网络视频

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网络视频(NV/Network Video)

　　网络视频是指由网络视频服务商提供的、以流媒体为播放格式的、可以在线直播或点播的声像文件。

　　网络视频集交互性，实时性，集成性与码率可变、突发性强等四大特点于一身。

　　1．交互性

　　用户在收看电视时，只能被动地观看电视台播放的电视节目，不能自由地控制和处理；只有频道选择权，没有视频播放控制权，更不能对视频进行交互式操作。网络视频则具有强大的交互性，它允许用户向发送方要求发送指定的视频信息，并能控制播放过程，如开始、暂停、后退和快进等。

　　2．实时性

　　网络视频属于时基媒体，它与时间密切相关，并与音频有很大的意义相关性，要求接收到的视、音频信息必须严格同步。这就决定了网络视频必须具有实时性，甚至是强实时，即不允许出现停顿的现象。网上直播、网上视频会议的声音和图像必须严格同步(包括“唇音同步”)，否则会影响观众的观看效果。

　　3．集成性

　　网络视频的集成性表现为技术的集成性和媒体信息的集成性两个方面。技术的集成性是指将原来的电话、广播、电视、音像、多媒体等技术与计算机网络技术融为一体。媒体信息的集成性是指网络视频可以与音频、文字、动画等在内的多格式的、大量内容的数据信息集成，还能与一些附加的控制信息(如超链接信息、脚本信息、特定应用信息等)集成。

　　4．码率可变、突发性强

　　代表网络视频信息的数据流码率是随着不同的信息内容、所处的不同时间而不断变化的，如人们讲话时的停顿、所传场景图像中物体的运动等都会形成码流速率的波动，而且这种波动往往呈现出极强的突发性；再加上采用了各种信息压缩编码的方法，更加剧了这种变化。

　　网络视频的工作方式有4种：单播、组播、广播和点播。

　　1．单播

　　所谓单播，就是在每个客户端与视频媒体服务器之间建立一个单独的数据通道，并且从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机的传输方式。

　　在单播中每个用户必须分别对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的数据包拷贝。单播避免了将数据包发送给不需要的用户，但每份拷贝都得经过网络传输，这种巨大冗余一方面占用了很高的带宽；另一方面加重了服务器的负担，响应需要很长时间，甚至停止播放。因此，服务方不得不购买高速硬件设备和提高带宽来保证服务质量。

　　2．组播

　　组播又称为多址广播或多播，是一种基于“组”的广播。

　　采用组播方式，允许路由器一次将数据包复制到多个通道上，媒体服务器只需发送一个信息包，即可让所有发出请求的客户端共享该信息包。

　　显然，组播信息可以发送到组内任意地址的客户机，减少了网络上传输信息包的总量，网络利用效率大大提高。

　　3．广播

　　广播指的是将数据包的单独一个拷贝发送到网络上的所有用户，用户则被动地接收视频流，而不管用户是否需要该拷贝的一种传输方式。

　　广播方式虽然能够传送一个单独的数据流到整个网上，但由于其不辨目的的发送方式，很容易引起广播风暴，大量无用的广播信息会淹没整个网络，从而消耗网络带宽和资源。因此，要限制广播消息的发送。

　　通常的做法是通过设置路由器来阻止广播的传播，从而将广播限制在一个物理或逻辑网段内。

　　4．点播

　　点播是客户端与服务器之间互动的连接。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；用户可以进行开始、停止、后退、快进或暂停视频流等操作。点播提供了对视频流的最大控制。这种方式由于每个客户端各自连接服务器，因此会迅速用完网络带宽。

　　1．压缩媒体文件格式

　　压缩媒体文件由于视频、音频媒体经数据化后，数据量很大，形成的媒体文件要占用较大的硬盘空间，更不能用于传送，因此必须压缩编码。经过压缩编码后形成的媒体文件，称为压缩媒体文件，有时简称压缩文件。 ．

　　压缩媒体文件格式压缩媒体文件所采用的格式称为压缩媒体文件格式。压缩媒体文件格式通过改变数据位的编排而去掉大量的冗余信息，使其比原始文件小，但它尽量保留或全部保留了原始媒体的信息。

　　2．流式文件格式

　　流式文件格式流式文件格式经过特殊编码后，可以在网络上一边下载一边播放，而不是必须下载完整个文件后才能播放。在网上可以以流的方式播放标准媒体文件，将压缩媒体文件编码成流式文件时，必须添加一些附加信息。

