迪拜国际机场纪录片:流媒体发展新趋势

流媒体发展新趋势

作者：微软亚洲研究院网络多媒体组 吴枫 李世鹏

文章来源：中国多媒体视讯 点击数： 5025 更新时间：2005-5-9

  一、 流媒体系统及其发展趋势

    所谓流媒体是指用户通过网络或者特定数字信道边下载边播放多媒体数据的一种工作方式。流媒体应用的一个最大的好处是用户不需要花费很长时间将多媒体数据全部下载到本地后才能播放，而仅需将起始几秒的数据先下载到本地的缓冲区中就可以开始播放，后面收到的数据会源源不断输入到该缓冲区，从而维持播放的连续性，因此流媒体播放器通常只是在开始时有一些时延。流媒体系统要比下载播放系统复杂得多，所以需要将多媒体的编解码和传输技术很好地结合在一起，才能确保用户在复杂的网络环境下也能得到较稳定的播放质量。

    多媒体数据在传输前必须要先经过编码器有效地压缩成码流，以减少对网络资源的占用率。目前常用的视频编码器有MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.263、H.264、Window Media视频编码器和Real System视频编码器等；音频编码器有MP3、MPEG AAC、Window Media 音频编码器和AMR等；图像编码器有JPEG和JPEG2000等。多媒体编码器所生成的码流只包含了解码该码流所必需的信息，它不包含媒体间的同步、随机访问等系统信息，因此编码后的多媒体数据还要被组织成为具有特定系统格式的多媒体文件用于流媒体传输或者是存入磁盘中，目前常用的文件格式有MPEG-2系统，MP4，微软公司的ASF，Real的文件格式，QuickTime的文件格式以及用于3G无线服务的3GPP和3GPP2等等。

    当流媒体在实时应用中（如现场流媒体广播），根据当前的网络状况和用户的终端参数，多媒体数据是一边被编码一边被流媒体服务器传输给用户。而在其他的非实时应用中，多媒体数据可以被事先编码生成多媒体文件，存储在磁盘阵列中。当提供多媒体服务时，流媒体服务器直接读取这些文件传输给用户，这样服务方式对设备的要求较低。目前许多流媒体服务属于后一种方式，这样就要求流媒体服务器具有一定的机制来适应网络状况和用户设备。

    目前码流自适应这一模块主要采用的方法有：将多媒体文件中的视频码流转换为一个特定码率和图像尺寸的码流；或者把同一段视频内容编码生成多个具有不同码率和图像尺寸的码流，然后自适应选择一个最合适的码流传输给用户。生成的码流还需要进一步打包成为特定网络传输协议的数据包用于网络传输，由于现在许多网络并不能保证传输的数据能够及时并完全正确地被用户收到，传输的数据包可能需要加前向纠错编码（FEC）来保护，经过这些处理后多媒体数据就可以通过网络传输给用户，目前常用的传输协议有RTP/RTCP、HTTP和MMS。

    用户收到传输的数据后，如果存在丢包或者是比特出错，错误恢复处理会根据附加的纠错数据来恢复传输错误。如果还不能恢复传输错误，用户端可以向服务器发出重传请求，在解码开始前重新传输丢失的包。恢复后的多媒体数据将由解码器解码得到重构的多媒体数据，由于容错保护和数据重传可能不能恢复所有的错误数据，错误掩藏模块可以利用重构的多媒体数据的相关性来掩盖这些错误，最后这些数据就播放给用户。

    通常流媒体系统中的服务器和用户间并不是单向通信，如前面提到的重传请求。事实上，用户端会传递给服务器许多反馈信息，如终端设备的能力和网络连接速度会传给服务器的码流自适应模块来调整码流，在实时应用中这些信息还可能传给编码器；用户端的丢包率、数据包收到的时间信息和用户缓冲区状态等信息也会传递给服务器来估计当前的网络状况，从而控制码流的自适应和数据的发送策略。从上面的描述来看，实际上流媒体系统在多媒体信息处理中是一个非常复杂的系统，目前市面上主要的产品有微软公司的Windows Media， Real公司的Real System和苹果公司的QuickTime，其中Windows Media系统的市场占有率最大。

