学，职工利用在自己的办公桌前电脑就可 2 武汉理工大学硕士学位论文 以进行学习，而不需要集中到会议室或者教室，大大节省了时间和成本。 在以往的网络视频教学中，同步直播的部分往往是采用闭路电视系统，利 用视音频采集设备，将教师的授课信息实时的采集后，经过相应的处理，将信 号传送到学习点，操作复杂，成本也不小。而异步非直播的部分则需要将先录 制好的教学材料放在服务器上，然后学生端通过h t t p 或f t p 下载到本地才能进行 播放，耗时费力【7 1 。 随着信息化和计算机技术的发展，网络视频教学改变传统的方式，使用流 媒体技术，将实时数据做相应的流处理以后，通过网络传输出去，不仅节省了 成本和时间，也使得这种异地教学方式的特征更加的明显化。 现在，很多基于流媒体技术的视频教学都是采用的c s 模式，即服务器和 客户端分开。直播的教学资源传送到服务器，非直播的视频文件生成以后放在 服务器上，学生通过访问服务器以流式传输的方式来得到视频。这种模式有效， 且便于管理，在客户量不是很大的情况下，不失为一种很好的方式。但是如果 客户量逐渐的增多，服务器的访问量过大，会加重服务器带宽的负担，造成服 务质量的下降，影响教学效果。 近年来，基于p 2 p ( p e e r t o p e e r ) 网络的应用层组播技术成为研究的热点。p 2 p 组播不需要部署专用的服务器，可以节约大量的硬件和管理成本【8 】。使用p 2 p 技 术来解决网络视频教学中的服务器瓶颈问题，成为国内外很多研究人员关注的 新问题。 1 3 本文主要工作 本文在对流媒体技术在网络视频教学中的应用做了研究和分析以后，提出 了一个两种模式可选的流媒体网络视频教学系统。在客户量不是很大的时候， 选择c s 模式分发视频，在客户量大的时候，选择p 2 p 模式。论文的主要研究 内容如下： ( 1 ) 基于c s 模式的流媒体技术的研究。分析流媒体的关键技术，c s 模式 流媒体的系统组成，三大流媒体主流公司及其相关的产品，并选择合适的流媒 体专用系统。 ( 2 ) 基于p 2 p 模式的流媒体技术的研究。研究p 2 p 技术和理论，着重研究 如何用p 2 p 技术来解决c s 模式下不能解决的服务器瓶颈问题。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 基于w i n d o w sm e d i a 流媒体技术的网络视频教学系统研究与开发。选 择w i n d o w sm e d i a 流媒体技术及应用系统作为开发工具。研究w i n d o w sm e d i a 开发包，并利用开发包设计系统的c s 模式。 ( 4 ) 基于p 2 p 技术的网络视频教学系统的设计与实现。设计开发基于p 2 p 技术的网络视频教学部分，实现流的采集，编码和开发。 1 4 论文共分为七章 第1 章介绍了论文的研究背景以及研究目的和意义。 第2 章主要阐述流媒体技术的相关概念，描述了与本论文相关的流媒体系 统以及涉及到的理论，技术。 第3 章主要分析了p 2 p 技术以及其在流媒体技术中应用，分析其主要原理 以及结构，其中对p e e r c a s t 模型进行了详细的介绍。 第4 章主要给出系统的整体设计，提出系统的主要框架和功能，并对这些 功能进行逐一的分析。 第5 章主要是系统的开发研究，实现各个部分的基本功能，并对其关键技 术部分作出详细讨论与分析。 第6 章主要是系统的测试与分析。在校园网内对系统进行测试，将不同模 式下的视频传输效果进行比较，并对测试结果加以分析， 论文在最后对之前的工作进行了全面的总结，提出了在后续的研究过程中 可以改进的部分，对未来的工作作出了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章流媒体技术 什么是流媒体? 不同的人会给出不同的答案。在其最基本的定义中，给出 一个例子做出类比：从一盒牛奶中耿出牛奶饮用。普通的方式就是要将牛奶从 纸盒中先倒入杯子里，然后从杯中饮用，而流的方式是直接从纸盒里喝牛奶。 也就是说流媒体与普通媒体的差别在于：对于普通媒体，在访问它之前要得到 全部的内容；对于流媒体，则在完全收到全部内容之前就开始访问。换句话说， 当你在观看的同时，流媒体的其他部分正在到达过程中【9 1 们。 2 1 一流式传输 流媒体实现的关键技术就是流式传输。流式传输定义很广泛，现在主要指 通过网络传送媒体( i f 视频、音频) 的技术的总称。实现流式传输有两种方法： 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 ) 和实时流式传输( r e a l - t i m es t r e a m i n g ) 。 