摘要：本文介绍了一个基于MPEG-4的在线直播系统的设计方案，并对其组成模块做了详细的分析。通过分析流媒体直播系统的功能要求和技术特点，给出了具体实现方案原理图，最后详细描述了设计中的遇到的问题和采用的关键技术。
关键词: MPEG-4 流媒体 直播 速率反馈

1 前言
    随着互联网技术的飞速发展，网上视频点播和视频直播成为越来越来热门的话题。尤其是通过在线直播技术，可以使用户实时的看到千里之外正在发生的事情，这种技术的优点是传统的文字或者语音传送方式所无法比拟的。这种实时直播所遇到的最大障碍是现有的网络条件难以满足这么大数据量的实时传输。因此有必要采用有效的压缩手段对需要传送的媒体信息进行压缩。为了缓解这一问题，国际运动图象专家组推出了MPEG-4图象压缩标准。MPEG-4作为新一代多媒体技术标准，它不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。这个标准主要应用于视像电话、视像电子邮件等，可以在范围比较宽的网络条件下传输。
    在线直播系统中，由于需要传送的都是正在发生的事情，因此无法预先制作好完整的多媒体文件供传输，只能一边采集图象，然后经压缩处理后立刻通过网络传输给用户播放。这就需要采用流式传输技术。流式传输方式是将动画、视音频等多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，由视频服务器向用户计算机连续、实时传送。在采用流式传输方式的系统中，用户不必像非流式播放那样等到整个文件全部下载完毕后才能看到当中的内容，而是只需经过几秒或几十秒的启动延时即可在用户的计算机上利用相应的播放器或其它的硬件、软件对压缩的动画、视音频等流式多媒体文件解压后进行播放和观看，多媒体文件的剩余部分将在后台的服务器内继续下载。

2 流媒体技术原理
       流媒体的英文全称是Streaming Media，它是一种可以使音频、视频和其它多媒体能在Internet及Intranet上以实时的、无需下载等待的方式进行播放的技术。流媒体技术实现时，充分考虑到了网络条件的多样性与不稳定性，因此接收流媒体的播发端都采用了缓存技术。即将收到的从不同路由是时间来的数据包，重新排序后交给播放端。以此保证播放时媒体数据能够稳定流畅的供给，防止由于网络传输的原因而导致图象延迟和抖动。  通常高速缓存所需容量并不大， 因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据：新收到的数据循环存放在该环形链表中，已经播放过的的数据则不断被覆盖。
    流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP/TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器启动A/VHelper程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对Helper程序初始化。这些参数可能包括目录信息、A/V数据的编码类型或与A/V检索相关的服务器地址。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP/TCP来传输控制信息，而用RTP/UDP来传输实时声音数据。其传输原理图如图一。
 图 一

3 系统设计框架
      一个完整的流媒体直播系统由三个部分组成：视频采集编码部分、网络传输部分、用户终端。其中视频采集编码部分包括一套视频采集设备和编码设备，如摄像机、视频采集卡等。多媒体图象经采集过来的图象一般为YUV图象，其没有经过压缩，也称原始图象，其占用空间较大。为了保证这些多媒体信息能够在有限的网络带宽上传输，因此需要先将其编码压缩。第一步是进行MPEG-4编码。与MPEG-1和MPEG-2视频标准的功能相较之下，除了传统的数字视频编译码的功能之外，MPEG-4更具备了许多引人注目的功能，包括有以对象内容为基础的视频对象存取、以场景内容为基础的可升级性、视频存取、纠错能力等等。MPEG-4视频标准不仅可以提供一个更具压缩效率的新多媒体信息传输标准，同时也可以达成更好的交互性、全方位存取以及强劲的纠错能力。编码出来的数据，尽管位速率约为MPEG-2视带大小的十分之一，但是播放的质量几乎没有改变。第二步就是要将这些标准的MPEG-4数据进行打包，加入网络控制信息，采用实时传输协议(RTP/RTCP)，以便可以的网络上流畅的传输。网络传输部分由流媒体服务器和传输线路组成，流媒体服务器负责路由选择和数据转发，内容分发网络也是通过流媒体服务器实现。最后终端部分就是将收到的流媒体数据解码播放。由于目前MPEG-4标准体系虽然完整广泛，但此标准之部份相关技术尚处开发阶段。因此其编码算法改进的地方还很多，为了保证系统的灵活性，解码模块由软件实现，可随时依市场需求形势而改版更新。整个系统完整的原理图如图二。