    这篇文章主要集中讨论流媒体的发展趋势和出现的新的服务和技术。早期的流媒体系统常用在互联网上传输一些低质量的多媒体信息，但是随着网络技术的发展，一些高质量的流媒体应用已经开始出现，如IPTV将向用户传输标清甚至高清的电视节目。另外，随着无线网络和各种各样手持设备的出现，无线流媒体的应用也变得越来越重要。并且由于很多现代家庭中既有高端的PC和电视，又有多种功能的手机，PDA，便携式媒体播放器，流媒体也将在家庭娱乐和数据共享上一显身手。针对这些应用的需求，流媒体技术本身也在迅速地变革和发展，例如利用一些高效的编码技术和传输技术提高流媒体系统性能；发展新的标准扩展流媒体技术到各种不同的网络和设备；在流媒体系统中增加更多的新功能来满足应用的需要。

    二、流媒体新服务

    本章将讨论流媒体系统的一些新的应用和服务。

    1. IPTV

    据国际电信联盟ITU在2004年9月的一份报告指出，全球的宽带用户已经在去年底首度突破 1亿大关，其中中国电信的宽带用户就超过了1千万，用户的主要接入方式是ADSL和以太网线，其实际的连接速率可以达到1Mbit/s。而且随着高性能的编码技术的采用，如H.264和最新的Windows Media视频编码器，800kbit/s的视频流就可以接近或达到DVD质量。

    在这种情况下，扩展流媒体技术用来提供电视服务也就顺理成章了。IPTV，也叫交互式网络电视，就是利用流媒体技术通过宽带网络传输数字电视信号给用户，这种应用有效地将电视、电讯和PC三个领域结合在一起，具有很强的发展前景。IPTV可以采用两种不同的方式提供用户电视服务，组播或者广播方式和视频点播（VOD）方式。一个明显的优势是IPTV是基于现在互联网的方式来实现服务器和用户终端的连接，因此很容易同时提供现有的互联网的服务，将电视服务和互联网浏览，电子邮件，以及多种在线信息咨询、娱乐、教育及商务功能结合在一起。

    2. 无线流媒体

    2.5G、3G以及超3G无线网络的发展也使得流媒体技术可以被用到无线终端设备上，目前中国联通公司提供CDMA 1x，用户网络带宽最多可以达到100kbit/s，这已经足够提供QCIF大小的流媒体服务；而且随着3G无线网络的应用，用户的网络带宽可以达到384kbit/s。另一方面，手机设备运算能力越来越强，存储空间越来越大，不用说SMART Phone和Pocket PC等高端手机，就是一般的中档手机，如Nokia 6610，也能实现基本的H.264的软件解码。

    面向无线网络的流媒体应用对当前的编码和传输技术提出了更大的挑战，首先，相对于有线网络而言，无线网络状况更不稳定，除去网络流量所造成的传输速率的波动外，手持设备的移动速度和所在位置也会严重地影响到传输速率，因此高效的可自适应的编码技术至关重要。其次，无线信道的环境也要比有线信道恶劣的多，数据的误码率也要高许多，而高压缩的码流对传输错误非常敏感，还会造成错误向后面的图像扩散，因此无线流媒体在信源和信道编码上需要很好的容错技术。尽管手机设备的运算能力越来越强，但是由于它是由电池供电的，因此编解码处理不能太复杂，并且最好能够根据用户设备的电池来调整流媒体的接收和处理，能源管理技术也是移动流媒体的一个研究热点。

    3. 电子家庭

    现代家庭中的越来越多的设备可以用来采集，接收，发送和播放多媒体数据。如人们可以通过电视来收看电视节目，通过PC机在互联网上欣赏流媒体节目，通过自己的数字相机和摄像机来拍摄图像和视频，通过手机和其他手持设备来发送彩信，通过汽车的音响系统来欣赏音乐和广播。并且家庭中的网络连接也是多样化的，如电视连接有线电视网，PC机连接着互联网，手机连接着无线网络，而且这些设备也能在家里通过蓝牙或者802.11无线网连接在一起。