　　1．网上直播

　　网上直播是网络视频应用的一个热点，它使观众摆脱了对电视的依赖。中国中央电视台每年的“春节联欢晚会”除了电视直播外，还同步在网上直播，世界各地的观众只要登录中央电视台的网站，就可以直接在多媒体计算机上收看。越来越多的网站也采用网上直播的形式同步报道国内外的重大事件，大大加快了视频信息传递的实效性。目前，网上直播大多采用流媒体技术。流媒体技术可以在低宽带环境下提供高质量的音、视频；特别是流媒体技术中的智能流技术，可以根据网络带宽的动态变化而自动地调整播放质量，避免在播放过程中的信息流中断。

　　2．网上视频点播

　　网上视频点播就是用户在视频网站上选择自己喜爱的节目表单，并将选择的节目表单信息提交到视频服务器；视频服务器根据用户的选择将存放在节目库中的视频检索出来，合成一个个视频数据流，并通过宽带网络传输到用户端；用户利用安装在多媒体计算机上的网络视频播放器(如W"mdows Media Player、RealOne Hayer)进行播放。网上视频点播是一种融合了多媒体计算机技术、网络通信技术和视听技术的新技术。

　　网上视频点播利用网络和视频技术的优势，彻底改变了用户被动收看节目的状态，实现了节目的按需收看和任意播放，为用户提供实时、交互和按需点播服务。网上视频点播系统主要由视频服务器、传输与交换网络、客户端多媒体计算机组成。目前，中国中央电视台、上海东方电视台等很多新闻传媒机构都提供各种视频新闻节目；清华大学、上海交通大学、中央广播电视大学等许多开展远程教育的院校也将教师课堂授课实况制成网络视频存放在视频服务器中，允许学习者按需点播学习。

　　在网上视频点播的视频服务中心必须解决的一个突出问题是：众多的用户可能在同一时刻要求传送同一影片，并分别要求进行快进、快退等录像机式的操作，而该影片在数据库中只存有一份拷贝，一旦视频服务中心为某个用户开始提供服务以后，则向该用户传送的数据流就不允许有任何中断。这就需要研制出一种比较理想的视频服务器，它应具有良好的管理功能和相应的硬件结构。

　　3．网络教育

　　现代信息网络技术的快速发展催生了以交互式多媒体宽带网络为教育信息传输平台的网络教育。所谓网络教育，就是利用多媒体通信网络来实现时空分离的由教师和学生共同来完成的教育、教学活动，以有效促进学生学习，从而达到预期学习目标的一种新型教育方式。网络教育除具备教与学相互分离的特征外，更体现了个性化教育。网络教育几乎融入了20世纪80年代以来通信信息领域所有的最新技术，其建立在计算机技术、网络技术、多媒体技术、双向电子通信技术及教育传播理论和现代学习理论紧密结合的基础上，以多媒体计算机网络承载和传播包括图、文、声、像在内的覆盖整个教学系统的各种要素信息，形成交互式的教学模式。网络教育可以实现实时“面对面”远程授课、视频课件点播、同步课业辅导、远程交流讨论、交互式答疑等丰富的教学功能，突破了课堂教学和课本教学信息单一化的局限，能充分开发、组合和利用各种教育信息资源，将多学科、多层次的丰富信息通过多种途径传播，有利于全方位培养人才，有利于学习者全面发展。

　　4．远程诊疗

　　多媒体通信网络的建立与网络视频技术的发展，为远程诊疗开辟了一个广阔的应用领域。身处现代医疗卫生中心的医生可以通过多媒体通信网传输的视频信息为远在千里的病人提供诊断服务。通过多媒体终端，医生不仅可以“面对”病人进行观察和询问，同时还可以通过远端的医疗传感器或仪表对病人进行多项病理检查，检查的结果可立即传送到中心，为医生诊断提供依据。如果需要，通过远程医疗网络还可组织各地的医疗专家为患者进行会诊，讨论医疗方案。

　　5．视频会议

　　视频会议的目的就是利用多媒体通信网络和多媒体终端，使身处异地的与会者就同一议题参与讨论。与会者不仅可以听到发言者的声音，而且还能看到发言者的图像及背景，同时还可以交流有关该议题的数据、文字、图表等信息。现在，大多数的视频会议业务是通过电信网络或计算机网络召开的，它的会议控制信息交流是由专门的多点控制单元来担任的，而网络中的每个节点都具有发起、召集一个会议的功能。会议期问，每个节点都可显示多个窗口：视频窗口显示远程节点的活动彩色视频图像；共享窗口提供所有与会节点的共享显示区，使与会人员可共同浏览、修改和编辑文件，共享鼠标，共同绘制各种图表，对共享区内容的修改等操作结果可被大家同时看到：个人窗口是用户私有区域，系统应允许用户在参加会议的同时，在私有区域做一些私人的工作，如准备发言稿、做笔记或进行注释等；控制窗口用来控制会议的召开、会议的响应、节点的发言请求、数据发送等会议事务，它还提供操作菜单，用于对答窗口的调整、信号质量的调节等。