4、核心技术的实现方法
4．1 基于MPEG-4的压缩编码技术
    由于流媒体不需要等整个媒体下载完了才播放，而是在网络上边下载边播放。这就要求在有限的网络带宽上实时、有效地完成数据传输。这就对流媒体编码和压缩技术提出了比较高的要求。首先是压缩效率。压缩效率要求在保证一定音/视频质量的前提下，媒体流的码流速率尽量低。其次是编码的冗余性和可靠性。与普通的多媒体文件压缩/编码不同的是，流媒体文件需要在网络上实时传输，因此必须考虑传输中数据丢失对解码质量的影响。但纯的采用mpeg4格式的压缩比固然比较高，但其数据的冗余性不高，为了解决这个问题，需采用一些先进的编码技术：
    （1）、错误弹性编码(Error-Resilient Encoding)：在编码中通过适当的控制使得发生数据丢失后能够最大限度地减少对质量的影响
    （2）、多描述编码（MDC）。MDC把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应一种描述，可以单独提供可接受的视觉质量。多个描述结合起来提供最好的质量。
    （3）、可扩展的层次编码，可扩展的层次编码生成多个子位流（Substream），其中有一个位流是基本位流，它可以独立解码，输出粗糙质量的视频序列，其他的子位流则起质量增强的作用，所有的子位流一起还原出最好质量的视频序列。当仅有部分的子位流（必须包含基本子位流）则输出的视频在图像的质量或者图像的分辨率、图像播放的帧速率上较差。当网络速率变化时，可以通过减少子位流的输出来降低码流的速率，从而在网络带宽减少时客户端也能正确解码，只是图形质量差一些而已。
事实上编码与压缩是一对矛盾体。采用这些先进的编码方法优点是实现了对数据丢失的健壮性和增强的质量。其缺点是加入一定的冗余信息，相比单纯的mpeg4格式，其压缩的效率更低。
4．2 流媒体的传输协议
    流媒体数据传输时，都是通过RTP/RTCP协议来完成。RTP（Real-time Transport Protocol）是用于Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP通常使用UDP来传送数据，但RTP也可以在TCP或ATM等其他协议之上工作。当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口：一个给RTP，一个给RTCP。RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。实时传输控制协议RTCP。RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务。在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。
RTP提供端对端网络传输功能，适合通过组播和点播传送实时数据，如视频、音频和仿真数据。RTCP执行下列几个功能：提供数据发布的质量反馈，是作为RTP传输协议的一部分，与其他传输协议的流和阻塞控制有关，反馈对自适应编码控制直接起作用；其次控制发送端数据码率，通过记录发送端发包的数量以记录发包速率。此外还可以传送最小连接控制和功能识别信息，如参加者辨识等。RTP与RTCP被设计成独立传输和网络层。
4．3 流媒体传输质量控制技术
    传输质量控制技术对流媒体性能的有重要的影响作用。流媒体的传输对网络带宽、延迟、丢失率等都有很高的要求，而基于无连接的包交换IP网络对带宽资源和服务质量的控制能力都比较弱，因此，在IP网络上进行流媒体传输需要采用一些应用层的质量控制机制来解决传输中的问题。采用了以下几个方法：
    （1）、速率反馈机制，利用媒体流的层次编码能力，在媒体服务器端增加一个监控网络带宽的装置，实时的为服务器反馈当前网络的带宽情况。媒体服务器端根据反馈的信息动态地调节流媒体的传输速率，保证客户端在网络可用带宽变化的时候也能够正常地收看流媒体内容。速率适应机制附以差错控制和冗余控制能够有效地保证流媒体的正常收看。目前流媒体的主流产品都具备应用层的速率适应能力。
    （2）、内容分发网络（CDN），CDN是一个采用内容分发技术，具有高扩展性与大容量的网络，通过高效率的内容全球分发与管理技术，将网站的内容发布到最接近用户的网络"边缘"，使用户可以就近取得所需的内容，加快用户访问的速度。
    （3）、拥塞控制机制，通过前两种方法的使用，可以在一定程度上预防和避免网络拥塞，但在现实环境中，网络的拥塞是不可避免的。拥塞控制的目的是避免因为网络拥塞导致包丢失而造成的质量下降。发生拥塞时，可根据编码的扩展性方法来调节速率。这时，MPEG-4分层编码的作用就体现出来了，服务器端有选择的丢弃增强层的编码，以缓解网络的拥塞状况。

5、结束语
     随着经济和科技的发展，人们对信息的要求越来越来趋向于直观、清晰、完整。传统的文件、电话、电报已不能满足用户的需求了。而流媒体技术的发展为人们快捷方便地获取多媒体信息提供了一种有效地途径。目前通过网络实现在线直播已经应用到越来越多的领域中，从实时新闻报道、远程视频会议到商业谈判等等。目前网络视频传输已成为“信息高速公路”的主体业务，可见其发展潜力和发展前途都是巨大。

参考文献：
1 http://www.mpeg.org  国际运动图象专家组网站
2 刘富强等《数字视频监控系统开发及应用》，北京：机械工业出版社，2003
3 钟玉琢 蔡莲红 等 《多媒体计算机技术基础及应用》，北京：高等教育出版社，1999
4 张丽 《流媒体技术大全》，北京，中国青年出版社，2001
5 钟玉琢 向哲 沈宏 《流媒体和视频服务器》，北京，清华大学出版社，2003