一、 流媒體系統及其發展趨勢

 

　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，從而維持播放的連續性，因此流媒體播放器通常只是在開始時有一些時延。流媒體系統要比下載播放系統復雜得多，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境下也能得到較穩定的播放質量。

 

　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；音頻編碼器有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，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。

 

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　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出重傳請求，在解碼開始前重新傳輸丟失的包。恢復后的多媒體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狀態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送策略。從上面的描述來看，實際上流媒體系統在多媒體信息處理中是一個非常復雜的系統，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系統的市場占有率最大。

 

　這篇文章主要集中討論流媒體的發展趨勢和出現的新的服務和技術。早期的流媒體系統常用在互聯網上傳輸一些低質量的多媒體信息，但是隨著網絡技術的發展，一些高質量的流媒體應用已經開始出現，如IPTV將向用戶傳輸標清甚至高清的電視節目。另外，隨著無線網絡和各種各樣手持設備的出現，無線流媒體的應用也變得越來越重要。并且由于很多現代家庭中既有高端的PC和電視，又有多種功能的手機，PDA，便攜式媒體播放器，流媒體也將在家庭娛樂和數據共享上一顯身手。針對這些應用的需求，流媒體技術本身也在迅速地變革和發展，例如利用一些高效的編碼技術和傳輸技術提高流媒體系統性能；發展新的標準擴展流媒體技術到各種不同的網絡和設備；在流媒體系統中增加更多的新功能來滿足應用的需要。

 

 

二、 流媒體新服務

 

　本章將討論流媒體系統的一些新的應用和服務。

　1. IPTV

　據國際電信聯盟ITU在2004年9月的一份報告指出，全球的寬帶用戶已經在去年底首度突破 1億大關，其中中國電信的寬帶用戶就超過了1千萬，用戶的主要接入方式是ADSL和以太網線，其實際的連接速率可以達到1Mbit/s。而且隨著高性能的編碼技術的采用，如H.264和最新的Windows Media視頻編碼器，800kbit/s的視頻流就可以接近或達到DVD質量。

 

 

 

　在這種情況下，擴展流媒體技術用來提供電視服務也就順理成章了。IPTV，也叫交互式網絡電視，就是利用流媒體技術通過寬帶網絡傳輸數字電視信號給用戶，這種應用有效地將電視、電訊和PC三個領域結合在一起，具有很強的發展前景。IPTV可以采用兩種不同的方式提供用戶電視服務，組播或者廣播方式和視頻點播（VOD）方式。一個明顯的優勢是IPTV是基于現在互聯網的方式來實現服務器和用戶終端的連接，因此很容易同時提供現有的互聯網的服務，將電視服務和互聯網瀏覽，電子郵件，以及多種在線信息咨詢、娛樂、教育及商務功能結合在一起。

 

 

　2. 無線流媒體

 

 

　2.5G、3G以及超3G無線網絡的發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，首先，相對于有線網絡而言，無線網絡狀況更不穩定，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。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。

 

　3. 電子家庭

 

 

　現代家庭中的越來越多的設備可以用來采集，接收，發送和播放多媒體數據。如人們可以通過電視來收看電視節目，通過PC機在互聯網上欣賞流媒體節目，通過自己的數字相機和攝像機來拍攝圖像和視頻，通過手機和其他手持設備來發送彩信，通過汽車的音響系統來欣賞音樂和廣播。并且家庭中的網絡連接也是多樣化的，如電視連接有線電視網，PC機連接著互聯網，手機連接著無線網絡，而且這些設備也能在家里通過藍牙或者802.11無線網連接在一起。

 

　所有這些設備所收到的多媒體數據如何在家庭網絡和設備間共享，為流媒體的發展提供了一個更大的舞臺，真正實現一種無所不在、隨心所至的多媒體服務，讓多媒體真正地像液體一樣自由流動起來。流媒體在家庭網絡應用中的關鍵是如何使多媒體數據能夠適應不同的設備的能力，如在電視和PC機中播放的視頻的大小可能是標清甚至是高清，但是同樣的內容就可能需要經過流媒體系統有效的轉換才能成為最適合在手持設備上播放的媒體。

 

三、 流媒體新技術

　這章我們將討論高效的視頻編碼、可伸縮的視頻編碼和P2P技術，它們都能極大地改進當前流媒體系統的性能。

 

　1. 高效的編碼技術

 

