流媒體傳輸技術(shù)綜述

王艷華

摘要：流媒體技術(shù)是一種“邊下載，邊播放”的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸是流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。該文對(duì)比分析了流媒體的主要傳輸技術(shù)，對(duì)自適應(yīng)流媒體傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述和討論，展望了自適應(yīng)流媒體傳輸技術(shù)的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：流媒體；傳輸技術(shù)；動(dòng)態(tài)自適應(yīng)；DASH

中圖分類(lèi)號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）28-0232-02

1 背景

流媒體技術(shù)是[1]指流媒體服務(wù)器按照一定的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，把連續(xù)影像和聲音信息封裝成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的媒體數(shù)據(jù)包，向客戶(hù)端連續(xù)、實(shí)時(shí)地發(fā)送；客戶(hù)端創(chuàng)建并且維護(hù)一個(gè)緩沖區(qū)，一邊將收到的媒體數(shù)據(jù)包放入緩沖區(qū)，一邊讀取緩沖區(qū)內(nèi)的媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行播放，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，流媒體技術(shù)就是一種“邊下載，邊播放”的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。流媒體技術(shù)克服了傳統(tǒng)媒體傳輸與播放的諸多弊端，滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)網(wǎng)上高質(zhì)量多媒體信息的需要，被廣泛應(yīng)用于廣電直播、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育、互聯(lián)網(wǎng)直播、視頻會(huì)議和航空探測(cè)等領(lǐng)域。

2 流媒體傳輸技術(shù)的發(fā)展

流媒體技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、壓縮、編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)器和緩存等方面的技術(shù)，涵蓋計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。流媒體的傳輸技術(shù)直接影響著用戶(hù)的體驗(yàn)效果，因此，一直是流媒體技術(shù)研究的重點(diǎn)。

2.1 面向連接的實(shí)時(shí)流媒體技術(shù)

面向連接的實(shí)時(shí)流媒體技術(shù)（Realtime Streaming）采用特定的流媒體視頻服務(wù)器存儲(chǔ)多媒體視頻文件，收到客戶(hù)端的通信請(qǐng)求后，服務(wù)器便通過(guò)特定協(xié)議將媒體文件實(shí)時(shí)傳輸，用戶(hù)可以通過(guò)客戶(hù)端的專(zhuān)用播放器進(jìn)行播放。RTP/RTCP、RTSP和RTMP均屬于實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)傳輸速度與網(wǎng)絡(luò)連接匹配，實(shí)時(shí)性較好，支持隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)，適用于點(diǎn)播和直播。缺點(diǎn)是該技術(shù)需要專(zhuān)用的流媒體服務(wù)器和傳輸協(xié)議，這些協(xié)議會(huì)遭到大多數(shù)防火墻的攔截，系統(tǒng)的安裝配置較復(fù)雜，容易因網(wǎng)絡(luò)擁塞而導(dǎo)致視頻質(zhì)量不穩(wěn)定。

2.2 無(wú)連接的順序流媒體技術(shù)

順序流式傳輸又被稱(chēng)作漸進(jìn)式傳輸（Progessive Steaming），媒體文件按照先后次序傳輸?shù)娇蛻?hù)端，完成下載的部分能馬上被播放，無(wú)需要等媒體文件完成全部下載完成。該技術(shù)采用更為通用的 HTTP 或 FTP 服務(wù)器，所以能穿透常規(guī)設(shè)置的防火墻，傳輸僅需要一個(gè)普通的web服務(wù)器，客戶(hù)端只需安裝播放器便可以播放流媒體視頻，省去了高額的部署安裝和維護(hù)費(fèi)用。缺點(diǎn)是只能用于點(diǎn)播，不支持直播功能，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬較小時(shí)，媒體播放會(huì)出現(xiàn)時(shí)延或停頓；另外，該技術(shù)中用戶(hù)能隨意拷貝下載緩存在客戶(hù)端的視頻文件到其他地方播放，使文件內(nèi)容的缺乏保護(hù)機(jī)制。

2.3 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流媒體技術(shù)

動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流媒體技術(shù)DASH（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP）采用HTTP協(xié)議，媒體文件被轉(zhuǎn)換成不同的碼率等級(jí)儲(chǔ)存起來(lái)，并對(duì)這些碼率不同的媒體文件進(jìn)行切片處理，分割成一定時(shí)間間隔的片段，網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播時(shí)，服務(wù)器能響應(yīng)客戶(hù)端的網(wǎng)絡(luò)帶寬和設(shè)備情況，自動(dòng)轉(zhuǎn)換合適碼率的視頻，保障了用戶(hù)觀看視頻的流暢性，提高了用戶(hù)觀看效果。DASH擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，既有順序流式傳輸?shù)膶?shí)用性，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播、直播功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)加密，保護(hù)了發(fā)布者的版權(quán)，同時(shí)又具有實(shí)時(shí)流式傳輸?shù)撵`活性，支持HTTP視頻傳輸協(xié)議所支持的功能，支持 NAT穿越和防火墻，簡(jiǎn)化了安裝和部署，使客戶(hù)端的開(kāi)發(fā)效率更高。并且，DASH支持服務(wù)器故障保護(hù)，并能據(jù)帶寬資源的情況切換視屏碼率，保障了視屏的穩(wěn)定性，提高了用戶(hù)的視頻觀看體驗(yàn)。目前，DASH由于其顯著的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)被廣泛使用，得到了各大公司和國(guó)際組織所認(rèn)可。

