软件工程计算机 网络视频直播系统研究与开发

引言21世纪是一个信息时代。以多媒体计算机和互联网为核心的信息技术应用浪潮，潜移默化的对现代教育进行影响，并且为现代教育提供大量的新思维。计算机网络的普及正在逐步打破传统的教学方式，现如今国内各大院校都已完全被校园网络覆盖，互联网带来的便利解决了诸多问题，例如：提供更多的知识获取途径、给教师和学生提供了大量的多媒体课件、推出了模拟教学系统以及让教学资源可以被共享。校园网作为一个通用的接入平台，在高校信息交流、管理和教学资源共享等方面发挥了重要作用。目前，流媒体正成为网络应用的主流，推动了网络结构的创新和信息经济的发展，在网络媒体传播中起着主导作用。现如今校园网络发展的前景较为良好，流媒体技术也属于较为先进的技术，流媒体技术不仅可以提供视频点播和远程视频会议的功能，也可以实现网络教学、网络电视、网络监控以及网络直播的功能。伴随互联网技术飞速的发展，网络上出现的内容也随之不断的增加，人们可以获取到的信息从一开始的文字到后来的图片再到现在的视频，由于传统的电影电视只能在某个特定的区域观看，而在网络上收看电视直播，可以不受地理限制，随时随地观看，所以越来越多的人都选择在网上看电影，看电视。如今国内各大学校已经完成了对校园网的建设，接下来面临的问题便是如何正确利用这一套网络设施来提高教学质量。因此建立一套完善的的网络直播系统，并让这套系统真正发挥提升教学质量的作用是当务之急。校园网直播系统不止可以用在教学方向，还可以应用在大型会议或者讲座或者一些大型活动的举办上，在如今的疫情环境下，举办大型活动往往需要大量人员的参与，这就使得疫情防控方面有一个巨大的隐患问题，而线上的网络视频直播不受空间的限制，从而大大减轻了大型活动的压力。同时校园网视频的新闻发布系统也可以使学校加强对外宣传。

1流媒体1.1流媒体的概念流媒体的概念指的是将一串连续的多媒体数据进行压缩处理后，通过网络分段进行数据发送，在网络上用于传输音频和视频信号的一种技术，此项技术可以让数据或者数据包像流水一样在网络上传送，不使用此项技术的话，如果想要在互联网上观看视频或者音频，就必须在观赏之前下载一整个完整的媒体文件。由于流媒体对实时性的要求很高，所以流媒体的一个非常重要的特点便是对时间非常敏感。目前压缩算法技术正在逐步走向正轨，网络带宽的容量也在不断变大，流媒体技术也正逐步完善。现如今，网络协议正在逐渐完善、基础网络设施也正在建立的越来越多，伴随着压缩技术飞速的发展，实现流媒体也已经不再那么困难了。如下是可以完成流式传输的两种方法。（1）顺序流式传输实际上是属于一种顺序下载的范畴，其具体情况体现在你可以一边下载数据一边观赏在线媒体，在某一时刻，你能观看的只有你已经下载好的那一部分，而你还没下载的那部分是无法进行观看的。这种类型的传输方式大多是用在长度较短的且质量较高的片段上，由于这类文件均是采用无损下载的方式所下载的，所以确保了下载后所播放的视频的质量是非常高的。92实时流传输是指确保媒体的频宽与网路的连通性相匹配，使其能够即时收听。实时流式传输更适用于现场活动，同时也可以随意存取，使用者可以快速前进或倒退查看前后的信息，但是实时流式传输在网络速度很低的情况下，网络的质量会变得很糟糕。1.2流媒体的实现原理流媒体的基本原理就是利用有效的压缩方法，减少传输文件的大小和降低数据的损坏程度，把容量较大的多媒体数据变成适合在互联网中传输的方式，之后再铺设负责转发的流媒体服务器，更改MIME标识，根据不同的传输协议来传输流数据。1.3流媒体的应用1.3.1在线直播目在线直播目前正处在一个高速发展的阶段，现如今已经走出测试阶段并走向了实用阶段，并能够提供品质较高的视频、音频效果。如今大多数高等院校也已开通在线的直播业务用来提高教学效率，可提供的内容包含校园电视、实时教学、其他电视节目转播等。1.3.2视频点播视频点播是可以根据观众的具体要求来播放某一视频的点播系统，可以把用户选择的视频传送给该用户。