　　6．多媒体邮件系统

　　普通的电子邮件(E-mail)只有传送文件的功能，而多媒体邮件系统除可传送文件外，还具有传送图像、视频、音频的功能。多媒体邮件系统对于跨越时区或不同语种的地区特别重要。当发送者估计接收者不在场，或在信息可以被延迟发送而不要求交互通信的情况下，发送者可以在建立、编辑某个邮件以后，通过多媒体邮件系统将它传送到对方的邮箱中；而接收者可以在任何方便的时候打开邮箱，取出邮件。这个邮件除了文字外，还可以包括视频、音频等信息。

　　流媒体的传输有两种方式：顺序流式传输和实时流式传输。

　　1．顺序流式传输

　　顺序流式传输就是在按顺序下载文件的同时可观看已下载部分的流媒体传输方式。

　　顺序流式文件放在标准HTTP或FTP服务器上，易于管理。HTTP服务器可发送流式传输所需的文件而不需要其他特殊协议，顺序流式传输也称为HTTP流式传输。

　　a、顺序流式传输在观看已下载的部分时不能跳到还未下载的部分。

　　b、顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告。由于该文件在播放观看前的部分是无损下载的，因此这种方法保证了视频播放的最终质量。这意味着用户在观看前必须经历延迟，对较慢的连接尤其如此。

　　2．实时流式传输

　　实时流式传输是流媒体在实时传送，特别适合现场事件；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。

　　a、实时流式传输保证媒体信号带宽与网络连接匹配，以使媒体可被实时观看到。

　　b、实时流式传输与HTTP流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时流式传输特定服务器有Quick Time Streaming Server，Real Server，Windows Media Server等，这些服务器允许对媒体发送更多级别的控制，因而系统设置、管理比标准HTTP服务器更复杂。

　　c、实时流式传输还需要特殊网络协议，如RTSP(Real Time Streaming Protoc01)或MMS(Microsoft Media Server)协议。这些协议在有防火墙时可能会出现问题，从而导致用户不能看到一些地点的实时内容。

　　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，图像质量会较差；由于出错丢失的信息被忽略掉，当网络拥挤或出现问题时，视频质量会很差。

　　如果视频为实时广播，或使用流式传输媒体服务器，或应用如RTSP的实时协议，则为实时流式传输；如果使用HTTP服务器，则文件通过顺序流式传输发送。究竟采用哪种传输方式，则取决于需求。

　　流式文件也支持下载到硬盘进行播放。

　　网络视频系统主要由视频服务器端子系统、网络通信子系统和客户端子系统三个部分组成。

　　一、视频服务器端子系统

　　视频服务器端子系统由视频服务器、后备存储服务器、节目采编工作站、信息编排工作站和信息服务器、播控服务器、管理工作站及相应的网络接口组成。

　　1．视频服务器

　　视频服务器是一种对视/音频数据进行压缩、存储、处理及传输的专用计算机设备。视频服务器可以采用MPEG一2或MPEG一4等视频压缩编码格式，在符合技术指标的情况下对视频数据进行压缩编码，以满足存储和传输的要求。视频服务器使用SCSI(Small Computer System Interface，小型计算机系统接口)硬盘或FC(Fiber Channel，光纤通道)接口硬盘作为视/音频数据的在线存储器，具有多通道输入/输出、多种视/音频格式接口，可配备SCSI、FC等网络接口进行组网，从而实现视/音频数据的共享和传输。

　　视频服务器的工作模式是：当服务器响应客户的视频流后，先从存储系统读入一部分视频数据到对应于这个视频流的特定的缓存中，然后将此缓存中的内容送入网络接口并发送到客户，响应客户的交互请求，以保证视频流的连续输出：当一个新的客户请求视频服务时，服务器根据系统资源的使用情况，决定是否响应此请求。系统的资源包括存储I/O的带宽、网络带宽、内存大小和CPU的使用率。

　　1)视频服务器的组成

　　由于视频服务器与普通的服务器在功能上有较大差别，因此它们在组成结构方面也不相同。视频服务器主要由视/音频压缩编码器、大容量存储设备、网络接口、视/音频接1:3、RS一422串行接1:3、协议接1:3、视/音频交叉点矩阵等构成。

