流媒體傳輸技術綜述

王艷華

摘要：流媒體技術是一種“邊下載，邊播放”的網絡傳輸技術，網絡傳輸是流媒體技術實現的關鍵。該文對比分析了流媒體的主要傳輸技術，對自適應流媒體傳輸技術的研究現狀進行了綜述和討論，展望了自適應流媒體傳輸技術的研究重點和發展趨勢。

關鍵詞：流媒體；傳輸技術；動態自適應；DASH

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0232-02

1 背景

流媒體技術是[1]指流媒體服務器按照一定的實時傳輸協議，把連續影像和聲音信息封裝成一個個獨立的媒體數據包，向客戶端連續、實時地發送；客戶端創建并且維護一個緩沖區，一邊將收到的媒體數據包放入緩沖區，一邊讀取緩沖區內的媒體數據進行播放，簡單來說，流媒體技術就是一種“邊下載，邊播放”的網絡傳輸技術。流媒體技術克服了傳統媒體傳輸與播放的諸多弊端，滿足了用戶對網上高質量多媒體信息的需要，被廣泛應用于廣電直播、網絡遠程教育、互聯網直播、視頻會議和航空探測等領域。

2 流媒體傳輸技術的發展

流媒體技術包括數據采集、壓縮、編碼、網絡傳輸、服務器和緩存等方面的技術，涵蓋計算機和網絡領域。流媒體的傳輸技術直接影響著用戶的體驗效果，因此，一直是流媒體技術研究的重點。

2.1 面向連接的實時流媒體技術

面向連接的實時流媒體技術（Realtime Streaming）采用特定的流媒體視頻服務器存儲多媒體視頻文件，收到客戶端的通信請求后，服務器便通過特定協議將媒體文件實時傳輸，用戶可以通過客戶端的專用播放器進行播放。RTP/RTCP、RTSP和RTMP均屬于實時流式傳輸協議。該技術的優點是信號傳輸速度與網絡連接匹配，實時性較好，支持隨機訪問，適用于點播和直播。缺點是該技術需要專用的流媒體服務器和傳輸協議，這些協議會遭到大多數防火墻的攔截，系統的安裝配置較復雜，容易因網絡擁塞而導致視頻質量不穩定。

2.2 無連接的順序流媒體技術

順序流式傳輸又被稱作漸進式傳輸（Progessive Steaming），媒體文件按照先后次序傳輸到客戶端，完成下載的部分能馬上被播放，無需要等媒體文件完成全部下載完成。該技術采用更為通用的 HTTP 或 FTP 服務器，所以能穿透常規設置的防火墻，傳輸僅需要一個普通的web服務器，客戶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費用。缺點是只能用于點播，不支持直播功能，并且當網絡帶寬較小時，媒體播放會出現時延或停頓；另外，該技術中用戶能隨意拷貝下載緩存在客戶端的視頻文件到其他地方播放，使文件內容的缺乏保護機制。

2.3 動態自適應流媒體技術

動態自適應流媒體技術DASH（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP）采用HTTP協議，媒體文件被轉換成不同的碼率等級儲存起來，并對這些碼率不同的媒體文件進行切片處理，分割成一定時間間隔的片段，網絡點播時，服務器能響應客戶端的網絡帶寬和設備情況，自動轉換合適碼率的視頻，保障了用戶觀看視頻的流暢性，提高了用戶觀看效果。DASH擁有諸多優點，既有順序流式傳輸的實用性，能實現點播、直播功能，支持數據加密，保護了發布者的版權，同時又具有實時流式傳輸的靈活性，支持HTTP視頻傳輸協議所支持的功能，支持 NAT穿越和防火墻，簡化了安裝和部署，使客戶端的開發效率更高。并且，DASH支持服務器故障保護，并能據帶寬資源的情況切換視屏碼率，保障了視屏的穩定性，提高了用戶的視頻觀看體驗。目前，DASH由于其顯著的優勢已經作為標準被廣泛使用，得到了各大公司和國際組織所認可。

3 自適應流媒體傳輸技術的研究現狀及發展趨勢

3.1 研究現狀

DASH三大主流陣營分別是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。這些系統的實現原理基本相似，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標準開始制定，2011年發布Draft版本，2012年發布MPEG-DASH 標準的第一版，2014年發布了第二版。2015年MPEG LA開始征集對HTTP上的MPEG-DASH標準至關重要的專利。DASH的標準化進程解決了不同供應商所提供的終端設備與后臺服務器之間的互通相容性問題，大力推動了流媒體技術的發展。

