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(zhù)Internet帶寬的不斷增長(cháng)，基于流媒體（stream media）傳輸的視頻應用得到了迅速的發(fā)展。在Internet上傳輸視頻的相關(guān)技術(shù)也成為Internet節研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。目前，許多實(shí)驗性的高速寬帶網(wǎng)絡(luò )都把視頻傳輸的技術(shù)和應用作為研究的重點(diǎn)課題。美國的Internet 2（I2）研究計劃中成立了數字視頻研究組（Digital Video Initiative）作為I2應用開(kāi)發(fā)的重要部分。I2的應用開(kāi)發(fā)組認為數字視頻是帶來(lái)最廣泛的利益和最廣泛的利用I2能力的應用，它可以覆蓋從點(diǎn)播到遠程的資源控制的應用。中國的3Tnet研究計劃中也明確提出要開(kāi)發(fā)高速網(wǎng)絡(luò )中的流媒體相關(guān)技術(shù)，實(shí)現HDTV等視頻應用。
在Internet上傳輸視頻有許多困難，其根本的原因在于Internet的無(wú)連接每包轉發(fā)機制主要為突發(fā)性的數據傳輸設計，不適用于對連續媒體流的傳輸。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)，應用層質(zhì)量控制技術(shù)，連續媒體分布服務(wù)技術(shù)，媒體同步技術(shù)和數字版權管理技術(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展（scalable）的壓縮和不可擴展(unscalable)的壓縮。其中不可擴展的壓縮是指只生成一個(gè)位流（bit-stream），而可擴展的壓縮生成多個(gè)子位流（substream），其中一個(gè)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(gè)方面構成了壓縮在質(zhì)量信噪比（SNR），空間和時(shí)間上的擴展性編碼。具體的可擴展壓縮選擇其中的某一種或幾種實(shí)現擴展性。為了提供更好的靈活性，滿(mǎn)足不同的延遲要求，一種新的被稱(chēng)為細粒度擴展性（FGS）的壓縮機制被提交給MPEG-4。FGS壓縮把視頻壓縮成兩個(gè)位流：基本層位流和增強層位流。與SNR擴展性的編碼不同，FGS采用bitplane編碼。它可以實(shí)現連續的增強層速率控制。一個(gè)FGS編碼的變體是PFGS(Progressive FGS)編碼，除了具有FGS的基本優(yōu)點(diǎn)外，PFGS可以實(shí)現超過(guò)兩個(gè)位流層，具有更好的預測和錯誤恢復能力。
在實(shí)際系統中已經(jīng)開(kāi)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。windows media video 8采用了的MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，實(shí)現了在500kbps傳送速率下提供接近于dvd質(zhì)量（near－DVD quality）的畫(huà)面（分辨率640×480，每秒24幀）。 windows media video 8為電影在線(xiàn)下載觀(guān)看做了優(yōu)化，支持true－vbr（真正動(dòng)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(kāi)發(fā)的real g2 codec，它具有很多先進(jìn)的設計，例如，svt（scalable video technology），雙向編碼（two－encoding）。雙向編碼類(lèi)似于vbr，它可通過(guò)預先掃描整個(gè)影片，根據帶寬的限制選擇最優(yōu)化壓縮碼率。
3、應用層質(zhì)量控制技術(shù)
應用層質(zhì)量控制技術(shù)的主要目的是保證在視頻傳輸過(guò)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(gè)主要的原因是目前的Internet只提供Best-effort的服務(wù)，沒(méi)有質(zhì)量保證。因此，需要通過(guò)應用層的機制來(lái)實(shí)現質(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)行速率調節。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(guò)不斷調整速率使得包的丟失率低于一個(gè)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(chēng)為T(mén)CP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(guò)增加和減少通道的數量來(lái)進(jìn)行速率的調整。通常，這種方法用于采用可擴展編碼的組播的情況，組播的視頻流分為多層，每個(gè)層對應組播樹(shù)的一個(gè)通道。接受方通過(guò)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(gè)稱(chēng)為混合性速率控制的方法，兼有二者的特點(diǎn)，即接受方增加減少通道，而發(fā)送方同時(shí)根據反饋調整各個(gè)通道的速率。混合速率控制方法的一個(gè)例子是目標集分組的方法。
