網路視頻

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網路視頻(NV/Network Video)

　　網路視頻是指由網路視頻服務商提供的、以流媒體為播放格式的、可以線上直播或點播的聲像文件。

　　網路視頻集交互性，實時性，集成性與碼率可變、突發性強等四大特點於一身。

　　1．交互性

　　用戶在收看電視時，只能被動地觀看電視臺播放的電視節目，不能自由地控制和處理；只有頻道選擇權，沒有視頻播放控制權，更不能對視頻進行互動式操作。網路視頻則具有強大的交互性，它允許用戶向發送方要求發送指定的視頻信息，並能控制播放過程，如開始、暫停、後退和快進等。

　　2．實時性

　　網路視頻屬於時基媒體，它與時間密切相關，並與音頻有很大的意義相關性，要求接收到的視、音頻信息必須嚴格同步。這就決定了網路視頻必須具有實時性，甚至是強實時，即不允許出現停頓的現象。網上直播、網上視頻會議的聲音和圖像必須嚴格同步(包括“唇音同步”)，否則會影響觀眾的觀看效果。

　　3．集成性

　　網路視頻的集成性表現為技術的集成性和媒體信息的集成性兩個方面。技術的集成性是指將原來的電話、廣播、電視、音像、多媒體等技術與電腦網路技術融為一體。媒體信息的集成性是指網路視頻可以與音頻、文字、動畫等在內的多格式的、大量內容的數據信息集成，還能與一些附加的控制信息(如超鏈接信息、腳本信息、特定應用信息等)集成。

　　4．碼率可變、突發性強

　　代表網路視頻信息的數據流碼率是隨著不同的信息內容、所處的不同時間而不斷變化的，如人們講話時的停頓、所傳場景圖像中物體的運動等都會形成碼流速率的波動，而且這種波動往往呈現出極強的突發性；再加上採用了各種信息壓縮編碼的方法，更加劇了這種變化。

　　網路視頻的工作方式有4種：單播、組播、廣播和點播。

　　1．單播

　　所謂單播，就是在每個客戶端與視頻媒體伺服器之間建立一個單獨的數據通道，並且從一臺伺服器送出的每個數據包只能傳送給一個客戶機的傳輸方式。

　　在單播中每個用戶必須分別對媒體伺服器發送單獨的查詢，而媒體伺服器必須向每個用戶發送所申請的數據包拷貝。單播避免了將數據包發送給不需要的用戶，但每份拷貝都得經過網路傳輸，這種巨大冗餘一方面占用了很高的帶寬；另一方面加重了伺服器的負擔，響應需要很長時間，甚至停止播放。因此，服務方不得不購買高速硬體設備和提高帶寬來保證服務質量。

　　2．組播

　　組播又稱為多址廣播或多播，是一種基於“組”的廣播。

　　採用組播方式，允許路由器一次將數據包複製到多個通道上，媒體伺服器只需發送一個信息包，即可讓所有發出請求的客戶端共用該信息包。

　　顯然，組播信息可以發送到組內任意地址的客戶機，減少了網路上傳輸信息包的總量，網路利用效率大大提高。

　　3．廣播

　　廣播指的是將數據包的單獨一個拷貝發送到網路上的所有用戶，用戶則被動地接收視頻流，而不管用戶是否需要該拷貝的一種傳輸方式。

　　廣播方式雖然能夠傳送一個單獨的數據流到整個網上，但由於其不辨目的的發送方式，很容易引起廣播風暴，大量無用的廣播信息會淹沒整個網路，從而消耗網路帶寬和資源。因此，要限制廣播消息的發送。

　　通常的做法是通過設置路由器來阻止廣播的傳播，從而將廣播限制在一個物理或邏輯網段內。

　　4．點播

　　點播是客戶端與伺服器之間互動的連接。在點播連接中，用戶通過選擇內容項目來初始化客戶端連接；用戶可以進行開始、停止、後退、快進或暫停視頻流等操作。點播提供了對視頻流的最大控制。這種方式由於每個客戶端各自連接伺服器，因此會迅速用完網路帶寬。