但由于在网络上传输的视频与音频的数据越来越大，从而延缓了Vod技术的发展。而运用流媒体技术则可以完美的抵消这一问题，由于流媒体技术是使用一种特殊的编码压缩方式，这可以让多媒体数据减小自身体积，这就可以使VoD技术可以适应网络传输的环境，并在网络上传输。图1VOD体系结构1.3.3视频通话视频通话是流媒体应用中的一个重要组成部分，视频通话依靠单点对单点的通讯方式进行交互。生活中最为多见的应用方式就是进行视频通话。如果一个学校的校区较多，之间互相沟通就可以利用视频会议系统，以此可以减轻人力，财力和物力的开支。当今视频会议的技术发展出了两种方案，第一种是基于桌面视频的会议系统，它是由软件实现的，另一种是会议室型视频会议系统，它是由硬件实现的。两种方法存具有很大的区别，所以学校在选择视频通话系统上有很多不同的方案。1.3.4远程教育远程教学过程中最基本的一点是师生之间如何传递信息，其中传递的信息有视频、音频、图片、文本等多种多样的方式，这不仅要考虑如何把信息从一端传送到另一端，更要把网络带宽的限制考虑进去，因此选择流媒体的传输方法无疑是一个最佳的决定。同时，远程教育中的互动式多媒体教学方式就是属于流媒体技术的范围。远程教育崛起是对传统面授教育模式的一种更新迭代，它打破传统教育的局限性，集管理与教学于一体，有效的提升了学生的学习效率。1.4流媒体系统的组成流媒体的组成包括以下几个方面：（1）视频源（2）编码工具：用于创建多媒体数据，形成流媒体。（3）流媒体数据（4）服务器：控制和存放流媒体数据（5）传输网络：适用多媒体传输或实时传输协议的网络（6）播放器：供客户端浏览流媒体文件1.5流媒体的传输协议1.5.1实时传输协议实时传输协议是由国际互联网工程任务组提出的一种用来针对多媒体数据流的网络传输协议。RTP是基于UDP协议建立的，由于RTP本身是不提供服务质量（QoS）保证的，所以RTP需要依靠底层服务来实现这一过程。RTP不能保证传送也不能防止无序传送，所以也不能确定底层网络是否可靠。RTP实行的是有序传送，因此RTP的序列号可以让接收方对发送方的包序列进行重组，同时包位置也能由序列号进行决定。1.5.2实时传输控制协议RTCP是由国际互联网工程任务组定义的一个和RTP互相兼容的协议。RTCP负责提供拥塞控制服务与流量控制服务，以及负责传输质量的管理。RTCP最主要的一个功能是可以为RTP所提供的服务质量进行信息反馈。RTCP自身并不负责数据的传输，但与RTP合作之后便可以打包和发送多媒体数据。RTCP和RTP互相配合可以大大提升传输效率，所以RTCP一般用于传输实时数据。1.5.3实时流协议实时流协议属于TCP/IP协议中的应用层，其定义了一对多的应用程序应该怎样有效地通过IP网络进行多媒体数据的传输。在体系结构上RTSP位于RTCP和RTP之上，RTSP传输数据大多使用TCP来完成。RTSP是一个双向协议，服务器也可以和客户机一样发出请求。与RTP相比，RTSP具有更好的扩展性。RTSP是可以控制视频或音频的多媒体串流协议，可以同时处理多个串流的收发，RTSP的特点跟HTTP类似，但是不会强调时间是否同步，因此协议受网络延迟影响较小。1.5.4资源预定协议RSVP资源预定协议在OSI七层协议中属于传输层，使用RSVP可以事先保留一些网络带宽，用来提升流媒体传输的质量。RSVP属于非路由协议，一般和路由协议配合工作。1.5.5MMS协议MMS，中文名称为“微软媒体服务器协议”。该协议的作用是访问windowsmedia服务器里面“.asf”文件格式的一种协议。一般只有访问windowsmedia发布点上的内容时才会使用MMS协议。MMS的预设端口是1755。1.6流媒体的播放方式1.6.1单播单播的传输方式只能进行一对一的传输，单播能且仅能通过一条独立的信道进行数据的传输，所以当用户需要访问某个数据时，只能对这个服务器发出请求，而这个服务器也只能单独对这个请求做的回应，所以这种流媒体的播放方式容易增加信道堵塞的风险，加大服务器运作的负担，进而增加数据传输的时间，严重的情况下会出现停播的状况，从而影响数据传输的效率。