當基于發(fā)送方的速率控制決定了發(fā)送的速率之后，一個(gè)必須的操作是調節原始的壓縮流的速率以滿(mǎn)足目標速率的要求，這通過(guò)速率整形來(lái)實(shí)現。典型的速率調節方法根據編碼的擴展性方法來(lái)實(shí)現。包括：a) 幀丟棄過(guò)濾，它可以區分不同的幀，如MPEG編碼的I幀，B幀，P幀。根據幀的重要性丟棄幀（先B幀，在P幀，最后I幀）。b) 分層丟棄過(guò)濾；c)頻率過(guò)濾。
擁塞控制的目的是減少包的丟失，但是無(wú)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制。差錯控制機制包括：a) FEC，FEC的目的是通過(guò)增加冗余信息使得包丟失后能夠通過(guò)其他包恢復出正確的信息。b)延遲約束的重傳。通常流的播放有時(shí)間限制，因此，僅有當重傳的時(shí)間小于正常的播放時(shí)間時(shí)，重傳才是有價(jià)值的。c)錯誤彈性編碼(Error-Resilient Encoding)：在編碼中通過(guò)適當的控制使得發(fā)生數據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(gè)流對應一種描述，都可以提供可接受的視覺(jué)質(zhì)量。多個(gè)描述結合起來(lái)提供更好的質(zhì)量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現了對數據丟失的健壯性和增強的質(zhì)量。其缺點(diǎn)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）：錯誤的取消是指當錯誤已經(jīng)發(fā)生后，接受端通過(guò)一定的方法盡量削弱對人的視覺(jué)影響。主要的方法是時(shí)間和空間的插值（Interpolation）。近年來(lái)的研究還包括最大平滑恢復，運動(dòng)補償時(shí)間預測等。
在目前的商用流媒體系統中，Real Networks采用了大量的應用層質(zhì)量控制技術(shù)來(lái)提高流傳輸的質(zhì)量。在RealVideo采用了抗損壞（damage-resistant）的編碼來(lái)減少包丟失的影響，當幀的速率很小的時(shí)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制不能對每個(gè)速率進(jìn)行優(yōu)化的缺點(diǎn)。具體的方法是：首先在一個(gè)文件中同時(shí)存儲用不同速率編碼的媒體流，其次，通過(guò)在服務(wù)器和客戶(hù)之間監測帶寬的變化來(lái)動(dòng)態(tài)的決定使用那個(gè)速率的流。這個(gè)技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于不能適應速率的連續控制。
4、連續媒體分布服務(wù)
傳統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展的，而且傳輸的質(zhì)量受底層網(wǎng)絡(luò )傳輸質(zhì)量的限制。為了提高傳輸的性能，有一些技術(shù)來(lái)改進(jìn)流傳輸的質(zhì)量。連續媒體分布服務(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(guò)濾（Network Filtering），網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾的基本方法是在流的發(fā)送端和接受端之間的某個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備上插入一個(gè)網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾器，該過(guò)濾器根據網(wǎng)絡(luò )的擁塞狀態(tài)實(shí)現速率的整形。和發(fā)送端的速率整形不同的是，網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾在流媒體傳輸的路徑上執行，因此，速率整形可以在擁塞點(diǎn)進(jìn)行，這樣可以提高速率控制的效率和擁塞控制的響應時(shí)間。而且可以在網(wǎng)絡(luò )中放置多個(gè)過(guò)濾設備實(shí)現更好的控制。網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾通常采用丟幀過(guò)濾器（frame-dropping filter）。
應用層組播（Application-Level Multicast）：基于IP層的組播技術(shù)盡管經(jīng)過(guò)了多年的研究，但是在實(shí)施上還有困難。主要的問(wèn)題包括擴展性，網(wǎng)絡(luò )管理，實(shí)施和高層應用的支持。應用層的組播的目標是在Internet上層構建組播服務(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 )可以利用內容分布網(wǎng)絡(luò )的互連，通過(guò)在不同種類(lèi)的服務(wù)提供者之間的應用層的對等關(guān)系來(lái)構建。在媒體組播網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)具有組播能力的節點(diǎn)（稱(chēng)為媒體橋：MediaBridge）執行應用層的路由。另外，每個(gè)媒體橋和一個(gè)或多個(gè)鄰居媒體橋通過(guò)明確的配置互連，這個(gè)互連建立了應用層重疊拓撲。媒體橋在媒體組播網(wǎng)絡(luò )中執行一個(gè)分布的應用層組播路由算法來(lái)確定一條優(yōu)化的虛擬組播路徑。應用層組播的優(yōu)點(diǎn)是打破了IP組播的一些障礙。可以以更靈活的方式實(shí)現組播控制。