　　1．壓縮媒體文件格式

　　壓縮媒體文件由於視頻、音頻媒體經數據化後，數據量很大，形成的媒體文件要占用較大的硬碟空間，更不能用於傳送，因此必須壓縮編碼。經過壓縮編碼後形成的媒體文件，稱為壓縮媒體文件，有時簡稱壓縮文件。 ．

　　壓縮媒體文件格式壓縮媒體文件所採用的格式稱為壓縮媒體文件格式。壓縮媒體文件格式通過改變數據位的編排而去掉大量的冗餘信息，使其比原始文件小，但它儘量保留或全部保留了原始媒體的信息。

　　2．流式文件格式

　　流式文件格式流式文件格式經過特殊編碼後，可以在網路上一邊下載一邊播放，而不是必須下載完整個文件後才能播放。在網上可以以流的方式播放標準媒體文件，將壓縮媒體文件編碼成流式文件時，必須添加一些附加信息。

　　1．網上直播

　　網上直播是網路視頻應用的一個熱點，它使觀眾擺脫了對電視的依賴。中國中央電視臺每年的“春節聯歡晚會”除了電視直播外，還同步在網上直播，世界各地的觀眾只要登錄中央電視臺的網站，就可以直接在多媒體電腦上收看。越來越多的網站也採用網上直播的形式同步報道國內外的重大事件，大大加快了視頻信息傳遞的實效性。目前，網上直播大多採用流媒體技術。流媒體技術可以在低寬頻環境下提供高質量的音、視頻；特別是流媒體技術中的智能流技術，可以根據網路帶寬的動態變化而自動地調整播放質量，避免在播放過程中的信息流中斷。

　　2．網上視頻點播

　　網上視頻點播就是用戶在視頻網站上選擇自己喜愛的節目表單，並將選擇的節目表單信息提交到視頻伺服器；視頻伺服器根據用戶的選擇將存放在節目庫中的視頻檢索出來，合成一個個視頻數據流，並通過寬頻網路傳輸到用戶端；用戶利用安裝在多媒體電腦上的網路視頻播放器(如W"mdows Media Player、RealOne Hayer)進行播放。網上視頻點播是一種融合了多媒體電腦技術、網路通信技術和視聽技術的新技術。

　　網上視頻點播利用網路和視頻技術的優勢，徹底改變了用戶被動收看節目的狀態，實現了節目的按需收看和任意播放，為用戶提供實時、交互和按需點播服務。網上視頻點播系統主要由視頻伺服器、傳輸與交換網路、客戶端多媒體電腦組成。目前，中國中央電視臺、上海東方電視臺等很多新聞傳媒機構都提供各種視頻新聞節目；清華大學、上海交通大學、中央廣播電視大學等許多開展遠程教育的院校也將教師課堂授課實況製成網路視頻存放在視頻伺服器中，允許學習者按需點播學習。

　　在網上視頻點播的視頻服務中心必須解決的一個突出問題是：眾多的用戶可能在同一時刻要求傳送同一影片，並分別要求進行快進、快退等錄像機式的操作，而該影片在資料庫中只存有一份拷貝，一旦視頻服務中心為某個用戶開始提供服務以後，則向該用戶傳送的數據流就不允許有任何中斷。這就需要研製出一種比較理想的視頻伺服器，它應具有良好的管理功能和相應的硬體結構。

　　3．網路教育

　　現代信息網路技術的快速發展催生了以互動式多媒體寬頻網路為教育信息傳輸平臺的網路教育。所謂網路教育，就是利用多媒體通信網路來實現時空分離的由教師和學生共同來完成的教育、教學活動，以有效促進學生學習，從而達到預期學習目標的一種新型教育方式。網路教育除具備教與學相互分離的特征外，更體現了個性化教育。網路教育幾乎融入了20世紀80年代以來通信信息領域所有的最新技術，其建立在電腦技術、網路技術、多媒體技術、雙向電子通信技術及教育傳播理論和現代學習理論緊密結合的基礎上，以多媒體電腦網路承載和傳播包括圖、文、聲、像在內的覆蓋整個教學系統的各種要素信息，形成互動式的教學模式。網路教育可以實現實時“面對面”遠程授課、視頻課件點播、同步課業輔導、遠程交流討論、互動式答疑等豐富的教學功能，突破了課堂教學和課本教學信息單一化的局限，能充分開發、組合和利用各種教育信息資源，將多學科、多層次的豐富信息通過多種途徑傳播，有利於全方位培養人才，有利於學習者全面發展。