　　(1)视/音频压缩编码器。视/音频压缩编码器就是对各种视/音频信息进行压缩编码的硬件设备。通过该设备对视/音频信息的压缩编码，可以大大降低视频服务器的存储任务和网络系统的传输负担。视频服务器一般采用MPEG一2或MPEG一4压缩编码技术来实现对数据的压缩编码，用户需根据实际应用情况并结合各种压缩编码技术的特点来选择压缩码传输速率和压缩结构，以适应各种不同的播出场合，从而达到既节省硬盘空间、增加节目的存储量，又能保证播出图像质量的目的。

　　(2)大容量存储设备。视频点播涉及到大量视频数据的存储和众多用户对视频节目的并发访问，因而存储系统的存储容量和VO(Video Out，视频输出)性能是系统的重要考虑因素，为此，建议使用多磁头的阵列磁盘存储视频节目。同时，为满足低成本投入的要求，也可以直接使用高速、宽带的SCSI接口硬盘或最先进的FC接口硬盘作为视/音频素材存储介质。另外，大容量的数据存储需要系统具有良好的容错性能，并具有足够的稳定性，这样在发生数据错误时，系统可以在线恢复和重建数据，而不影响系统的正常运行。

　　(3)网络接口。视频服务器都带有网络接口，以便于组网并实现数据共享。一般视频服务器都带有FC和以太网接口。FC接口的FC光纤网采用p协议作为视频服务器之间快速、实时复制和移动素材的交换网络。以太网接口通常采用Ethemet 10/100M标准(有些服务器具有1000M以太网接口)，该接口虽然可以在局域网上作为视频媒体来应用，但目前主要用于传送控制数据和状态检测的信息，即与控制系统通信。随着IP网络技术的进步和IP over SDH、IP over DWDM等技术的成熟，基于IP的视频技术可以很容易地在因特网上大规模应用，因此，提供10 Base.T/100 Base—T和10 GB网络接口已成为视频服务器跟上时代潮流的表现。目前，有许多视频点播系统中的视频媒体服务是基于CATV网络或HFC网络的，因此，许多视频点播服务器针对这样的接入网络提供了DVB—ASI或QAM 64/256接口。此外，针对ADSL等接入方式，有些服务器可提供ATM OC．3或OC．12接口，以提供与ADSL局端的DSLM之间的高速数据通道。

　　(4)视/音频接口。视频服务器一般都带有标准视，音频接口和模拟监视视频接口，以方便监视各通道的视频信号。

　　(5)RS.422串行接口。视频服务器都带有多个RS一422串行通信接口，每个接口均可通过RS一422通信线，由外部计算机控制实现记录与播放。

　　(6)协议接口。视频服务器除提供各种控制硬件接口外，还提供协议接口。如RS．422接口除支持RS一422的Profile协议外，还支持Louth、Odetics、BVW等通过RS一422控制的协议。

　　(7)视/音频交叉点矩阵。视频服务器一般都带有视／音频交叉点矩阵，从而使视/音频通道调度灵活，同时可保证能够很好地达到各项技术指标。

　　2)视频服务器的类型

　　目前，视频服务器的类型有三种：通用主机、紧耦合多处理机和调谐视频服务器。

　　(1)通用主机。最早的通用视频服务器采用计算机主机来实现其功能。它运行在一个标准的操作系统(如UNIX系统)上，硬件由‘系列众多的视频磁盘阵列组成。视频服务器的主要功能是存储、选择、传送大量的数据，但很少进行数据处理。将主机作为视频服务器既不利于发挥主机的主要功能，又增加了系统的成本(需要提供大量的并非必需的硬件和软件)。因此，有必要研究具有专门功能、结构简单的视频服务器。

　　(2)紧耦合多处理机。该处理机可按照视频服务器功能要求，制作出大量完成某项指令或专门功能的硬件单元，然后将相关单元组合成相应的专用系统。这些系统有的擅长创建静止图像，有的是数据库管理器，有的则是网络设备和其它动态视频的数据库。最后，将这些系统级联起来以构成紧耦合多处理机实现的视频服务器。这种服务器费用低、性能高、功能强，具有解决专项问题的特征；但节目受到一定的限制，扩展性较差。

　　(3)调谐视频服务器。调谐视频服务器的主板由一个有独特微码的嵌入式仿真器控制。磁盘控制器、ATM打包器和计算机接口都利用这些极高速仿真器来实现各自的功能和各功能块问的通讯。仿真器是通过特殊的寄存器总线和微码紧密耦合的。调谐视频服务器的结构是可扩展的，只要在主板中插入更多的服务通路，就可以达到扩容的目的。