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 序流式传输方式适合高质量的短片段，放在标准h t t p 或f t p i i 务器上，易于 管理，基本上与防火墙无关，也不需要其他特殊的传输协议，它经常被称作 h t t p 流式传输。对通过调制解调器发布短片段，顺序流式传输显得很实用，它 允许用比调制解调器更高的数据速率创建视频片段。尽管有延迟，毕竟可以发 布较高质量的视频片段。但是它不适合长片段和有随机访问要求的视频、讲座、 演说与演示，也不支持现场广播【l1 1 。 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前面或后面的内容【1 2 1 。它保证媒体信号带宽与网络连接相 匹配，使媒体可被实时观看到。理论上，实时流一经播放就永不停止，但实际 上，可能发生周期性暂停。实时流式传输必须匹配连接带宽，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，视频质量会很差。如欲保证视频质量，顺序流式传输也 许更好。另外实时流式传输需要特定服务器，女i q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 、r e a l 武汉理工大学硕士学位论文 s e r v e r 与w i n d o w sm e d i as e r v e r 。这些服务器允许对媒体发送进行更多级别的控 制，因而系统设置、管理比标准服务器更复杂。实时流式传输还需要特殊的网 络协议，o n r t s p 或m m s 。这些协议在有防火墙时有时会出现问题，导致用户不 能看到一些地点的实时内容。下面为两种传输方式进行比较。 表2 1 两种传输方式的比较 服务器 传输协议带宽适用不适用 传输方式 标准服务器服务器对应不需要很高，长片段，需要 顺序流式 h t t p 或协议，不需调制解调器连短片，广告 随机访问的片 传输 f t p 特定接即可段及直播 实时流式 特殊网络协要求带宽高， 现场事件，视频质量要求 特定服务器议r t s p 或调制解调器连 传输直播很高的情况 m m s 接不满足需要 2 2 流媒体传输协议 流式传输不同于传统的t c p 技术，它有专用的协议系统，主要有实时传输协 议、实时流协议和资源预订协议等。 2 2 1 实时传输协议r t p 与r t c p 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 ) 被定义为传输音频、视频、 模拟数据等实时数据的传输协议。最初设计是为了数据传输的多播，但是它也 用于单播的。与传统的注重高可靠性的数据传输的运输层协议相比，它更加侧 重于数据传输的实时性。此协议提供的服务包括时间载量标识、数据序列、时 戳、传输控制等。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等 其他协议上工作。当应用程序开始一个r t p 会话时将使用2 个端口：1 个给r t p ， 1 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 供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。 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 ) 是设计和 6 武汉理工大学硕士学位论文 r t p 一起使用的进行流量控制和拥塞控制的服务控制协议。在r t p 的会话之间周 期的发放一些r t c p 包以用来传监听服务质量和交换会话用户信息等功能。r t c p 包中含有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 f l 7 合使用，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。 2 2 2 实时流协议r t s p 实时流协议r t s p ( r e a l t i m et r a n s p o r ts t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是由r e a ln e t w o r k s 矛h n e t s c a p e 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网络传 送多媒体数据。