1.6.2组播组播技术指的是搭建一套能够进行组播的网络系统，组播技术能够使路由器能够在不同的数据信道上转发不同的数据包。组播技术能够处理几十万用户同时发出的访问请求，且延时很小。利用组播技术，服务器发送一个数据包，就可以让所有发出访问请求的用户接受到这个数据包。依托于这种强大的功能，可以让服务器运作的负担减小，相对应的可以减少服务器响应的时间，使网络中传输的信息包的数量降低，以此来提高网络的传输效率。1.6.3点播点播链接通常是主动的，用C/S的方式进行链接，点播不仅可以最大程度的实现对流的控制，还可以在不影响画质的情况下，提升用户观看视频的流畅度，不过因为每次客户机都是同时连接的自己的服务器，所以消耗网络带宽的速度非常迅速。1.7流媒体的文件格式媒体采集压缩文件格式 aif、au、wav、mp3、mov、mpg、avi、and流式文件格式 wsf、asf、wmv、mov、rp、rm、rt、ra媒体发布格式 asx、smil、xml、ram、rpm

2校园网2.1校园网介绍2.1.1校园网的概念校园网的建立离不开现代网络技术和数据通信技术，它依托于世界互联网的技术，在学校内部构建一个独立的网络系统。校园网不仅负责将学校内部分布在各处的客户端与校园内网相连，也需要校园网需要承担起校园内部各个网络之间互联的任务。校园网服务于学校的办公、通讯、教学、管理和信息交流等方面。国际互联网被看作全球信息通信的高速公路，因此，我们可以把校园网理解为学校内部信息通信的高速公路。2.1.2校园网的功能（1）全课式服务功能即让校园内的学生接触到更加广泛，更加优质的教学内容，让学生体验到不同教师的教学方式。开阔学生的眼界，不让学生局限在本校的教学资源之下，让学生了解和吸收更多的知识。（2）辅助式服务功能即使用一些教学辅助方法，例如：PPT课件，与教学内容相关的音频和视频或者是和教学相关的图片，以此来增强表达方法，解决教学中的一些问题，通过课堂教学与信息技术结合的方式，提高教学水平。（3）教师培训功能依托于校园网相较完善的网络环境，可以借此来提升教师的教学能力和基本素养。校园网技术较为先进，形式多种多样可以实现综合素质与专项技能相结合的培训方式，也可以长期对教师进行培训，不仅可以提升教师培训的效率，也可以解决学科本身特点与基础教育知识之间的矛盾。（4）课外活动服务功能利用校园网络不受制于空间的优势，一来开发教师之外的第二课堂与课外活动的开展，二来可以使活动的内容更加丰富多彩，使学生在除教室以外的其他地方学习到知识，从而在各方各面提高学生的能力。（5）德育功能网络将文字、声音、图像与多媒体技术相结合，促使传统德育工作模式向开放的、个性化的现代模式发展。（6）科研教育功能利用日渐丰富的网络，我们能学习到有关的国内和国外的有关的研究；充分运用网络教育资源，制作多种多媒体课件，使科研项目更具特色。（7）教育管理功能实现图书馆管理的信息化和自动化，学生日常事务的管理、学校日常生活运作的统筹、学校事务的管理等都可以在如今互联网的支持下完成。2.2数字化校园2.2.1数字化校园的概念美国克来蒙特大学的教授凯尼丝·格林在1990年发起了一项关于研究互联网的方案，并将其命名为"信息化校园计划"，最早的数字化校园概念便是在这个方案中提出的。数字化校园可以将一整个学校的运作进行系统化，减轻了学校管理的难度，使学校的运作更加流畅。由于数字化校园是基于互联网建立的，加以先进的互联网技术和通讯技术的辅助，以此可以把学校建设为一个超越时间和空间的虚拟数字校园，虚拟数字校园在运行效率上比传统意义上的校园提升了一个等级，数字化校园的发展可以让教育行业逐步信息化，以一种更为灵活快捷的方式替代过去陈旧的传统教育模式。2.2.2数字化校园在未来的发展（1）信息技术发展要求校园数字化进入二十一世纪之后，互联网作为新时代媒体传播的主要手段，其发展速度也在日新月异的增长，这使得传统教育的各个领域无时无刻不被现代信息所冲击，对传统的教育模式造成了深远的影响。