　　3)视频服务器的功能

　　专业视频服务器的主要功能是：大量视频节目的存储管理；节目检索和更新；处理用户的请求。

　　4)视频服务器的性能要求

　　视频服务器是视频系统的核心，与一般服务器相比，专业视频服务器具有以下性能要求：

　　(1)具有很强的处理能力和吞吐能力，能同时支持多个用户。

　　(2)具有多个输入/输出通道，可使多路输入、播放同时进行；实现多用户资源共享，可无冲突同时点播同一个节目。

　　(3)响应及时。响应时间是衡量视频服务器的一个重要指标。所谓响应及时，就是能对用户的请求及时响应且迅速查找节目，并允许用户在播放过程中进行交互式控制。

　　(4)采用高速大容量硬盘。存储系统的存储空间巨大，至少能够存储几百小时的视频。

　　(5)具有良好的容错性能，以保证系统安全可靠，从而持续稳定地输出视频流。

　　(6)可扩展性。可扩展性包括容量和带宽的扩展。

　　2．后备存储服务器

　　后备存储服务器将每个节目分布存储在不同的物理存储设备中，在访问任何一个节目时，由多个单元主机协同操作，从而将访问负荷平均分配给所有的单元主机。

　　后备存储服务器也采用RAID技术来存储节目信息，这大大提高了系统的可靠性，可确保系统的正常运行。当任何一个磁盘上的数据发生损坏时，可以在线恢复而不影响业务的正常开展；同时，并发输出码流的能力大大增强，可以克服SCSI接口速率的极限。

　　3．节目采编工作站

　　节目采编工作站负责节目的采集和编排。节目采编工作站可以实时对MPEG.2节目编码，可以采集VCD、DVD、专业录像机、LD机及录像带上的节目。节目采编工作站支持包括MPEG．2在内的多种格式；支持各种信息的插入；每个程序流通道的码率可以灵活设置；支持4:2:0和4:2:2编码格式。节目采编工作站可以支持A/V、S—video等多格式输入，并支持与非线性编辑控制器相连。

　　4．信息编排工作站和信息服务器

　　信息编排工作站用于编排输入信息服务器的各种信息源。信息服务器把各种用户服务信息、系统信息等数据以程序流的方式输出，并利用宽带网络回传头端，以实现交互式信息服务(如浏览、查询等)。

　　5．播控服务器

　　播控服务器完成视频服务器及信息服务器的播发控制功能。播控服务器还接收来自回传端的上行请求并进行解释，以完成控制交互式视频节目的点播，控制信息的播发以及控制上行信息的传递等功能。

　　6．管理工作站

　　管理工作站负责系统前端设备、用户、资源等的管理工作。管理部分采用管理数据库和管理工作站分开的方式，管理数据库存放在播控服务器中。

　　二、网络通信子系统

　　网络通信子系统负责视频信息流的实时传输，是影响时基媒体网络服务系统性能的关键部分。网络通信子系统包含主干网络系统和本地网络系统两部分。主干网络系统是指与前端系统连接的公用网络，如因特网、城域骨干网或小区宽带骨干网等；本地网络系统则是指视频用户所拥有的接入网。由于媒体服务系统的网络部分投资巨大，因此在设计时不仅要考虑当前的媒体应用需要，而且要考虑将来发展的需要和兼容性。当前，主干网络系统可采用以太网、FDDI、ATM和全D的宽带网络，而常用的接入网技术主要有ISDN、ADSL、HFC、DDN、以太网和无线网。这些网络技术都有各自具体的服务对象、带宽范围和环境特征。

　　三、客户端子系统

　　客户端子系统就是网络视频用户的终端设备。只有利用相应的终端设备。网络视频用户才能与某种服务或服务的提供者之间进行交互操作。在网络视频系统中，对客户端系统具有如下要求：

　　(1)能够以较高的带宽登录到前端系统的服务器，并向服务器发出播送请求。

　　(2)能够将视频服务器发送来的视频压缩数据进行解压缩。

　　(3)能够播放高质量的视频图像。

　　(4)在播放过程中能够对网络中断与演播中断进行协调。

　　实际使用中，客户端设备通常是安装了数据解码和媒体播放功能的计算机系统，或安装了机顶盒的电视机系统。而在未改造的电话系统中，视频点播则由电话预约来完成，如目前各地的有线电视台相继开通的电话点播节目。另外，在客户端子系统中，除了需要处理硬件问题外，还要处理与之相关的各种软件技术问题。例如，为了满足用户的多媒体交互需求，对客户系统的界面必须加以改造。此外，在进行连续媒体演播时，对媒体流的缓冲管理、声频与视频数据的同步等问题，都需要进行充分考虑。