Internet視頻傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)分析
楊明川 解沖鋒
2002/12/31
1、前言
隨著Internet帶寬的不斷增長，基于流媒體（stream media）傳輸?shù)囊曨l應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。在Internet上傳輸視頻的相關(guān)技術(shù)也成為Internet節(jié)研究和開發(fā)的熱點。目前，許多實驗性的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)都把視頻傳輸?shù)募夹g(shù)和應(yīng)用作為研究的重點課題。美國的Internet 2（I2）研究計劃中成立了數(shù)字視頻研究組（Digital Video Initiative）作為I2應(yīng)用開發(fā)的重要部分。I2的應(yīng)用開發(fā)組認(rèn)為數(shù)字視頻是帶來最廣泛的利益和最廣泛的利用I2能力的應(yīng)用，它可以覆蓋從點播到遠(yuǎn)程的資源控制的應(yīng)用。中國的3Tnet研究計劃中也明確提出要開發(fā)高速網(wǎng)絡(luò)中的流媒體相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)HDTV等視頻應(yīng)用。
在Internet上傳輸視頻有許多困難，其根本的原因在于Internet的無連接每包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制主要為突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計，不適用于對連續(xù)媒體流的傳輸。為了在Internet上有效的、高質(zhì)量的傳輸視頻流，需要多種技術(shù)的支持。本文主要介紹了Internet視頻傳輸中的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括視頻的壓縮、編碼技術(shù)，應(yīng)用層質(zhì)量控制技術(shù)，連續(xù)媒體分布服務(wù)技術(shù)，媒體同步技術(shù)和數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)等。
2、視頻壓縮、編碼技術(shù)
通常的視頻壓縮可以分為可擴(kuò)展（scalable）的壓縮和不可擴(kuò)展(unscalable)的壓縮。其中不可擴(kuò)展的壓縮是指只生成一個位流（bit-stream），而可擴(kuò)展的壓縮生成多個子位流（substream），其中一個位流是基本位流，它可以獨立解碼，輸出粗糙質(zhì)量的視頻序列。其他的子位流則起質(zhì)量增強(qiáng)的作用。所有的子位流一起還原出最好質(zhì)量的視頻序列。相應(yīng)的，僅有部分的子位流（必須包含基本子位流）則輸出的視頻在圖像的質(zhì)量，或者大小或者幀速率上較差。這三個方面構(gòu)成了壓縮在質(zhì)量信噪比（SNR），空間和時間上的擴(kuò)展性編碼。具體的可擴(kuò)展壓縮選擇其中的某一種或幾種實現(xiàn)擴(kuò)展性。為了提供更好的靈活性，滿足不同的延遲要求，一種新的被稱為細(xì)粒度擴(kuò)展性（FGS）的壓縮機(jī)制被提交給MPEG-4。FGS壓縮把視頻壓縮成兩個位流：基本層位流和增強(qiáng)層位流。與SNR擴(kuò)展性的編碼不同，F(xiàn)GS采用bitplane編碼。它可以實現(xiàn)連續(xù)的增強(qiáng)層速率控制。一個FGS編碼的變體是PFGS(Progressive FGS)編碼，除了具有FGS的基本優(yōu)點外，PFGS可以實現(xiàn)超過兩個位流層，具有更好的預(yù)測和錯誤恢復(fù)能力。
在實際系統(tǒng)中已經(jīng)開發(fā)了多種編碼的格式，主要包括rm,wma,asf,divx等。其中Windows Mediaz最新發(fā)布的windows media encoding utility v8.0 beta包含了windows media audio 8（音頻）和windows media video 8（視頻）兩部分壓縮編碼系統(tǒng)。windows media video 8采用了的MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，實現(xiàn)了在500kbps傳送速率下提供接近于dvd質(zhì)量（near－DVD quality）的畫面（分辨率640×480，每秒24幀）。 windows media video 8為電影在線下載觀看做了優(yōu)化，支持true－vbr（真正動態(tài)變量速率編碼）。Real Networks公司最新發(fā)布的real producer 8.5在制作rm文件上采用自己開發(fā)的real g2 codec，它具有很多先進(jìn)的設(shè)計，例如，svt（scalable video technology），雙向編碼（two－encoding）。雙向編碼類似于vbr，它可通過預(yù)先掃描整個影片，根據(jù)帶寬的限制選擇最優(yōu)化壓縮碼率。