　　4．遠程診療

　　多媒體通信網路的建立與網路視頻技術的發展，為遠程診療開闢了一個廣闊的應用領域。身處現代醫療衛生中心的醫生可以通過多媒體通信網傳輸的視頻信息為遠在千里的病人提供診斷服務。通過多媒體終端，醫生不僅可以“面對”病人進行觀察和詢問，同時還可以通過遠端的醫療感測器或儀錶對病人進行多項病理檢查，檢查的結果可立即傳送到中心，為醫生診斷提供依據。如果需要，通過遠程醫療網路還可組織各地的醫療專家為患者進行會診，討論醫療方案。

　　5．視頻會議

　　視頻會議的目的就是利用多媒體通信網路和多媒體終端，使身處異地的與會者就同一議題參與討論。與會者不僅可以聽到發言者的聲音，而且還能看到發言者的圖像及背景，同時還可以交流有關該議題的數據、文字、圖表等信息。現在，大多數的視頻會議業務是通過電信網路或電腦網路召開的，它的會議控制信息交流是由專門的多點控制單元來擔任的，而網路中的每個節點都具有發起、召集一個會議的功能。會議期問，每個節點都可顯示多個視窗：視頻視窗顯示遠程節點的活動彩色視頻圖像；共用視窗提供所有與會節點的共用顯示區，使與會人員可共同瀏覽、修改和編輯文件，共用滑鼠，共同繪製各種圖表，對共用區內容的修改等操作結果可被大家同時看到：個人視窗是用戶私有區域，系統應允許用戶在參加會議的同時，在私有區域做一些私人的工作，如準備發言稿、做筆記或進行註釋等；控制視窗用來控制會議的召開、會議的響應、節點的發言請求、數據發送等會議事務，它還提供操作菜單，用於對答視窗的調整、信號質量的調節等。

　　6．多媒體郵件系統

　　普通的電子郵件(E-mail)只有傳送文件的功能，而多媒體郵件系統除可傳送文件外，還具有傳送圖像、視頻、音頻的功能。多媒體郵件系統對於跨越時區或不同語種的地區特別重要。當發送者估計接收者不在場，或在信息可以被延遲發送而不要求交互通信的情況下，發送者可以在建立、編輯某個郵件以後，通過多媒體郵件系統將它傳送到對方的郵箱中；而接收者可以在任何方便的時候打開郵箱，取出郵件。這個郵件除了文字外，還可以包括視頻、音頻等信息。

　　流媒體的傳輸有兩種方式：順序流式傳輸和實時流式傳輸。

　　1．順序流式傳輸

　　順序流式傳輸就是在按順序下載文件的同時可觀看已下載部分的流媒體傳輸方式。

　　順序流式文件放在標準HTTP或FTP伺服器上，易於管理。HTTP伺服器可發送流式傳輸所需的文件而不需要其他特殊協議，順序流式傳輸也稱為HTTP流式傳輸。

　　a、順序流式傳輸在觀看已下載的部分時不能跳到還未下載的部分。

　　b、順序流式傳輸比較適合高質量的短片段，如片頭、片尾和廣告。由於該文件在播放觀看前的部分是無損下載的，因此這種方法保證了視頻播放的最終質量。這意味著用戶在觀看前必須經歷延遲，對較慢的連接尤其如此。

　　2．實時流式傳輸

　　實時流式傳輸是流媒體在實時傳送，特別適合現場事件；支持隨機訪問，用戶可快進或後退，以觀看前面或後面的內容。

　　a、實時流式傳輸保證媒體信號帶寬與網路連接匹配，以使媒體可被實時觀看到。

　　b、實時流式傳輸與HTTP流式傳輸不同，它需要專用的流媒體伺服器與傳輸協議。實時流式傳輸特定伺服器有Quick Time Streaming Server，Real Server，Windows Media Server等，這些伺服器允許對媒體發送更多級別的控制，因而系統設置、管理比標準HTTP伺服器更複雜。

　　c、實時流式傳輸還需要特殊網路協議，如RTSP(Real Time Streaming Protoc01)或MMS(Microsoft Media Server)協議。這些協議在有防火牆時可能會出現問題，從而導致用戶不能看到一些地點的實時內容。