3 自適應(yīng)流媒體傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 研究現(xiàn)狀

DASH三大主流陣營(yíng)分別是Microsoft 、Apple和Adobe公司，分別提出了Microsoft IIS Smooth Streaming、Apple HTTP Live Streamin和Adobe HTTP Dynamic Streaming系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理基本相似，但媒體文件格式及索引文件格式各不相同，播放器互不兼容。2010年，DASH標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始制定，2011年發(fā)布Draft版本，2012年發(fā)布MPEG-DASH 標(biāo)準(zhǔn)的第一版，2014年發(fā)布了第二版。2015年MPEG LA開(kāi)始征集對(duì)HTTP上的MPEG-DASH標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要的專(zhuān)利。DASH的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程解決了不同供應(yīng)商所提供的終端設(shè)備與后臺(tái)服務(wù)器之間的互通相容性問(wèn)題，大力推動(dòng)了流媒體技術(shù)的發(fā)展。

碼率切換算法一直是DASH技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，因?yàn)樗惴ǖ暮脡臎Q定了視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量和用戶(hù)的體驗(yàn)效果。國(guó)外對(duì)DASH的研究起步較早，積累了一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。Chenghao Liu等提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)帶寬的碼率切換算法[2]，該算法根據(jù)切片獲取時(shí)間和切片時(shí)間長(zhǎng)度的比值結(jié)合一些閾值來(lái)進(jìn)行碼率自適應(yīng)切換，隨后他們又結(jié)合CDN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)碼率切換算法又進(jìn)行了優(yōu)化[3]。Luca De Cicco等提出了基于緩存的碼率自適應(yīng)切換算法[4]，為之后的基于緩存的碼率切換算法做出了指引。國(guó)內(nèi)研究起步較晚，但近幾年越來(lái)越多機(jī)構(gòu)和研究者開(kāi)始關(guān)注DASH算法研究。陳立偉等提出一種基于HTTP流化的自適應(yīng)碼率混合控制算法[5]， 顯著提升視頻碼率切換的穩(wěn)定性和緩存利用率。張新有等提出一種基于人眼對(duì)比敏感度特征的碼率選擇算法[6]，在確保視頻效果前提下能夠有效節(jié)約帶寬。熊麗榮等提出一種綜合考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬和緩存狀態(tài)的混合碼率自適應(yīng)算法[7]，使緩存區(qū)數(shù)據(jù)量處于均衡范圍和提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。上述研究表明，隨著流媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)對(duì)DASH的關(guān)注越來(lái)越多，也逐漸積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，集中表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是如何節(jié)約帶寬資源，提高網(wǎng)絡(luò)利用率；二是結(jié)合其他信息技術(shù)手段相結(jié)合，提高傳輸穩(wěn)定性，增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)效果。endprint

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨著網(wǎng)絡(luò)寬帶和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)媒體信息的需求日益增加，這些因素都促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)視頻用戶(hù)規(guī)模的快速增長(zhǎng)。中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心 （CNNIC） 2017年發(fā)布的《第40次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》[8]，截至2017年6月，中國(guó)網(wǎng)絡(luò)視頻用戶(hù)規(guī)模達(dá)5.65億，網(wǎng)絡(luò)視頻用戶(hù)使用率為75.2%，我國(guó)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到7.51億，網(wǎng)民中使用手機(jī)上網(wǎng)的比例占96.3%。目前的移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)具備了播放高清視頻的技術(shù)條件，所以手機(jī)上網(wǎng)比例持續(xù)提升，但由于移動(dòng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)帶寬不穩(wěn)定、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源有限、多客戶(hù)端競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)帶寬、碼率切換較不穩(wěn)定等因素嚴(yán)重影響用戶(hù)體驗(yàn)。因此，滿(mǎn)足人們期望獲得更快速、更高清、更流暢的媒體服務(wù)體驗(yàn)已成為流媒體技術(shù)的研究重點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適合移動(dòng)設(shè)備的碼率自適應(yīng)機(jī)制以及用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量的傳輸技術(shù)具有重要的意義。針對(duì)DASH的研究將主要將集中在以下幾方面：HTTP 實(shí)時(shí)流、DASH算法、DASH標(biāo)準(zhǔn)視頻格式、DASH視頻質(zhì)量研究及視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫對(duì)接等方面。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)設(shè)備和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都處于迅猛發(fā)展的階段，流媒體技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到我們生活的各個(gè)方面。由于移動(dòng)設(shè)備具有方便、實(shí)時(shí)、快捷等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多人將移動(dòng)設(shè)備作為獲取媒體信息的主要方式。移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較傳統(tǒng)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)說(shuō)，具有更多的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，對(duì)傳輸技術(shù)有更高要求。因此，加深對(duì)DASH的研究，不斷改進(jìn)和提高傳輸技術(shù)，對(duì)促進(jìn)流媒技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值與意義。

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