3、應(yīng)用層質(zhì)量控制技術(shù)
應(yīng)用層質(zhì)量控制技術(shù)的主要目的是保證在視頻傳輸過程改善質(zhì)量。主要包括擁塞控制和差錯控制等幾方面。采用質(zhì)量控制的原因很多，一個主要的原因是目前的Internet只提供Best-effort的服務(wù)，沒有質(zhì)量保證。因此，需要通過應(yīng)用層的機(jī)制來實現(xiàn)質(zhì)量的控制。擁塞控制的目的是避免因為網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致包丟失而造成的質(zhì)量下降。對于視頻流，擁塞控制的主要方法是速率控制。速率控制的目的是基于預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)帶寬決定發(fā)送的速率。有兩種基本的速率控制手段，基于發(fā)送端的速率控制和基于接受端的速率控制。前者主要基于反饋信息進(jìn)行速率調(diào)節(jié)。可以適用于單播的方式或組播的方式。對于單播的方式，有兩種速率控制方法，基于探測的方法（probe-based）和基于模型的方法（model-based）。基于探測的方法通過不斷調(diào)整速率使得包的丟失率低于一個固定的概率值。基于模型的方法直接利用TCP的吞吐率模型計算速率。因此，模型法也被稱為TCP友好的速率控制方法。對于單通道的組播，只能采用基于探測的方法。在基于接受方的速率控制中，發(fā)送方不參與速率控制，而由接受方通過增加和減少通道的數(shù)量來進(jìn)行速率的調(diào)整。通常，這種方法用于采用可擴(kuò)展編碼的組播的情況，組播的視頻流分為多層，每個層對應(yīng)組播樹的一個通道。接受方通過增加減少通道獲得不同的質(zhì)量。基于接受方的速率控制也可以分為基于探測的方法和基于模型的方法。除了基于發(fā)送方的速率控制和基于接受方的速率控制方法以外，還有一個稱為混合性速率控制的方法，兼有二者的特點，即接受方增加減少通道，而發(fā)送方同時根據(jù)反饋調(diào)整各個通道的速率。混合速率控制方法的一個例子是目標(biāo)集分組的方法。
當(dāng)基于發(fā)送方的速率控制決定了發(fā)送的速率之后，一個必須的操作是調(diào)節(jié)原始的壓縮流的速率以滿足目標(biāo)速率的要求，這通過速率整形來實現(xiàn)。典型的速率調(diào)節(jié)方法根據(jù)編碼的擴(kuò)展性方法來實現(xiàn)。包括：a) 幀丟棄過濾，它可以區(qū)分不同的幀，如MPEG編碼的I幀，B幀，P幀。根據(jù)幀的重要性丟棄幀（先B幀，在P幀，最后I幀）。b) 分層丟棄過濾；c)頻率過濾。
擁塞控制的目的是減少包的丟失，但是無法避免包的丟失。在這種情況下，可能需要一定的差錯控制機(jī)制。差錯控制機(jī)制包括：a) FEC，F(xiàn)EC的目的是通過增加冗余信息使得包丟失后能夠通過其他包恢復(fù)出正確的信息。b)延遲約束的重傳。通常流的播放有時間限制，因此，僅有當(dāng)重傳的時間小于正常的播放時間時，重傳才是有價值的。c)錯誤彈性編碼(Error-Resilient Encoding)：在編碼中通過適當(dāng)?shù)目刂剖沟冒l(fā)生數(shù)據(jù)的丟失后能夠最大限度的減少對質(zhì)量的影響。在Internet環(huán)境下，最典型的方法是多描述編碼（MDC）。MDC把原始的視頻序列壓縮成多位流，每個流對應(yīng)一種描述，都可以提供可接受的視覺質(zhì)量。多個描述結(jié)合起來提供更好的質(zhì)量。該方法的優(yōu)點是實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)丟失的健壯性和增強(qiáng)的質(zhì)量。其缺點是相比單描述編碼（SDC），它在壓縮的效率上受到影響。而且由于在多描述之間必須加入一定的相關(guān)性信息，這進(jìn)一步降低了壓縮的效率。D)錯誤的取消（cancealment）：錯誤的取消是指當(dāng)錯誤已經(jīng)發(fā)生后，接受端通過一定的方法盡量削弱對人的視覺影響。主要的方法是時間和空間的插值（Interpolation）。近年來的研究還包括最大平滑恢復(fù)，運動補(bǔ)償時間預(yù)測等。
在目前的商用流媒體系統(tǒng)中，Real Networks采用了大量的應(yīng)用層質(zhì)量控制技術(shù)來提高流傳輸?shù)馁|(zhì)量。在RealVideo采用了抗損壞（damage-resistant）的編碼來減少包丟失的影響，當(dāng)幀的速率很小的時候，還采用了FEC技術(shù)。RealVideo支持兩種編碼：RealVideo standard和RealVideo fractal。前者可以支持從10k到500k的編碼速率，而且特別為28.8k和56k進(jìn)行了優(yōu)化。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)速率的變化，Real Networks采用了Sure Stream技術(shù)，該技術(shù)可以避免速率使用機(jī)制不能對每個速率進(jìn)行優(yōu)化的缺點。具體的方法是：首先在一個文件中同時存儲用不同速率編碼的媒體流，其次，通過在服務(wù)器和客戶之間監(jiān)測帶寬的變化來動態(tài)的決定使用那個速率的流。這個技術(shù)的主要缺點在于不能適應(yīng)速率的連續(xù)控制。