　流媒體系統中的多媒體數據要通過網絡來傳輸給用戶，高效的編碼技術可以極大地降低流媒體系統對網絡帶寬的要求。目前標準化和商業化的視頻編碼技術都是基于運動補償和DCT變換的，從早期的MPEG-1和H.261，到最新的MPEG-4 AVC/H.264和Windows Media視頻編碼器都采用了這個框架。在這個框架中，運動估計和補償模塊用來消除相鄰圖像間的冗余信息，熵編碼模塊用來消除編碼信號的冗余性，變換量化模塊根據人的視覺系統對視頻信號的細微變化的不敏感性丟失部分信息，從而提高壓縮比。

 

 

 

　在這個編碼框架下，過去十多年的時間內編碼技術取得了很大的發展，事實上，最新MPEG-4 AVC/H.264標準的編碼效率要比MPEG-1提高了4倍左右，除去更精細的運動補償和基于上下文的熵編碼外，幀內預測，多參考幀的預測，環路濾波和率失真優化技術也極大地提高了該標準的性能。

 

　2. 可伸縮性編碼技術

 

　在前面兩章中我們也討論過，在流媒體應用中需要解決的一個基本問題是網絡帶寬的波動，不同的人在不同的時刻使用互聯網和無線網絡時，得到的數據傳輸率存在著很大的差異；甚至同一個人在同一個時刻，哪怕是在傳輸同一個視頻流，實際的數據傳輸率也會存在較大的波動。目前在流媒體系統中所用的編碼技術都是生成固定碼率的碼流，它們很難適應如此復雜的網絡帶寬的波動。一個有效的方法是采用可伸縮性的視頻編碼，MPEG-4和H.263標準中就包含了分層的可伸縮性的視頻編碼，它們提供一定的適應網絡帶寬變化的能力，但是在流媒體應用中人們更期望視頻編碼技術能提供精細的碼流可伸縮性，MPEG-4 FGS就是一種這樣的編碼技術，目前MPEG-21可伸縮視頻編碼組正在研究兩套編碼方案：高效的FGS編碼方案和3D小波編碼方案。

 

　3. 多媒體標準技術

　多媒體編碼標準在流媒體里是至關重要的。一方面標準的制定和執行確保不同廠家和服務商之間可以互通互聯，另一方面標準里的知識產權也是商家必爭之處。掌握了標準里的知識產權，在競爭的時候就有很大的主動權。所以很多商家乃至政府部門都在全力推出自己的知識產權到各種國際標準里去，甚至打造自己的產業或國家標準。

 

　4. 對等網絡技術（P2P）

　　P2P是當前互聯網上較熱門的技術，已應用到網絡文件共享和Napster的MP3下載。其基本思想是通過P2P技術，除了和服務器外，每個用戶可以共享他的文件或信息給其他用戶。

 

　P2P技術也可以應用到流媒體，每個流媒體用戶也是一個P2P中的一個節點，在目前的流媒體系統中用戶之間是沒有任何聯系的，但是采用P2P技術后，用戶可以根據他們的網絡狀態和設備能力與一個或幾個用戶建立連接來分享數據，這種連接能減少服務器的負擔和提高每個用戶的視頻質量。P2P技術在流媒體應用中特別適用于一些熱門事件，即使是大量的用戶同時訪問流媒體服務器，也不會造成服務器因負載過重而癱瘓。此外，對于多人的多媒體實時通信，P2P技術也會對網絡狀況和音視頻質量帶來很大改進。

 

　P2P技術如果與可伸縮性視頻編碼技術結合將能極大地提高每個用戶所接收的視頻質量。由于可伸縮性碼流的可加性，媒體數據不用全部傳輸給每個用戶，而是把它們分散傳輸給每個用戶，再通過用戶間的連接，每個用戶就可以得到合在一起的媒體數據。即使每個用戶與服務器的連接帶寬是有限的，應用P2P技術，每個用戶依然可以通過流媒體系統享受高質量的多媒體服務。

 

四、結束語

　流媒體的發展正處在一個醞釀著突變的階段。無論從應用、服務和技術，都將會產生一系列重大的突破。在流媒體的領域里，重點不應是只放在幾個孤立的關鍵技術上，而是應該把流媒體當作一個系統工程，編碼、傳輸、分享、網絡以及設備都是互相聯系的一個整體。怎么能在這樣一個系統里，最有效地將流媒體以一種最適合用戶終端設備的形式傳送給用戶，并且不增加服務器和網絡負擔，可能是能否在流媒體領域的競爭中立于不敗之地的根本。