碼率切換算法一直是DASH技術研究的熱點問題，因為算法的好壞決定了視頻傳輸的質量和用戶的體驗效果。國外對DASH的研究起步較早，積累了一定的技術和經驗。Chenghao Liu等提出了一種基于網絡帶寬的碼率切換算法[2]，該算法根據切片獲取時間和切片時間長度的比值結合一些閾值來進行碼率自適應切換，隨后他們又結合CDN網絡的特點，對碼率切換算法又進行了優化[3]。Luca De Cicco等提出了基于緩存的碼率自適應切換算法[4]，為之后的基于緩存的碼率切換算法做出了指引。國內研究起步較晚，但近幾年越來越多機構和研究者開始關注DASH算法研究。陳立偉等提出一種基于HTTP流化的自適應碼率混合控制算法[5]， 顯著提升視頻碼率切換的穩定性和緩存利用率。張新有等提出一種基于人眼對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約帶寬。熊麗榮等提出一種綜合考慮網絡帶寬和緩存狀態的混合碼率自適應算法[7]，使緩存區數據量處于均衡范圍和提高網絡帶寬利用率方面具有顯著優勢。上述研究表明，隨著流媒體技術的廣泛應用，國內對DASH的關注越來越多，也逐漸積累了一定的經驗和技術，集中表現在兩個方面：一是如何節約帶寬資源，提高網絡利用率；二是結合其他信息技術手段相結合，提高傳輸穩定性，增強用戶體驗效果。endprint

3.2 發展趨勢

隨著網絡寬帶和信息技術的發展，人們對媒體信息的需求日益增加，這些因素都促進了網絡視頻用戶規模的快速增長。中國互聯網絡信息中心 （CNNIC） 2017年發布的《第40次中國互聯網絡發展狀況統計報告》[8]，截至2017年6月，中國網絡視頻用戶規模達5.65億，網絡視頻用戶使用率為75.2%，我國網民規模達到7.51億，網民中使用手機上網的比例占96.3%。目前的移動設備已經具備了播放高清視頻的技術條件，所以手機上網比例持續提升，但由于移動設備的網絡帶寬不穩定、無線網絡資源有限、多客戶端競爭網絡帶寬、碼率切換較不穩定等因素嚴重影響用戶體驗。因此，滿足人們期望獲得更快速、更高清、更流暢的媒體服務體驗已成為流媒體技術的研究重點，設計一種適合移動設備的碼率自適應機制以及用戶體驗質量的傳輸技術具有重要的意義。針對DASH的研究將主要將集中在以下幾方面：HTTP 實時流、DASH算法、DASH標準視頻格式、DASH視頻質量研究及視頻編碼標準無縫對接等方面。

4 結束語

目前，互聯網技術、移動設備和無線網絡技術都處于迅猛發展的階段，流媒體技術的應用已經滲透到我們生活的各個方面。由于移動設備具有方便、實時、快捷等優點，越來越多人將移動設備作為獲取媒體信息的主要方式。移動和無線網絡環境較傳統有線網絡環境來說，具有更多的復雜性和不穩定性，對傳輸技術有更高要求。因此，加深對DASH的研究，不斷改進和提高傳輸技術，對促進流媒技術的發展和應用具有重要的現實價值與意義。

參考文獻：

[1] 馬杰， 田金文， 柳鍵. 流媒體技術及其文件格式[J]. 計算機工程與應用， 2014， 23： 49-52.

[2] Liu C， Bouazizi I， Gabbouj M. Rate adaptation for adaptive HTTP streaming [A]. In： Proceedings of the second annual ACM conference on Multimedia systems[C]. ACM， 2011： 265-270.

[3] Liu C，Bouazizi I，Hannuksela M M，et al.Rate adaptation for dynamic adaptive treaming over HTTP in content distribution network[J]. Signal Processing： Image Communication， 2012， 27（4）：288-311.

[4] De Cicco L， Mascolo S，Abdallah C T.An experimental evaluation of akamai adaptive video streaming over hsdpa networks[C]// In：2011 IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design， 2011： 13-18.

[5] 陳立偉， 李國平， 滕國偉， 等. 基于HTTP流化的自適應碼率混合控制算法[J]. 上海大學學報報， 2014， 20（3）：313-320.

[6] 張新有， 王元勛， 邢煥來， 等. 基于對比敏感度的 DASH 客戶端碼率選擇算法研究[J].電子與信息學報， 2016， 11（38）：2827-2831.

[7] 熊麗榮， 雷靜之， 金鑫. 一種基于HTTP自適應流的混合碼率自適應算法[J]. 計算機科學， 2017， 2（44）：129-134.

[8] 中國互聯網絡信息中心（CNNIC）. 第40次中國互聯網絡發展狀況統計報告[R]. 北京： CNNIC， 2017.endprint