r t s p 有很大的灵活性，可被用在多种操作系统上，它允许客户 端和不同厂商的服务平台交互。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使 用r t p 完成数据传输。它将流式媒体数据可控制的通过网络传输到客户端。r t s p 可以保持用户计算机与传输流业务服务器之间的固定连接，用于观看者与单播 服务器通信并且还允许双向通信，观看者可以同流媒体服务器通信。 2 2 3 资源预订协议r s v p r s v p ( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 是一种i p 网络中的信令协议，它与路由协 议相结合来实现对网络传输服务质量( q o s ) 的控制。r s v p 是为支持因特网综合业 务而提出的，这是解决i p 通信中q o s ( 服务质量) 问题的一种技术，用来保证点端 到端的传输带宽。r s v p 是i n t e m e t 上的资源预订协议，它可以预留一部分网络资 源( 带宽) ，能在一定程度上为流媒体的传输提供q o s 。 2 3 流媒体系统组成 流媒体技术是一个综合的技术，它包括采集、编码、传输、存储、解码等 多项技术。因此，一套完整的流媒体系统一般都有四个方面的表现，分别是编 码器( 编码技术) 、播放器( 播放支持) 、流服务器( 存放和控制流媒体数据) 和网络 ( 适合多媒体传输协议、实时传输协议的网络) 四者缺一不可。仅仅具有其中一 到两个要素是不能被称为流媒体技术的。一般来说，一个典型的流媒体传输系 统如图2 1 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 j j 流媒体服务 器 流媒体 播放器 图2 1流媒体系统的组成 从上图中可以看出，原始的音视频流经过编码和压缩后，存储为媒体文件 或直接传递给流媒体服务器，媒体服务器根据用户的请求把直播的媒体流( 或者 媒体文件) 传递到用户端的流媒体播放器。在媒体传输的中间，还可以采用代理 服务器进行媒体内容的分发或转发。远程的用户端只要利用流媒体播放器登录 服务器就可以看到视频数据了。 2 4 流媒体数据传输方式 2 4 1 单播( u n i c a s t ) 单播在服务器和每一个客户端之间都实现一个点对点的网络连接。如果服 务器给多个客户传输相同的数据，则必须相应地将数据包复制成多份再分别的 投递。如果大量的客户都希望获得数据包的同一份拷贝，则将导致服务器负担 沉重，响应时间长，网络拥塞。管理人员也必须购买硬件的带宽来保证一定的 服务质量。 2 4 2 组播( m u l t i c a s t ) 组播在服务器和每一个客户端之间实现一点对多点的网络连接。如果一个 发送者同时给多个客户传输相同的数据，只需要投递一份数据包就可以了。组 播提高了数据的传送效率，减少不必要的重复发送，从而大大减少网络上传输 武汉理工大学硕十学位论文 的信息包的总量。需要注意的是，若要在网上使用组播，网络路由器必须有组 播功能【1 3 1 。图2 2 用图解的方式直观地对两种数据传输方式进行比较。 凰 - 圄 、雀雾霎 图2 - 2单播与组播 、司 坠= 到 垄萋蒌萤 2 4 3 点播与广播 点播指的是客户主动与服务器取得连接。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。用户可用开始、停止、后退、快进或暂停来控制 流。点播连接提供了对流的最大控制，但由于每个客户端各自连接服务器，会 迅速用完网络带宽。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制 流。例如，用户不能用暂停、快进或后退来控制流。使用广播方式发送，数据 包单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不管用户是否乐于接收。 上述两种传输方式非常浪费网络带宽，组播吸收了它们发送方式的长处， 克服了它们的弱点，即将数据包的单独一个拷贝发送给需要的那些客户。组播 不会将复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不会将数据包发送给不需要它 的那些客户，保证了网络上多媒体应用占用网络的最小带宽【1 4 】。