4、連續(xù)媒體分布服務(wù)
傳統(tǒng)的視頻傳輸基于單一的流媒體服務(wù)器。但是單一的服務(wù)器在性能上是不可擴(kuò)展的，而且傳輸?shù)馁|(zhì)量受底層網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的限制。為了提高傳輸?shù)男阅埽幸恍┘夹g(shù)來改進(jìn)流傳輸?shù)馁|(zhì)量。連續(xù)媒體分布服務(wù)（continous media distribution services）的目的是在Internet 盡力服務(wù)（Best-effort）的基礎(chǔ)上提供服務(wù)質(zhì)量和高效的媒體傳輸。典型的方法包括：
網(wǎng)絡(luò)過濾（Network Filtering），網(wǎng)絡(luò)過濾的基本方法是在流的發(fā)送端和接受端之間的某個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上插入一個網(wǎng)絡(luò)過濾器，該過濾器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)實現(xiàn)速率的整形。和發(fā)送端的速率整形不同的是，網(wǎng)絡(luò)過濾在流媒體傳輸?shù)穆窂缴蠄?zhí)行，因此，速率整形可以在擁塞點進(jìn)行，這樣可以提高速率控制的效率和擁塞控制的響應(yīng)時間。而且可以在網(wǎng)絡(luò)中放置多個過濾設(shè)備實現(xiàn)更好的控制。網(wǎng)絡(luò)過濾通常采用丟幀過濾器（frame-dropping filter）。
應(yīng)用層組播（Application-Level Multicast）：基于IP層的組播技術(shù)盡管經(jīng)過了多年的研究，但是在實施上還有困難。主要的問題包括擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)管理，實施和高層應(yīng)用的支持。應(yīng)用層的組播的目標(biāo)是在Internet上層構(gòu)建組播服務(wù)。它允許建立獨立的媒體組播網(wǎng)絡(luò)。媒體組播網(wǎng)絡(luò)可以利用內(nèi)容分布網(wǎng)絡(luò)的互連，通過在不同種類的服務(wù)提供者之間的應(yīng)用層的對等關(guān)系來構(gòu)建。在媒體組播網(wǎng)絡(luò)中，每個具有組播能力的節(jié)點（稱為媒體橋：MediaBridge）執(zhí)行應(yīng)用層的路由。另外，每個媒體橋和一個或多個鄰居媒體橋通過明確的配置互連，這個互連建立了應(yīng)用層重疊拓?fù)洹Ｃ襟w橋在媒體組播網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行一個分布的應(yīng)用層組播路由算法來確定一條優(yōu)化的虛擬組播路徑。應(yīng)用層組播的優(yōu)點是打破了IP組播的一些障礙。可以以更靈活的方式實現(xiàn)組播控制。
內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)（CDN）：CDN可以在總流量增加的情況下提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅芎头⻊?wù)質(zhì)量，并且在一個快速變化的環(huán)境下可以為用戶保持最新的內(nèi)容。內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)還可以支持靈活的分布式應(yīng)用。由于這些特性，內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)可以用來傳遞流媒體內(nèi)容。一個內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)主要包括以下一個部分：Caching和內(nèi)容傳遞，內(nèi)容的分布和管理，請求路由，記賬和計費。Caching服務(wù)器存儲經(jīng)常請求的對象為用戶提供更快和更容易的傳遞。Caching和內(nèi)容傳遞是CDN的主要功能。共有三種內(nèi)容的Caching服務(wù)器：轉(zhuǎn)發(fā)代理（Forward Proxy），透明轉(zhuǎn)發(fā)（Transparent Forward），反向代理（Reverse Proxy）。內(nèi)容的分布和管理技術(shù)把內(nèi)容從源服務(wù)器分布到CDN的cache，即內(nèi)容可以通過一定的策略提前傳送或者推送到CDN節(jié)點。內(nèi)容分布策略對CDN的優(yōu)化起關(guān)鍵的作用。請求路由技術(shù)包括全局范圍內(nèi)的內(nèi)容重定向，同一個CDN網(wǎng)絡(luò)中的Cache服務(wù)器的負(fù)載均衡。有三種典型的技術(shù)實現(xiàn)請求路由，包括：使用動態(tài)DNS的全局請求路由，在傳輸層的全局請求路由，在應(yīng)用層的全局請求路由。