　　實時流式傳輸必須匹配連接帶寬，這意味著在以數據機速度連接時，圖像質量會較差；由於出錯丟失的信息被忽略掉，當網路擁擠或出現問題時，視頻質量會很差。

　　如果視頻為實時廣播，或使用流式傳輸媒體伺服器，或應用如RTSP的實時協議，則為實時流式傳輸；如果使用HTTP伺服器，則文件通過順序流式傳輸發送。究竟採用哪種傳輸方式，則取決於需求。

　　流式文件也支持下載到硬碟進行播放。

　　網路視頻系統主要由視頻伺服器端子系統、網路通信子系統和客戶端子系統三個部分組成。

　　一、視頻伺服器端子系統

　　視頻伺服器端子系統由視頻伺服器、後備存儲伺服器、節目採編工作站、信息編排工作站和信息伺服器、播控伺服器、管理工作站及相應的網路介面組成。

　　1．視頻伺服器

　　視頻伺服器是一種對視/音頻數據進行壓縮、存儲、處理及傳輸的專用電腦設備。視頻伺服器可以採用MPEG一2或MPEG一4等視頻壓縮編碼格式，在符合技術指標的情況下對視頻數據進行壓縮編碼，以滿足存儲和傳輸的要求。視頻伺服器使用SCSI(Small Computer System Interface，小型電腦系統介面)硬碟或FC(Fiber Channel，光纖通道)介面硬碟作為視/音頻數據的線上存儲器，具有多通道輸入/輸出、多種視/音頻格式介面，可配備SCSI、FC等網路介面進行組網，從而實現視/音頻數據的共用和傳輸。

　　視頻伺服器的工作模式是：當伺服器響應客戶的視頻流後，先從存儲系統讀入一部分視頻數據到對應於這個視頻流的特定的緩存中，然後將此緩存中的內容送入網路介面併發送到客戶，響應客戶的交互請求，以保證視頻流的連續輸出：當一個新的客戶請求視頻服務時，伺服器根據系統資源的使用情況，決定是否響應此請求。系統的資源包括存儲I/O的帶寬、網路帶寬、記憶體大小和CPU的使用率。

　　1)視頻伺服器的組成

　　由於視頻伺服器與普通的伺服器在功能上有較大差別，因此它們在組成結構方面也不相同。視頻伺服器主要由視/音頻壓縮編碼器、大容量存儲設備、網路介面、視/音頻接1:3、RS一422串列接1:3、協議接1:3、視/音頻交叉點矩陣等構成。

　　(1)視/音頻壓縮編碼器。視/音頻壓縮編碼器就是對各種視/音頻信息進行壓縮編碼的硬體設備。通過該設備對視/音頻信息的壓縮編碼，可以大大降低視頻伺服器的存儲任務和網路系統的傳輸負擔。視頻伺服器一般採用MPEG一2或MPEG一4壓縮編碼技術來實現對數據的壓縮編碼，用戶需根據實際應用情況並結合各種壓縮編碼技術的特點來選擇壓縮碼傳輸速率和壓縮結構，以適應各種不同的播出場合，從而達到既節省硬碟空間、增加節目的存儲量，又能保證播出圖像質量的目的。

　　(2)大容量存儲設備。視頻點播涉及到大量視頻數據的存儲和眾多用戶對視頻節目的併發訪問，因而存儲系統的存儲容量和VO(Video Out，視頻輸出)性能是系統的重要考慮因素，為此，建議使用多磁頭的陣列磁碟存儲視頻節目。同時，為滿足低成本投入的要求，也可以直接使用高速、寬頻的SCSI介面硬碟或最先進的FC介面硬碟作為視/音頻素材存儲介質。另外，大容量的數據存儲需要系統具有良好的容錯性能，並具有足夠的穩定性，這樣在發生數據錯誤時，系統可以線上恢復和重建數據，而不影響系統的正常運行。

