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宽带IP网视频点播结构简述

发布日期：2007-3-22 23:11:51 作者：未知出处：helixapp

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如何增加磁盘的存取（access）速度，如何防止数据因磁盘的故障而失落及如何有效的利用磁盘空间，一直是电脑专业人员和用户的困忧；而大容量磁盘的价格非常昂贵，对用户形成很大的负担。磁盘阵列技术的产生一举解决了这些问题。
过去十年来，CPU的处理速度几乎是几何级数的跃升，内存（memory）的存取速度亦大幅增加多媒体技术的普及给Internet和Intranet提出了更高的发展要求。现有的宽带IP网是以宽带技术为基础、提供多层次服务、支持端到端多媒体应用的信息服务网络。几乎所有现有的宽带IP网都提供了一种称为VOD的视频点播服务，本文将对该技术及结构作简要叙述。
1.视频点播与网上直播
视频点播（VOD：Video On Demand）是指能在用户需要时提供视频服务的业务。传统提供视频服务的系统是电视，所谓视频点播，简单地说是一种受观众控制的电视，传统的电视是按事先安排的程序播放做好的节目，作为一个电视观众观看电视节目是被动的，而视频点播用户则不同，他们可以坐在电视机或多媒体计算机前，在可能的条件下选择自己所喜欢的电影、电视和新闻等节目，这些节目都是事先做好并存放在一个很大的节目库中的。也就是说，用户在选择和观看节目方面是主动的。
视频点播使得观众与电视之间具有了交互性。观众和电视的交互分为“节目内（Intraprogram）”和“节目间（Interprogram）”交互。节目内交互式电视也称全交互型电视，它对用户的请求作出应答并即时地传递给用户，传递的信息内容包括视频、图像、语音、文字和数据。节目间交互式电视即是狭义的视频点播，观众可根据自己的需要选择不同的节目，在选定某个新的节目后，只需等待很短的时间（通常为几秒到几分钟），点播人还可以进行停止、快进、倒放等操作，就像使用录像机一样。
视频点播是基于数字网络的一种服务。网络结构中的多媒体数据以实时数据流的形式传输，与传统的文件数据不同，多媒体数据流一旦开始传输，就必须以稳定的速率传送到桌面电脑上，以保证其平滑地回放。视频、音频数据流都不能有停滞和间断，任何由网络拥堵、CPU争用或磁盘的I/O瓶颈产生的系统或网络停滞都可能导致传送的延迟，引起数据流传输阻塞。因此，视频点播应具有以下特征：
①平滑、无停顿和无抖动的音频、视频数据流
②综合各种文字、图片、声音、视频信息
③查询方法简便、快捷
④具有快速的响应速度
⑤多媒体信息展示的界面简洁、明了、切合实际需要
视频点播与传统电视存在许多本质的不同，其中主要的一点是传统电视中的信息是模拟信号，而点播电视系统中的信息是数字化的，也正因为如此，才使得对节目的编辑更加方便并使“交互性”成为可能。
为使上述成为可能，在视频点播系统中：
流式实时传输协议（RTSP）用于保证在限定的流数范围内，用户收看、点播视频节目互相不受干扰。
新一代的Real Audio提供近乎CD的音质，Real Video提供在高速比特率传输下以每秒30帧方式满屏显示。
Real System 7.0提供开放式的流式插件支持，运用Mpeg插件可以使多种格式文件（Mpeg-1、2）以流式点播的方式实现。该系统不仅可以用作点播方式，还可以通过视频捕获卡的实时压缩进行网上直播。
新一代网络传输协议IP Multicasting能够提供登录验证和跟踪功能的后台多点广播或非后台可标度的多重广播以单一媒体方式向成千上万的人广播。当用户数目远远超过预定的额度，使用IP Multicasting可以让所有用户在同一时刻实时收看广播节目。
视频捕获卡可以将录像带、VCD或其他方式的模拟信号转制成数字视频信号。要求其文件格式为Mpeg-1、2，Avi，Mov，或通过Real Producer压缩成RM格式。Real Server的管理可以从任何支持Java的浏览器上实现控制、构成和监督。Real Server中集成的Lariat报告软件使用集成化、图形化的报告来察看每个广播流的进展及观众的人数统计。使用Java功能监控，管理员可以监控包括：客户播放器、实时制作媒体的媒体制作者等的连接，以及CPU，内存，带宽使用和被访问的顶级媒体文件。