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 流媒体技术方案 当前市场上主流的流媒体技术有三种，分别是r e a ln e t w o r k s 公司的r e a l m e d i a 、a p p l e 公司的q u i c k t i m e 和m i c r o s o t i 公司的w i n d o w sm e d i a ，这三大公 司的技术都有自己的专利算法、专利文件格式甚至专利传输控制协议，都提供 了各自的流媒体的系统架设方案和相关组件。 2 5 1r e a lm e d i a r e a ln e t w o r k s 早在2 0 世纪9 0 年代中期就首先推出了流媒体技术，它的r e a l m e d i a 技术性能出色，具有很多先进的设计，在市场上处于主导地位，并拥有最 多的用户数量。r e a lm e d i a 发展的时间比较长，因此具有很多先进的设计，例如， s c a l a b l ev i d e ot e c h n o l o g y 可伸缩视频技术可以根据用户电脑速度和连接质量而 自动调整媒体的播放质素。t w o p a s se n c o d i n g 两次编码技术可通过对媒体内容进 行预扫描，再根据扫描的结果来编码从而提高编码质量。特别是s u r es t r e a m 自适 应流技术，可通过一个编码流提供自动适合不同带宽用户的流播放。r e a lm e d i a 音频部分采用的是r e a la u d i o ，该编码在低带宽环境下的传输性能非常突出。r e a l m e d i a 通过基于s m i l 并结合自己的r e a lp i x $ 1 r e a lt e x t 技术来达到一定的交互能 力和媒体控制能力。目f i l f r e a ln e t w o r k s 公司在编解码方面的主要技术是r e a l m e d i ac o d e c l 0 。由于r e a lm e d i a 发展的时间较长，因此拥有最齐全的流媒体产 品群，能提供专业使用者全面的解决方案。该方案是唯一一个可以横跨m a c 、及 l i n u x 等操作系统使用流媒体服务的平台，可以满足最广泛的用户需求。 但是，r e a lm e d i a 产品高昂的价格也是一般非专业使用者所不能轻易负担 的，一套最基本的“流媒体入门方案 售价2 9 9 9 美元。而方案中包含的最大同 时伺服的人数限制于六十人，对于网站来说肯定不够，而继续升级，则需继续 付费。 2 5 2q u i c kt i m e a p p l e 公司f l 勺q u i c k t i m e 是一个非常老牌的媒体技术集成，是数字媒体领域事 实上的工业标准，它是一个开放式架构，可以包含各种各样流式或者非流式的 媒体技术。q u i c k t i m e 是最早的视频工业标准，1 9 9 9 年发布的q u i c k t i m e 4 0 版本 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 开始支持真正的流式播放。q u i c k t i m e 支持m a c 和w i n d o w s 操作系统，其用户群 主要集中于m a c 用户。q u i c k t i m ep l a y e r 能够直接播放的格式有q u i c k t i m e 电影、 a v i 、a i f f 音频、s g i 图像、m a r c o m e d i af l a s h 等。q u i c k t i m e 最大的特点是其 本身所具有的包容性，使得它是一个完整的多媒体平台，因此基于q u i c k t i m e 可 以使用多种媒体技术来共同制作媒体内容。q u i c k t i m e 在视频压缩上采用的是 s o r e n s o nv i d e o 技术，音频部分则采用q d e s i g n m u s i c 技术。q u i c k t i m ep l a y e r r j g 够 输入多种格式的音频、视频和图像媒体文件，并进行转换输出为其他格式。另 外，它的交互性很强，例如，在一个q u i c k t i m e 文件中可同时包含m i d i 、动画西f 、 f l a s h s 5 l l s m i l 等格式的文件，配合q u i c k t i m e 的w i r e ds p r i t e s - 石- _ 动格式，可设计出各 种互动界面和动画。q u i c k t i m e 流媒体技术实现基础是需要3 个软件的支持， q u i c k t i m e 播放器、q u i c k t i m e 编辑制作、q u i c k t i m es t r e a m i n g h 艮务器。 