　　(3)網路介面。視頻伺服器都帶有網路介面，以便於組網並實現數據共用。一般視頻伺服器都帶有FC和乙太網介面。FC介面的FC光纖網採用p協議作為視頻伺服器之間快速、實時複製和移動素材的交換網路。乙太網介面通常採用Ethemet 10/100M標準(有些伺服器具有1000M乙太網介面)，該介面雖然可以在區域網上作為視頻媒體來應用，但目前主要用於傳送控制數據和狀態檢測的信息，即與控制系統通信。隨著IP網路技術的進步和IP over SDH、IP over DWDM等技術的成熟，基於IP的視頻技術可以很容易地在網際網路上大規模應用，因此，提供10 Base.T/100 Base—T和10 GB網路介面已成為視頻伺服器跟上時代潮流的表現。目前，有許多視頻點播系統中的視頻媒體服務是基於CATV網路或HFC網路的，因此，許多視頻點播伺服器針對這樣的接入網路提供了DVB—ASI或QAM 64/256介面。此外，針對ADSL等接入方式，有些伺服器可提供ATM OC．3或OC．12介面，以提供與ADSL局端的DSLM之間的高速數據通道。

　　(4)視/音頻介面。視頻伺服器一般都帶有標準視，音頻介面和模擬監視視頻介面，以方便監視各通道的視頻信號。

　　(5)RS.422串列介面。視頻伺服器都帶有多個RS一422串列通信介面，每個介面均可通過RS一422通信線，由外部電腦控制實現記錄與播放。

　　(6)協議介面。視頻伺服器除提供各種控制硬體介面外，還提供協議介面。如RS．422介面除支持RS一422的Profile協議外，還支持Louth、Odetics、BVW等通過RS一422控制的協議。

　　(7)視/音頻交叉點矩陣。視頻伺服器一般都帶有視／音頻交叉點矩陣，從而使視/音頻通道調度靈活，同時可保證能夠很好地達到各項技術指標。

　　2)視頻伺服器的類型

　　目前，視頻伺服器的類型有三種：通用主機、緊耦合多處理機和調諧視頻伺服器。

　　(1)通用主機。最早的通用視頻伺服器採用電腦主機來實現其功能。它運行在一個標準的操作系統(如UNIX系統)上，硬體由‘系列眾多的視頻磁碟陣列組成。視頻伺服器的主要功能是存儲、選擇、傳送大量的數據，但很少進行數據處理。將主機作為視頻伺服器既不利於發揮主機的主要功能，又增加了系統的成本(需要提供大量的並非必需的硬體和軟體)。因此，有必要研究具有專門功能、結構簡單的視頻伺服器。

　　(2)緊耦合多處理機。該處理機可按照視頻伺服器功能要求，製作出大量完成某項指令或專門功能的硬體單元，然後將相關單元組合成相應的專用系統。這些系統有的擅長創建靜止圖像，有的是資料庫管理器，有的則是網路設備和其它動態視頻的資料庫。最後，將這些系統級聯起來以構成緊耦合多處理機實現的視頻伺服器。這種伺服器費用低、性能高、功能強，具有解決專項問題的特征；但節目受到一定的限制，擴展性較差。

　　(3)調諧視頻伺服器。調諧視頻伺服器的主板由一個有獨特微碼的嵌入式模擬器控制。磁碟控制器、ATM打包器和電腦介面都利用這些極高速模擬器來實現各自的功能和各功能塊問的通訊。模擬器是通過特殊的寄存器匯流排和微碼緊密耦合的。調諧視頻伺服器的結構是可擴展的，只要在主板中插入更多的服務通路，就可以達到擴容的目的。