2. 视频点播涉及技术
视频点播的实现涉及到许多方面的技术。首先是信息的获取和预处理，包括对模拟信息的采样和数字化。其次，数据的压缩和解压缩。因为数字化后的音频和视频对应着的数据量是巨大的，为了便于对其进行存储、传输和处理，必须进行数据压缩。最后是数据的存储和传输。点播电视中面对的是声、文、图等综合信息。传统的信息传输方式是比较单一的。比如电话只能传输声音，传真只能传输文本，而点播电视需要有一种完整的传输机制能够保证高质量地传输声、文、图等综合信息。
因此视频点播的产生是多媒体技术和网络技术发展而迅速兴起的一门综合技术，主要包括了数字化技术、压缩技术、计算机技术和网络技术。
①数字化技术
在视频点播系统中，制作好的节目都放在节目库中，节目库实际上是视频存储器，我们知道，存储器只能用来保存数值（更确切地说只能保存二进制数），所以要把节目保存到存储器中，首先应把声音和图像转换成数字形式，这种技术被称为音频、视频数字化技术。
②压缩技术
说到压缩技术，必须强调一下视频点播中数据压缩的必要性。假设不使用压缩，一个标准的个人电脑上的80兆硬盘空间只可存储约8分钟的具有CD品质的立体声，或约3.5秒钟的电视广播品质的运动视频。而压缩后一张CD ROM可以存储72分钟的高保真的音乐。在数据传输，立体声的CD品质的声音如果不压缩的话，要求网络以1.5Mbps的恒定速率传送比特流。对于PAL品质的数字运动视频，当不压缩时则需要160Mbps的带宽。这种高带宽的要求对于广域网建设来说是不可能接受的。
并且进行数据压缩也是可行的。这是因为在原始信息中往往存在大量冗余，比如电视图像内相邻像素之间及前后帧之间存在很大的空域和时域相关性。另一方面，在多媒体系统的应用领域，人是信息的主要接收者，人的视觉系统对于图像的亮度敏感，对边缘急剧变化和色差信息不敏感。根据这一特性，可以实现高比例压缩，并且能够使恢复后的图像信号仍有满意的主观质量。
多媒体技术的核心不是媒体的展示技术而是多媒体数据的压缩技术。多媒体数据压缩技术研究的主要问题包括：数据压缩比、压缩／解压缩速度以及简捷的算法。以压缩／解压缩后的数据是否与压缩前的原始数据完全一致作为标准，可以把数据压缩方法划分为无失真压缩（可逆压缩）和失真压缩（不可逆压缩）两类。主要的视频压缩标准有H.261、JPEG和MPEG等。MPEG标准是一种在高压缩比的情况下，仍能保证高质量画面的压缩算法，最适于视频VOD的存储、点播和网上传输。MPEG已经不单是一种技术，它已经成为一种工业标准，促进了多媒体有关技术的发展，对于VOD这样的应用系统的产生和发展具有重要作用。在VOD应用中主要将采用MPEG压缩标准中的MPEG-１（1.5Mbps）及MPEG-２（3Mbps）标准。 MPEG-１标准形成的画面质量相当于VCD、录像等效果，而MPEG-２标准形成的画面质量则等同于广播电视品质的效果。
③计算机技术
计算机技术包括视频服务器技术和多媒体计算机（MPC）。
视频点播系统需要通过一个存储和检索系统进行点播电视服务，这个设备被称作视频服务器。视频服务器是点播电视系统中最重要的组成部分，也是最贵重的设备。由于运动图像和高速信息流传输需要大量存储空间，因而视频服务器和其它计算机服务器相比有着显著不同的特点。视频服务器最大的特点是要求数据流的平稳性，视频流希望能以精确的每秒29.97帧传输，速度过大、过小或出现延迟都将影响视频效果，而不像一般计算机网络服务器那样希望尽可能快地进行数据传输。视频服务器能较好地满足这一要求，并具有良好的交互性、可靠性及可扩展性。
为满足多媒体方面的需要，多媒体计算机至少应满足以下条件：Pentium MMX 166以上的CPU、32M的存储器（RAM）、500M字节的磁盘存储（硬盘）、一个以传送速度是1.2M字节进行操作的CD-ROM驱动器。一个像素为640%26#215;480和16bit色的图形显示器、一个具有16位采样频率的A/D和D/A转换的声卡、扬声器或耳机以及一个MIDI接口。