    所有这些设备所收到的多媒体数据如何在家庭网络和设备间共享，为流媒体的发展提供了一个更大的舞台，真正实现一种无所不在、随心所至的多媒体服务，让多媒体真正地像液体一样自由流动起来。流媒体在家庭网络应用中的关键是如何使多媒体数据能够适应不同的设备的能力，如在电视和PC机中播放的视频的大小可能是标清甚至是高清，但是同样的内容就可能需要经过流媒体系统有效的转换才能成为最适合在手持设备上播放的媒体。

    三、流媒体新技术

    这章我们将讨论高效的视频编码、可伸缩的视频编码和P2P技术，它们都能极大地改进当前流媒体系统的性能。

    1. 高效的编码技术

    媒体系统中的多媒体数据要通过网络来传输给用户，高效的编码技术可以极大地降低流媒体系统对网络带宽的要求。目前标准化和商业化的视频编码技术都是基于运动补偿和DCT变换的，从早期的MPEG-1和H.261，到最新的MPEG-4 AVC/H.264和Windows Media视频编码器都采用了这个框架。在这个框架中，运动估计和补偿模块用来消除相邻图像间的冗余信息，熵编码模块用来消除编码信号的冗余性，变换量化模块根据人的视觉系统对视频信号的细微变化的不敏感性丢失部分信息，从而提高压缩比。

    在这个编码框架下，过去十多年的时间内编码技术取得了很大的发展，事实上，最新MPEG-4 AVC/H.264标准的编码效率要比MPEG-1提高了4倍左右，除去更精细的运动补偿和基于上下文的熵编码外，帧内预测，多参考帧的预测，环路滤波和率失真优化技术也极大地提高了该标准的性能。

    2. 可伸缩性编码技术

    在前面两章中我们也讨论过，在流媒体应用中需要解决的一个基本问题是网络带宽的波动，不同的人在不同的时刻使用互联网和无线网络时，得到的数据传输率存在着很大的差异；甚至同一个人在同一个时刻，哪怕是在传输同一个视频流，实际的数据传输率也会存在较大的波动。目前在流媒体系统中所用的编码技术都是生成固定码率的码流，它们很难适应如此复杂的网络带宽的波动。一个有效的方法是采用可伸缩性的视频编码，MPEG-4和H.263标准中就包含了分层的可伸缩性的视频编码，它们提供一定的适应网络带宽变化的能力，但是在流媒体应用中人们更期望视频编码技术能提供精细的码流可伸缩性，MPEG-4 FGS就是一种这样的编码技术，目前MPEG-21可伸缩视频编码组正在研究两套编码方案：高效的FGS编码方案和3D小波编码方案。

    3. 多媒体标准技术

    多媒体编码标准在流媒体里是至关重要的。一方面标准的制定和执行确保不同厂家和服务商之间可以互通互联，另一方面标准里的知识产权也是商家必争之处。掌握了标准里的知识产权，在竞争的时候就有很大的主动权。所以很多商家乃至政府部门都在全力推出自己的知识产权到各种国际标准里去，甚至打造自己的产业或国家标准。

    4. 对等网络技术（P2P）

    P2P是当前互联网上较热门的技术，已应用到网络文件共享和Napster的MP3下载。其基本思想是通过P2P技术，除了和服务器外，每个用户可以共享他的文件或信息给其他用户。

    P2P技术也可以应用到流媒体，每个流媒体用户也是一个P2P中的一个节点，在目前的流媒体系统中用户之间是没有任何联系的，但是采用P2P技术后，用户可以根据他们的网络状态和设备能力与一个或几个用户建立连接来分享数据，这种连接能减少服务器的负担和提高每个用户的视频质量。P2P技术在流媒体应用中特别适用于一些热门事件，即使是大量的用户同时访问流媒体服务器，也不会造成服务器因负载过重而瘫痪。此外，对于多人的多媒体实时通信，P2P技术也会对网络状况和音视频质量带来很大改进。

    P2P技术如果与可伸缩性视频编码技术结合将能极大地提高每个用户所接收的视频质量。由于可伸缩性码流的可加性，媒体数据不用全部传输给每个用户，而是把它们分散传输给每个用户，再通过用户间的连接，每个用户就可以得到合在一起的媒体数据。即使每个用户与服务器的连接带宽是有限的，应用P2P技术，每个用户依然可以通过流媒体系统享受高质量的多媒体服务。

