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移動流媒體技術及其應用發(fā)展方向

2005-06-13 00:00:00   作者:   來源:   評論:0 點擊:




  流媒體(Streaming Media)的出現改變了這種狀況。它不需要下載整個文件就可以在向播放器傳輸的過程中一邊下載一邊播放,實現了在網上點播或觀看電影、電視的夢想,F在,以"流"的形式進行數字媒體的傳送,使人們一定的帶寬環(huán)境下就可以在線欣賞到連續(xù)不斷的高品質音頻和視頻節(jié)目。在互聯網大發(fā)展的時代,流媒體技術的產生和發(fā)展必然會給我們的日常生活和工作帶來深遠的影響。專家預言,流媒體將成為未來因特網上應用的主流,實現溝通和傳播的多向性使傳播不再受時間和空間的限制。
  所謂流媒體是指用戶通過網絡或者特定數字信道邊下載邊播放多媒體數據的一種工作方式。流媒體應用的一個最大的好處是用戶不需要花費很長時間將多媒體數據全部下載到本地后才能播放,而僅需將起始幾秒的數據先下載到本地的緩沖區(qū)中就可以開始播放,后面收到的數據會源源不斷輸入到該緩沖區(qū),從而維持播放的連續(xù)性,因此流媒體播放器通常只是在開始時有一些時延。流媒體系統(tǒng)要比下載播放系統(tǒng)復雜得多,所以需要將多媒體的編解碼和傳輸技術很好地結合在一起,才能確保用戶在復雜的網絡環(huán)境下也能得到較穩(wěn)定的播放質量。
  多媒體數據在傳輸前必須要先經過編碼器有效地壓縮成碼流,以減少對網絡資源的占用率。目前常用的視頻編碼器有MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.263、H.264、Window Media視頻編碼器和Real System視頻編碼器等;編碼器有MP3、MPEG AAC、Window Media 音頻編碼器和AMR等;圖像編碼器有JPEG和JPEG2000等。多媒體編碼器所生成的碼流只包含了解碼該碼流所必需的信息,它不包含媒體間的同步、隨機訪問等系統(tǒng)信息,因此編碼后的多媒體數據還要被組織成為具有特定系統(tǒng)格式的多媒體文件用于流媒體傳輸或者是存入磁盤中,目前常用的文件格式有MPEG-2系統(tǒng),MP4,微軟公司的ASF,Real的文件格式,QuickTime的文件格式以及用于3G無線服務的3GPP和3GPP2等等。
  當流媒體在實時應用中(如現場流媒體廣播),根據當前的網絡狀況和用戶的終端參數,多媒體數據是一邊被編碼一邊被流媒體服務器傳輸給用戶。而在其他的非實時應用中,多媒體數據可以被事先編碼生成多媒體文件,存儲在磁盤陣列中。當提供多媒體服務時,流媒體服務器直接讀取這些文件傳輸給用戶,這樣服務方式對設備的要求較低。目前許多流媒體服務屬于后一種方式,這樣就要求流媒體服務器具有一定的機制來適應網絡狀況和用戶設備。
  目前碼流自適應這一模塊主要采用的方法有:將多媒體文件中的視頻碼流轉換為一個特定碼率和圖像尺寸的碼流;或者把同一段視頻內容編碼生成多個具有不同碼率和圖像尺寸的碼流,然后自適應選擇一個最合適的碼流傳輸給用戶。生成的碼流還需要進一步打包成為特定網絡傳輸協議的數據包用于網絡傳輸,由于現在許多網絡并不能保證傳輸的數據能夠及時并完全正確地被用戶收到,傳輸的數據包可能需要加前向糾錯編碼(FEC)來保護,經過這些處理后多媒體數據就可以通過網絡傳輸給用戶,目前常用的傳輸協議有RTP/RTCP、HTTP和MMS。
  用戶收到傳輸的數據后,如果存在丟包或者是比特出錯,錯誤恢復處理會根據附加的糾錯數據來恢復傳輸錯誤。如果還不能恢復傳輸錯誤,用戶端可以向服務器發(fā)出重傳請求,在解碼開始前重新傳輸丟失的包;謴秃蟮亩嗝襟w數據將由解碼器解碼得到重構的多媒體數據,由于容錯保護和數據重傳可能不能恢復所有的錯誤數據,錯誤掩藏模塊可以利用重構的多媒體數據的相關性來掩蓋這些錯誤,最后這些數據就播放給用戶。
  通常流媒體系統(tǒng)中的服務器和用戶間并不是單向通信,如前面提到的重傳請求。事實上,用戶端會傳遞給服務器許多反饋信息,如終端設備的能力和網絡連接速度會傳給服務器的碼流自適應模塊來調整碼流,在實時應用中這些信息還可能傳給編碼器;用戶端的丟包率、數據包收到的時間信息和用戶緩沖區(qū)狀態(tài)等信息也會傳遞給服務器來估計當前的網絡狀況,從而控制碼流的自適應和數據的發(fā)送策略。從上面的描述來看,實際上流媒體系統(tǒng)在多媒體信息處理中是一個非常復雜的系統(tǒng),目前市面上主要的產品有微軟公司的Windows Media, Real公司的Real System和蘋果公司的QuickTime,其中Windows Media系統(tǒng)的市場占有率最大。