④网络技术
网络技术则包括高速骨干网和接入网。
3. 视频点播系统组成
视频点播系统由VOD视频信息中心、VOD用户终端及宽带网络三个部分组成。
VOD视频信息中心由视频服务器与MPEG Encoder工作站构成，视频服务器以100M快速以太网的方式通过交换机接入IP骨干网，视频服务器用于存储视频数据的同时为用户提供视频点播服务。MPEG Encoder则用于视频节目的编码，此编码器可将视频信号转化为多种标准的压缩的数字信号，如MPEG-1或MPEG-2标准并可即时通过以太网将压缩好的视频数据文件传递到视频服务器上。
宽带网络包括高速骨干网和用户接入网，视频点播用户主要将采用局域网接入方式。
4.视频点播实施策略
实际用于视频点播方案实施的网络服务主要有TVOD和NVOD。
TVOD方案（纯视频点播）
从技术角度上讲，VOD业务是一种“拉”模式网络服务业务。“拉”模式是对服务内容的传送方式而言的。由用户提出要求并需要从业务提供商那里得到服务。首先用户决定在业务提供商提供的所有节目源中选择什么，什么时候看；其次根据需要进行检索；最后才进行选择。“拉”模式传送的主要特点是：业务提供商在下行方向采用固定的，将事先确定的格式传送数据到用户。在“拉”模式环境下，理论上没有两个观众在同一时刻观赏同一部电影。因而，不同的数据流连接被不同的用户分别建立起来，每一个用户对应一个单独的连接，每个连接需要占用一定的网络带宽。
NVOD（准视频点播）
“准视频点播”是一种视频点播的代替业务，采用这种技术，业务提供商可每隔一段时间开始播放同一部电影，例如15分钟一次，而相同的内容提供不多的同个频道线路。业务提供商必须决定什么时候开始播放电影及播放在那个频道上。观众可以选择同频道线路中的任意一路，这实际上是在某一特定时间段内的电影广播。如果用户需要“倒回”功能，可以切换到比他当前频道晚15分钟播放的频道，需要“快进”功能时切换到比当前频道早15分钟的频道即可。显然，这种方式不能给用户提供精确的“倒回”与“快进”功能，但这种技术的主要目的是减少用户连接，从而减少网络带宽与费用。从技术角度上来讲，符合“推”模式的定义：业务提供商将数据媒体流送到用户，而不是用户从服务器上把数据“拉”下来。与VOD相比，在用户端产生的硬件费用是一样的，但物理的服务器和网络的价格要便宜得多。
为保证服务质量，VOD服务器需要进行分布式的设计方案。根据用户对日后的业务的需求不同，对用户群进行合理的估计并划分。在用户群较集中的区域，连接到某一台服务器中，其它用户连接到其它服务器中。服务器之间采用高带宽连接，并采用复制技术，将中心制作完成的节目发送到分前端的服务器中，供分前端的用户访问。
实行分前端的VOD系统结构，用户数的增加不至于使系统陷入瘫痪状态，VOD可将一部分的用户点播需求分担给前端系统，从而保证系统和网络能够承载一定数量的用户的应用需求。
在工程实施中，必须选择合适的VOD系统结构模式来构建广电的VOD应用服务，在实际的运营过程中，业务提供商可以根据业务规模及用户的数量选择推出哪种服务。
附：
1.MPEG-1、2 Plug-in的优势
在Real Server的基本功能上，每个媒体传输流可以从28kbps-300kbps，并以用户端自适应的方式连接。（我们可以通过Real Producer的压缩方式得到。）使用了MPEG-1 Plug-in，每个媒体传输流可以从300kbps-5Mbps，我们从Real Player的连接情况可以清楚地观察到每个媒体传输流已经达到1.5Mbps。若使用了MPEG-2 Plug-in，则每个媒体传输流可以达到15Mbps。
2.RealServer的运转在其自身必须占用的可用内存基础上，每1kbps数据流还要占12k的内存，所以在固定了媒体传输流的速率的基础上，在使用最大流数时还必须备以相应的内存量。其所需内存的计算公式如下表：
3.Real Server所需带宽需求可通过“每kbps数据速率%26#215;最大流数”得出：


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