    四、结束语

    流媒体的发展正处在一个酝酿着突变的阶段。无论从应用、服务和技术，都将会产生一系列重大的突破。在流媒体的领域里，重点不应是只放在几个孤立的关键技术上，而是应该把流媒体当作一个系统工程，编码、传输、分享、网络以及设备都是互相联系的一个整体。怎么能在这样一个系统里，最有效地将流媒体以一种最适合用户终端设备的形式传送给用户，并且不增加服务器和网络负担，可能是能否在流媒体领域的竞争中立于不败之地的根本。

流媒体基础：什么是流媒体

　　流媒体简单来说就是应用流技术在网络上传输的多媒体文件，而流技术就是把连续的影象和声音信息经过压缩处理后放上网站服务器，让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可以观看的网络传输技术。该技术先在使用者端的电脑上创造一个缓冲区，于播放前预先下载一段资料作为缓冲，于网路实际连线速度小于播放所耗用资料的速度时，播放程序就会取用这一小段缓冲区内的资料，避免播放的中断，也使得播放品质得以维持。

　　 目前在这个领域上，竞争的公司主要有三个：Microsoft、RealNetworks、Apple，而相应的产品就是：Windows Media 、Real Media、QuickTime。

流媒体技术的应用及前景

1. 远程教育

　　　 电脑的普及、多媒体技术的发展以及互联网的迅速崛起，给远程教育带来了新的机遇。世界各国都正大力开展包括网络教育在内的远程教育。

　　　 在远程教学过程中，最基本的要求是将信息从教师端传递到远程的学生端，需要传递的信息可能是多元化的，这其中包括各种类型的数据：如视频、音频、文本、图片等。将这些资料从一端传递到另一端是远程教学需要解决的问题，而如何将这些信息资料有效的组合起来以达到更好的教学效果更是我们思考的重要方面。

　　 由于当前网络带宽的限制，流式媒体无疑是最佳的选择，学生可以在家通过一台计算机、一条电话线、一只Modem就可以参加到远程教学当中来。对于教师来讲，也无须做过多的准备，授课方法基本与传统授课方法相同，只不过面对的是摄像头和计算机而已。

　　　 就目前来讲，能够在互联网上进行多媒体交互教学的技术多为流媒体，像Real System、Flash、Shockwave等技术就经常应用到网络教学中。远程教育是对传统教育模式的一次革命。它能够集教学和管理于一体，突破了传统"面授"的局限，为学习者在空间和时间上都提供了便利。

　　　 除去实时教学以外，使用流媒体中的VOD（视频点播）技术，更可以达到因材施教、交互式的教学目的。学生也可以通过网络共享自己的学习经验和成果。大型企业可以利用基于流技术的远程教育系统作为对员工进行培训的手段，这里不仅可以利用视频和音频，计算机屏幕的图形捕捉也可以被用流的方式传送给学员。现在微软公司自己内部就大量使用了其自己的流技术产品作为其全球各分公司间员工培训和交流的手段。

　　 随着网络及流媒体技术的发展，越来越多的远程教育网站开始采用流媒体作为主要的网络教学方式。

2. 宽带网视频点播

　　　 在前面的远程教育中曾经提到过VOD（Video On Demand）--视频点播，视频点播技术已经不是什么新鲜的概念了，最初的VOD应用于卡拉ok点播，当时的VOD系统是半自动的需要人工参与。随着计算机的发展，VOD技术逐渐应用于局域网及有线电视网中，此时的VOD技术趋于完善，但有一个困难阻碍了VOD技术的发展，那就是音视频信息的庞大容量。

　　　 这样服务器端不仅需要大量的存储系统，同时还要负荷大量的数据传输，导致服务器根本无法进行大规模的点播。同时由于局域网中的视频点播覆盖范围小，用户也无法通过互联网等网络媒介收听或观看局域网内的节目。