为了让互联网信息技术能更快更适合地融入到校园中去，应该加快对数字化校园的建设和普及，尽早让学校的发展进入一个新的层次，让教学质量提升一个新的水准。（2）现代教育发展要求校园数字化自动步入信息时代开始，知识发展的速度日新月异，这就使得社会的运作速度越来越快，如何在短期的时间内学习到更多更广的知识将会是人们发展的一个必不可少的阶段。传统的学习模式会被时间和空间所约束，而现代社会发展的速度突飞猛进，传统的校园模式已经满足不了现代人们学习的需求。所以必须加快知识的传播速度，只有这样才能赶上现代知识发展的速度，因此就需要建立一套知识的流动速度较为方便快捷的方法，由此数字化信息应运而生，数字化信息并不受时间和空间的约束，因此可以加快知识的流动速度，真正提高知识的传播速度，校园数字化便是为了满足这种社会需求而建立的。2.2.3数字化校园的应用（1）教学方面使用校园网络平台，建立一个数字化的网络环境，实现教学资源与科研资源的共享，并依靠现代发达的网络社交系统，例如网络聊天、留言等方式来增加教师与学生之间的交流频率，增强教师与学生之间的默契度，借此方法来使学生解决问题的能力得到提升，并且可以推动学生创新思维的发展，使教师与学生之间的知识传播方式的变得更为多种多样，如此教学的效率也必然提高一个档次。（2）管理方面依靠数字化信息的共享资源，让现实中学校内部的各种业务都能够与网络中的各项业务对应起来，以此来实现自动化的信息管理，加强上级部门与下级部门之间的沟通速度，也可以使不同部门之间信息的交换更加的方便快捷，利用数字化的方法可以使信息更加精确、快速的传输到执行者，从而使管理系统的运行更加高效。总之，数字化校园把学校的管理与教学引入了一个高效的发展领域，实现了社会、学校、家庭三方面的联合培养。通过对工作人员进行直观、方便的管理，确保了决策的科学性和精确度，进而改善了学校的教学工作。

3校园网的视频直播系统设计方案3.1视频直播系统的拓扑结构图2视频直播系统拓扑图3.2视频直播系统的过程（1）摄录机，DVD机，电视解调器等AV信号源把模拟视频信号提供给非线性编辑系统和直播系统。非线性编辑系统负责对素材进行加字幕、过渡特技等编辑处理。制作完成后，把图像信号输出到直播系统，再由直播系统向发布服务器进行广播。（2）直播系统负责把一些无需编辑处理的模拟信号传递到发布服务器或者保存文件到存储服务器。直播系统同时也能承担发布服务器的作用，跟发布服务器一起互相搭档，实现负载平衡性能。（3）发布服务器负责把视音频流发布到校园网上。发布服务器可以建立多个发布点，每个发布点可以是对应直播频道，也可以对应点播频道。客户端连上不同的发布点，就可以接收到相应的节目内容。3.3视频直播系统的设备3.3.1数字摄录机型号SonyHDR-CX405数码像素300万传感器尺寸5/29英寸感光元件CMOS防抖光学防抖光学变焦30倍夜摄功能彩色镜头蔡司Vario-Tessar镜头分辨率1920*1080高清电源适配器可插电，支持USB屏幕尺寸2.7英寸图3SonyHDR-CX40编辑录放机松下AJ-D970MCSDI和AES/SBE数字音频输入/输出模拟信号的输入/输出和遥控精确到帧的线性编辑通道状态显示带有屏幕显示的简便设置内置信号发生器紧凑的结构，易于安装和搬运4:2:2数字分量视频4声道数字音频提供DVCPRO50和DVCPRO两种模式下全部的编辑功能数字慢动作高速搜索功能在步进/穿梭模式下具备数字音频监听输出功能DVCPRO50和DVCPRO可切换记录3.3.3视频直播工作站CPU酷睿i5-10400F主板华硕B460M高规格主板显卡GeForceRTX3060Ti8G内存威刚16GDDR4硬盘威刚512GNVMEM.2高速固态机箱电源爱国者ATX含电源音响惠普NS1鼠标罗技G402键盘罗技K845显示器康佳显示器3.3.4非线性编程计算机CPU酷睿i5-10400