二、流媒體的關鍵技術
  實現流媒體的關鍵技術是流式傳輸。流式傳輸的定義很廣泛,主要是指通過網絡傳送媒體(如視頻、音頻)的技術總稱。
流式傳輸分為順序流式傳輸和實時流式傳輸:
  順序流式傳輸采用順序下載方式,在下載文件的同時用戶可觀看在線節(jié)目,在給定時刻,用戶只能觀看已下載的那部分,而不能跳到還未下載的部分,這種方式不像實時流式傳輸那樣,可以在傳輸期間根據用戶連接的速度進行調整。順序流式傳輸不適合長片段和有隨機訪問要求的視頻節(jié)目,如講座、演說和演示等,它也不支持現場廣播。嚴格地說,它是一種點播技術。
  實時流式傳輸可保證媒體信號帶寬與網絡連接匹配,可實時觀看節(jié)目。實時流與HTTP流式傳輸不同,它需要專用的流媒體服務器與傳輸協議。實時流式傳輸總是實時傳送,特別適合現場事件,也支持隨機訪問,用戶可對觀看內容進行快進或后退。理論上,實時流一經播放就不可停止,但可進行周期暫停。
  流式傳輸模式一般會使用RTP/UDP、RTSP/TCP兩種通信協議與A/V(Audio/Video)Server建立聯系,將服務器的輸出重定向到一個運行A/V Player程序所在客戶機的目的地址。如圖1所示,流式傳輸系統(tǒng)一般都要配置一套專用的服務器和播放器。

圖1 流式傳輸基本原理

移動流媒體的傳輸協議:



  移動流媒體業(yè)務的開展給移動增值服務帶來了新的希望,2.5G、3G以及超3G無線網絡的發(fā)展也使得流媒體技術可以被用到無線終端設備上,目前中國聯通公司提供CDMA 1x,用戶網絡帶寬最多可以達到100kbit/s,這已經足夠提供QCIF大小的流媒體服務;而且隨著3G無線網絡的應用,用戶的網絡帶寬可以達到384kbit/s。另一方面,手機設備運算能力越來越強,存儲空間越來越大,不用說SMART Phone和Pocket PC等高端手機,就是一般的中檔手機,如Nokia 6610,也能實現基本的H.264的軟件解碼。

  面向無線網絡的流媒體應用對當前的編碼和傳輸技術提出了更大的挑戰(zhàn),首先,相對于有線網絡而言,無線網絡狀況更不穩(wěn)定,除去網絡流量所造成的傳輸速率的波動外,手持設備的移動速度和所在位置也會嚴重地影響到傳輸速率,因此高效的可自適應的編碼技術至關重要。其次,無線信道的環(huán)境也要比有線信道惡劣的多,數據的誤碼率也要高許多,而高壓縮的碼流對傳輸錯誤非常敏感,還會造成錯誤向后面的圖像擴散,因此無線流媒體在信源和信道編碼上需要很好的容錯技術。在移動流媒體業(yè)務的發(fā)展過程中,存在如下問題:

(1) 無線網絡帶寬窄,干擾嚴重
  CDMA1X與GPRS分別作為當前中國聯通與中國移動的主流2.5G無線網絡技術,網絡傳輸帶寬較之以前有了很大的提高,但仍然十分有限。CDMA1X在理論峰值情況下下載傳輸速率達到144kbps,但實際情況下,穩(wěn)定的傳輸速率通常在70kbps左右。GRPS在理論上可以達到115kbps,但實際情況下,穩(wěn)定的傳輸速率通常在20kbps左右。并且隨著使用用戶的增加,網絡的性能將會進一步下降。另外無線網絡的干擾嚴重,導致網絡傳輸的誤碼的可能性大大增加。

(2) 移動終端處理能力低,內存容量小
  雖然目前國內市場上基于ARM9或是與此同等能力的芯片的高端手機已經越來越多,但由于手機中低端用戶基數龐大而帶來的巨大的市場商機,使得各個終端廠家對中低端用戶尤為重視。因此目前占市場份額最多的、主流的手機仍然采用的是ARM7系列的芯片,處理能力在幾十個MIPS左右。

  目前移動終端的內存容量通常也比較有限。市場上主流的BREW手機預留給應用程序的動態(tài)內存通常在700KB左右;基于J2ME的手機預留給應用程序的動態(tài)分配的內存通常在64KB或128KB;基于Symbian/Linux/Windows Mobile等高端手機預留給應用程序的動態(tài)分配的內存在1-4MB左右。

(3) 終端系統(tǒng)平臺、LCD多樣化
  相對于PC的平臺而言,移動終端的系統(tǒng)平臺多樣化更加明顯,常見的系統(tǒng)平臺有Symbian、Linux、Windows Mobile、Palm OS以及一些私有平臺。移動終端系統(tǒng)多樣化在很長的一段時間內將會繼續(xù)存在。為了提供一個統(tǒng)一的手機應用程序運行環(huán)境,J2ME與BREW應運而生。但不同的廠家對J2ME與BREW的支持通常都存在差異。平臺的多樣化加上LCD大小不一,使得實現適應多種移動終端的應用程序難度非常大。

(4) 移動終端的電池能源有限
  盡管手機設備的運算能力越來越強,但是由于它是由電池供電的,因此編解碼處理不能太復雜,并且最好能夠根據用戶設備的電池來調整流媒體的接收和處理,能源管理技術也是移動流媒體的一個研究熱點。

作者供稿 CTI論壇編輯

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