目前，Real Networks和Microsoft都提供了基于Caching/Proxy的解決方案，例如Real Networks的RealSystem Proxy。RealSystem Proxy通過一個和服務(wù)器的向后的通道（back channel）保持caching內(nèi)容的完整性。
5、媒體同步控制
在某些流媒體應(yīng)用中，視頻流和其它形式的媒體流需要以同步的方式來集成到一起。例如遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)中，描述學(xué)習(xí)內(nèi)容的幻燈片需要和教師授課的音頻或視頻流同步。通常有三種類型的同步控制：流內(nèi)（intra-stream）同步，流間（inter-stream）同步，對象間（inter-object）同步。媒體同步機(jī)制的核心是在媒體內(nèi)或者媒體間說明時間關(guān)系。說明時間關(guān)系的方法包括基于間隔的方法，基于軸的方法，基于控制流的方法和基于時間的方法。常用的說明連續(xù)媒體的說明方法是軸的說明或時間戳。對與終端系統(tǒng)而言，同步機(jī)制包括阻止（preventive）機(jī)制和糾正（corrective）機(jī)制。前者是主要通過減小延遲和抖動來減少同步錯誤，而后者主要是在發(fā)生同步錯誤之后恢復(fù)同步。考慮到Internet傳輸?shù)难舆t隨機(jī)性，同步錯誤是不可避免的。因此，在接受方的錯誤補(bǔ)償是必須的。一個糾正的機(jī)制是采用流同步協(xié)議（Stream synchronization protocol），該協(xié)議使用期望延遲（Intentional delay）的概念在不同的媒體流之間調(diào)整表述時間以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)延遲的變化。
同步多媒體集成語言（SMIL：Synchronized Multimedia Integration Language）是由3W(World Wide Web Consortium)組織規(guī)定的多媒體操縱語言。可以實現(xiàn)多個流和文本信息在播放時的時間同步控制和空間位置布置。通過SMIL還可以實現(xiàn)一定的用戶交互功能。
6、數(shù)字版權(quán)管理（DRM）
DRM是保護(hù)多媒體內(nèi)容免受未經(jīng)授權(quán)的播放和復(fù)制的一種方法。它為內(nèi)容提供者保護(hù)他們的私有音樂或其他數(shù)據(jù)免受非法復(fù)制和使用提供了一種手段。DRM技術(shù)通過對數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行加密和附加使用規(guī)則對數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，其中，使用規(guī)則可以斷定用戶是否符合播放數(shù)字內(nèi)容的條件。使用規(guī)則一般可以防止內(nèi)容被復(fù)制或者限制內(nèi)容的播放次數(shù)。操作系統(tǒng)和多媒體中間件負(fù)責(zé)強(qiáng)制實行這些規(guī)則。
目前，Microsoft提供了完整的DRM的解決方案，包括實現(xiàn)DRM的體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)二次開發(fā)的SDK。微軟的DRM方案中采用軟件加密，速度可以達(dá)到10M/s，采用采用RC4, DES, 3DES對稱加密算法加密數(shù)字內(nèi)容，采用非對稱算法RSA、ECC進(jìn)行身份驗證和加密內(nèi)容加密密鑰。
7．結(jié)束語
目前，基于Internet視頻傳輸?shù)牧髅襟w應(yīng)用和業(yè)務(wù)在國內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。各種應(yīng)用，包括視頻會議、視頻點播、Internet電視、遠(yuǎn)程教學(xué)等都在逐步推廣。在Internet中傳輸視頻的各項技術(shù)也得到了越來越多的應(yīng)用，并不斷發(fā)展。可以預(yù)計，基于視頻傳輸?shù)膶拵Я髅襟w應(yīng)用必將成為未來的Internet的主流應(yīng)用之一。
中國電信(www.chinatelecom.com.cn)
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