內容傳遞網(wǎng)絡(luò )（CDN）：CDN可以在總流量增加的情況下提高網(wǎng)絡(luò )傳輸的性能和服務(wù)質(zhì)量，并且在一個(gè)快速變化的環(huán)境下可以為用戶(hù)保持最新的內容。內容傳遞網(wǎng)絡(luò )還可以支持靈活的分布式應用。由于這些特性，內容傳遞網(wǎng)絡(luò )可以用來(lái)傳遞流媒體內容。一個(gè)內容傳遞網(wǎng)絡(luò )主要包括以下一個(gè)部分：Caching和內容傳遞，內容的分布和管理，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(hù)提供更快和更容易的傳遞。Caching和內容傳遞是CDN的主要功能。共有三種內容的Caching服務(wù)器：轉發(fā)代理（Forward Proxy），透明轉發(fā)（Transparent Forward），反向代理（Reverse Proxy）。內容的分布和管理技術(shù)把內容從源服務(wù)器分布到CDN的cache，即內容可以通過(guò)一定的策略提前傳送或者推送到CDN節點(diǎn)。內容分布策略對CDN的優(yōu)化起關(guān)鍵的作用。請求路由技術(shù)包括全局范圍內的內容重定向，同一個(gè)CDN網(wǎng)絡(luò )中的Cache服務(wù)器的負載均衡。有三種典型的技術(shù)實(shí)現請求路由，包括：使用動(dòng)態(tài)DNS的全局請求路由，在傳輸層的全局請求路由，在應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(guò)一個(gè)和服務(wù)器的向后的通道（back channel）保持caching內容的完整性。
5、媒體同步控制
在某些流媒體應用中，視頻流和其它形式的媒體流需要以同步的方式來(lái)集成到一起。例如遠程學(xué)習中，描述學(xué)習內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(lèi)型的同步控制：流內（intra-stream）同步，流間（inter-stream）同步，對象間（inter-object）同步。媒體同步機制的核心是在媒體內或者媒體間說(shuō)明時(shí)間關(guān)系。說(shuō)明時(shí)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(shí)間的方法。常用的說(shuō)明連續媒體的說(shuō)明方法是軸的說(shuō)明或時(shí)間戳。對與終端系統而言，同步機制包括阻止（preventive）機制和糾正（corrective）機制。前者是主要通過(guò)減小延遲和抖動(dòng)來(lái)減少同步錯誤，而后者主要是在發(fā)生同步錯誤之后恢復同步。考慮到Internet傳輸的延遲隨機性，同步錯誤是不可避免的。因此，在接受方的錯誤補償是必須的。一個(gè)糾正的機制是采用流同步協(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整表述時(shí)間以恢復網(wǎng)絡(luò )延遲的變化。
同步多媒體集成語(yǔ)言（SMIL：Synchronized Multimedia Integration Language）是由3W(World Wide Web Consortium)組織規定的多媒體操縱語(yǔ)言。可以實(shí)現多個(gè)流和文本信息在播放時(shí)的時(shí)間同步控制和空間位置布置。通過(guò)SMIL還可以實(shí)現一定的用戶(hù)交互功能。
6、數字版權管理（DRM）
DRM是保護多媒體內容免受未經(jīng)授權的播放和復制的一種方法。它為內容提供者保護他們的私有音樂(lè )或其他數據免受非法復制和使用提供了一種手段。DRM技術(shù)通過(guò)對數字內容進(jìn)行加密和附加使用規則對數字內容進(jìn)行保護，其中，使用規則可以斷定用戶(hù)是否符合播放數字內容的條件。使用規則一般可以防止內容被復制或者限制內容的播放次數。操作系統和多媒體中間件負責強制實(shí)行這些規則。
目前，Microsoft提供了完整的DRM的解決方案，包括實(shí)現DRM的體系結構和實(shí)現二次開(kāi)發(fā)的SDK。微軟的DRM方案中采用軟件加密，速度可以達到10M/s，采用采用RC4, DES, 3DES對稱(chēng)加密算法加密數字內容，采用非對稱(chēng)算法RSA、ECC進(jìn)行身份驗證和加密內容加密密鑰。
7．結束語(yǔ)
目前，基于Internet視頻傳輸的流媒體應用和業(yè)務(wù)在國內得到了迅速的發(fā)展。各種應用，包括視頻會(huì )議、視頻點(diǎn)播、Internet電視、遠程教學(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(lái)越多的應用，并不斷發(fā)展。可以預計，基于視頻傳輸的寬帶流媒體應用必將成為未來(lái)的Internet的主流應用之一。
中國電信(www.chinatelecom.com.cn)
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