F主板华硕B460M高规格主板显卡GeForceRTX3060Ti8G内存威刚16GDDR4硬盘威刚512GNVMEM.2高速固态机箱电源爱国者ATX含电源音响惠普NS1鼠标罗技G402键盘罗技K845显示器康佳显示器3.3.5流媒体转发服务器奥顿A90流媒体转发服务器Linux操作系统，界面友好易懂，使用操作简单，支持远程配置嵌入式DSP纯硬件解决方案，高效率，低延时支持800路的2Mbps/500路3Mbps/300路4Mbps的视频流的并发接接入协议HLS/RTSP/RTMP/HTTP/RTP/SRT等输出协议RTMP/HLS/SRT等可接入IPC、DVR、NVR、视频编码前端设备等图4奥顿A90流媒体转发服务器

4校园网的视频直播系统具体实施方案4.1基于校园网的视频直播系统需求分析以云南工商学院为例，云南工商学院采用树型拓扑结构组建校园网，校内网络可分为办公区，教学区，公寓区以及图书馆。各区域终端PC均可以通过pppoe的认证连接到校园网，之后通过代理服务器访问外网。其中，图书馆可以使用固定IP上网。因为学术报告厅在图书馆里面，而学术报告厅是用作重要会议或者学术报告。通过VLAN的划分，使得校园各区域的PC都可以通过本地IP相互通信。教学区内具有多个多媒体教室，并且位置比较集中，每间多媒体教室都配备音响，投影等设备。视频直播要求：在教学区内，其中任何一间教室都可以作为主会场，且其它课室均可通过多媒体设备观看主会场的教学内容；如果以图书馆里的学术报告厅作为主会场时，教学区内的所有多媒体教室也同样可以观看教学内容。图5云南工商学院校园网结构4.2基于校园网直播系统的搭建现场的直播是为了让各个分会场都可以实时地收到现场的影像、声音等资料。因为是校园网上的实况转播，因此流量不大，但是用户要求视频质量需要很高，因此我们选择了客户机/服务器的方式。校园网络的网络直播主要分为成三个部分：采集信号，编码广播和终端接收。4.2.1采集信号教学内容通过现场的场景摄像机来采集。由于大部分老师上课都会用到PPT投影来辅助自己讲课，就是说，在分会场，导师们的PPT内容也是需要播放的，这就意味着，授课老师必须将自己讲课用的PC上的信号也传输出去。这也就需要安装一个视频转换器负责接收从教师讲课用的PC上传输的信号。之后再由中央控制器负责切换摄像机信号和教师讲课用的PC信号，最后将信号输送到编码服务器进行编码处理。4.2.2编码广播因为所获取的音频和图象都是仿真的，所以必须把它们转化为数字的数据并通过网络进行传送。在此基础上，就需要安装可以进行数据编码的软件，我们选择WindowsMediaEncoder，因为WindowsMediaEncoder可以自动生成流媒体格式的文件。因此，只需要一台计算机，就集中了编码和流媒体服务器的功能，节省了成本。最终生成的流文件会以广播的形式传送到局域网。4.2.3终端接收接收端只需打开电脑系统自备的媒体播放器，就可以观看现场实况，无需安装其他视频软件，使用方便。4.3基于校园网直播系统的实现过程4.3.1视音频信号的输入利用现场摄像机来捕捉主会场的现场画面，捕捉现场画面后使用AV视频线输入到中央控制系统，教师电脑上的的信号则需要借助视频转换器来获取。把VGA线连接到视频转换器的输入端和教师的电脑主机，以此来输入信号。经过转换之后，一共可以输出三路信号，分别为AV信号，VGA信号和SV信号。转换后的AV信号会利用视频线输入到中央控制系统。转换后的VGA信号则会输出到教师电脑的显示器上。本次直播采用的中央控制系统，一共可以支持6路视频的输入，2路视频的输出。授课老师的电脑信号和摄像机的信号可以选择任意两路输入后，就可使用控制系统进行切换。切换之后获得的信号即可经过AV视频线输入到视频采集卡，再将采集到的信号进行编码。4.3.2信号的压缩编码使用视频采集卡将从中控系统中采集的数据输送到编码服务器中。下面是使用WindowsMediaEncoder编码的步骤：将“WindowsMedi