a p p l e 的流平台缺乏完整性，如果服务器端要做实时广播的话，需要使用 第三方公司出品s c r o e n s o nb o a r d c a s t e r 的，如果要做智能流处理的话，需要使 用t e r r a ni n t e r a c t i v e 出品的m e d i ac l e a n e rp r o 。 2 5 3w i n d o w sm e d i a 流媒体技术 在三大流媒体主流公司中，m i c r o s o f t 公司起步最晚，但却是后起之秀，它 的w i n d o w sm e d i a 技术不是最好的，但依托自己的w i n d o w s 操作系统在p c 上 的垄断地位，很快取得了一定的市场份额，并有持续增长的趋势。另外，在 w i n d o w s 平台上架设一套w i n d o w sm e d i a 流媒体应用系统的费用相当低廉。 w i n d o w sm e d i a 媒体内容采用的是a s f 格式文件。 w i n d o w sm e d i a 由w i n d o w sm e d i as e r v e r 、w i n d o w sm e d i at o o l s 和w i n d o w s m e d i ap l a y e r 构成。w i n d o w sm e d i at o o l s 是整个方案的重要组成部分，它提供 了一系列的工具帮助用户生成a s f 格式的多媒体流，包括实时生成的多媒体流。 w i n d o w sm e d i as e r v e r 可以保证文件的保密性，不被下载，并使每个使用者都 能以最佳的影片品质浏览网页，具有多种文件发布形式和监控管理功能。m e d i a p l a y e r 则提供强大的流信息的播放功能。 m i c r o s o f t 公司还提供了一套开发包w i n d o w sm e d i af o r m a ts d k ( 简称w m f s d k ) ，以支持流媒体文件的生成、编辑和播放。它是一套完全基于c o m 组件 模型的高级开发包，屏蔽了数据格式、网络传输控制等较为底层的流媒体技术 实现细节，留给开发者比较上层的编程接口，开发者可以使用这些s d k 扩展 武汉理丁大学硕士学位论文 w i n d o w sm e d i a 系列各部分的功能，或者根据具体的应用要求定制不同的系统 【1 5 】 o 2 5 4 三大流媒体系统的比较 表2 - 2 三大流媒体解决方案对比 w i n d o w sm e d i a 技术 q u i c kt i m e r e a ls y s t e m 支持操作系统w i n d o w s 和m a c 系统w i n d o w s 和m a c 系统 w i n d o w s 、m a c 、l i n u x 价格昂贵，且要多方基本编码器免费，高 编码工具费用编码器完全免费 面配合级功能需要购买 捆绑在w i n d o w s 服务 q u i c kt i m es t r e a m i n g 价格昂贵，且并发流 服务器费用 器中s e r v e r 免费越多费用越高 中小型院校，费用低，综合院校和大型网 适合教育机构功能齐全，提供s d k适合m a c 使用者站，用户数量多，且 进行二次开发负担得起高昂费用 从上面的图表中对比可以看出，虽然现阶段w i n d o w sm e d i a 无论在功能 上还是在性能上都不是最好的，用户数量也不具有绝对的优势，但是使用 w i n d o w sm e d i a 提供的流媒体系统方案，费用低廉，基本能够满足一般用户的 功能需求，提供的s d k 对于开发人员来说，更加具有实用性和扩展性。随着 m i c r o s o f t 公司在w i n d o w sm e d i a 技术上的大力投入，w i n d o w sm e d i a 的性能和 技术将会越来越完备。 基于以上的分析，本文所研究开发的视频直播c s 模式部分，选择w i n d o w s m e d i a 技术和w i n d o w sm e d i as d k 来进行研究和二次开发。 2 6 小结 本章主要介绍了流媒体的关键技术，流媒体的传输协议以及数据传输方式。 然后简要的介绍了现有的三大流媒体系统的发展和特点。在对三大主流系统作 出分析比较以后，选择w i n d o w sm e d i a 流媒体技术作为开发平台。w i n d o w s m e d i a 提供的流媒体