　　3)視頻伺服器的功能

　　專業視頻伺服器的主要功能是：大量視頻節目的存儲管理；節目檢索和更新；處理用戶的請求。

　　4)視頻伺服器的性能要求

　　視頻伺服器是視頻系統的核心，與一般伺服器相比，專業視頻伺服器具有以下性能要求：

　　(1)具有很強的處理能力和吞吐能力，能同時支持多個用戶。

　　(2)具有多個輸入/輸出通道，可使多路輸入、播放同時進行；實現多用戶資源共用，可無衝突同時點播同一個節目。

　　(3)響應及時。響應時間是衡量視頻伺服器的一個重要指標。所謂響應及時，就是能對用戶的請求及時響應且迅速查找節目，並允許用戶在播放過程中進行互動式控制。

　　(4)採用高速大容量硬碟。存儲系統的存儲空間巨大，至少能夠存儲幾百小時的視頻。

　　(5)具有良好的容錯性能，以保證系統安全可靠，從而持續穩定地輸出視頻流。

　　(6)可擴展性。可擴展性包括容量和帶寬的擴展。

　　2．後備存儲伺服器

　　後備存儲伺服器將每個節目分佈存儲在不同的物理存儲設備中，在訪問任何一個節目時，由多個單元主機協同操作，從而將訪問負荷平均分配給所有的單元主機。

　　後備存儲伺服器也採用RAID技術來存儲節目信息，這大大提高了系統的可靠性，可確保系統的正常運行。當任何一個磁碟上的數據發生損壞時，可以線上恢復而不影響業務的正常開展；同時，併發輸出碼流的能力大大增強，可以剋服SCSI介面速率的極限。

　　3．節目採編工作站

　　節目採編工作站負責節目的採集和編排。節目採編工作站可以實時對MPEG.2節目編碼，可以採集VCD、DVD、專業錄像機、LD機及錄像帶上的節目。節目採編工作站支持包括MPEG．2在內的多種格式；支持各種信息的插入；每個程式流通道的碼率可以靈活設置；支持4:2:0和4:2:2編碼格式。節目採編工作站可以支持A/V、S—video等多格式輸入，並支持與非線性編輯控制器相連。

　　4．信息編排工作站和信息伺服器

　　信息編排工作站用於編排輸入信息伺服器的各種信息源。信息伺服器把各種用戶服務信息、系統信息等數據以程式流的方式輸出，並利用寬頻網路回傳頭端，以實現互動式信息服務(如瀏覽、查詢等)。

　　5．播控伺服器

　　播控伺服器完成視頻伺服器及信息伺服器的播發控制功能。播控伺服器還接收來自回傳端的上行請求併進行解釋，以完成控制互動式視頻節目的點播，控制信息的播發以及控制上行信息的傳遞等功能。

　　6．管理工作站

　　管理工作站負責系統前端設備、用戶、資源等的管理工作。管理部分採用管理資料庫和管理工作站分開的方式，管理資料庫存放在播控伺服器中。

　　二、網路通信子系統

　　網路通信子系統負責視頻信息流的實時傳輸，是影響時基媒體網路服務系統性能的關鍵部分。網路通信子系統包含主幹網路系統和本地網路系統兩部分。主幹網路系統是指與前端系統連接的公用網路，如網際網路、城域骨幹網或小區寬頻骨幹網等；本地網路系統則是指視頻用戶所擁有的接入網。由於媒體服務系統的網路部分投資巨大，因此在設計時不僅要考慮當前的媒體應用需要，而且要考慮將來發展的需要和兼容性。當前，主幹網路系統可採用乙太網、FDDI、ATM和全D的寬頻網路，而常用的接入網技術主要有ISDN、ADSL、HFC、DDN、乙太網和無線網。這些網路技術都有各自具體的服務對象、帶寬範圍和環境特征。

　　三、客戶端子系統

　　客戶端子系統就是網路視頻用戶的終端設備。只有利用相應的終端設備。網路視頻用戶才能與某種服務或服務的提供者之間進行交互操作。在網路視頻系統中，對客戶端系統具有如下要求：

　　(1)能夠以較高的帶寬登錄到前端系統的伺服器，並向伺服器發出播送請求。

　　(2)能夠將視頻伺服器發送來的視頻壓縮數據進行解壓縮。

　　(3)能夠播放高質量的視頻圖像。

　　(4)在播放過程中能夠對網路中斷與演播中斷進行協調。

　　實際使用中，客戶端設備通常是安裝了數據解碼和媒體播放功能的電腦系統，或安裝了機頂盒的電視機系統。而在未改造的電話系統中，視頻點播則由電話預約來完成，如目前各地的有線電視臺相繼開通的電話點播節目。另外，在客戶端子系統中，除了需要處理硬體問題外，還要處理與之相關的各種軟體技術問題。例如，為了滿足用戶的多媒體交互需求，對客戶系統的界面必須加以改造。此外，在進行連續媒體演播時，對媒體流的緩衝管理、聲頻與視頻數據的同步等問題，都需要進行充分考慮。