　　　 此时流媒体技术出现了，在视频点播方面我们完全可以遗弃局域网而使用互联网，由于流媒体经过了特殊的压缩编码，使得它很适合在互联网上传输。客户端采用浏览器方式进行点播，基本无需维护。由于采用了先进的机群技术，可对大规模的并发点播请求进行分布式处理，使其能适应大规模的点播环境。

　　　 随着宽带网和信息家电的发展，流媒体技术会越来越广泛的应用于视频点播系统，也许有一天你也可以在自己的家中欣赏到与电视节目相当的流式视频节目。就当前而言，很多大型的新闻娱乐媒体都在Internet上提供基于流技术的音视频节目，如国外的CNN、CBS以及我国的中央电视台、北京电视台等，有人将这种Internet上的播放节目称之为"webcast"。

　3.互联网直播

　　　 也许大家只听说过现场直播、卫星转播之类的名词，对于互联网直播（或称为网络直播）的概念还并不太熟悉，随着互联网的普及网民越来越多，从互联网上直接收看体育赛事、重大庆典、商贸展览成为很多网民的愿望。而很多厂商希望借助网上直播的形式将自己的产品和活动传遍全世界，这也许是任何一种媒体都不能达到的。这一切都促成了互联网直播的形成。

　　　 但是网络带宽问题一直困扰着互联网直播的发展，不过随着宽带网的不断普及和流媒体技术的不断改进，互联网直播已经从实验阶段走向了实用阶段，并能够提供较满意的音、视频效果。

　　　 流媒体技术在互联网直播中充当着重要的角色，首先流媒体实现了在低带宽的环境下提供高质量的影音。其次，像Real公司的SureStream这样的智能流技术可以保证不同连接速率下的用户可以得到不同质量的影音效果。此外，流媒体的Multicast（多址广播）技术可以大大减少服务器端的负荷，同时最大限度的节省了带宽。

　　　 无论从技术上还是从市场上考虑，现在互联网直播是流媒体众多应用中最成熟的一个。已经有很多公司提供网上直播服务，每年一度的《春节晚会》就提供网上现场直播。

　　 4.视频会议

　　　 市场上的视频会议系统有很多，这些产品基本都支持TCP/IP网络协议，但采用流媒体技术作为核心技术的系统并不占多数。视频会议技术上涉及到数据采集、数据压缩、网络传输等多项技术。

　　　 流媒体并不是视频会议必须的选择，但是流媒体技术的出现为视频会议的发展起了很重要的作用。采用流媒体格式传数影音，使用者不必等待整个影片传送完毕，就可以实时的连续不断的观看，这样不但改善观看前的等待问题，也可以达到即时的效果。虽然我们损失了一些画面质量，但就视频会议来讲，并不需要很高的音视频质量。

　　　 视频会议是流媒体的一个商业用途，通过流媒体我们还可以进行点对点的通信，最常见的例子就是可视电话。只要我们有一台已经接入互联网的电脑和一个摄像头，就可以与世界任何地点的人进行音视频的通信，是不是很便捷？此外，大型企业可以利用基于流技术的视频会议系统来组织跨地区的会议和讨论，从而节省大量的开支。一个实际的例子是美国第二大证券交易商从1998年开始，采用Starlight Network公司提供的流技术方案，为其分布在全球500多个城市和地区的分公司经纪人和投资咨询员实时提供到桌面的财经新闻，使他们的客户获取更多的投资利润。

2003流媒体产业数据需求分析

　　流媒体是一种基于宽带技术的视频、音频实时传输技术。人们在网页上看到的不再是文字或者静止的图像，而是类似电视播放的活动图像信息。它的出现使网络成为集电视、报纸、广播于一体的新的媒体，并使我们刚刚熟悉的“网络——第4媒体”的概念推向辉煌。
　　
　　随着宽带网络的建设不断向纵深发展，用户对宽带网络的使用开始向娱乐、影视欣赏等方向转移，对流媒体的应用需求也从简单的了解信息向视听欣赏转变。因此一方面要加大对网络环境的建设，同时对流媒体节目内容的编解码?制作与回放?技术和方式，也提出了更高的要求。沿着流媒体技术的指引，人们看到未来宽带的发展方向，多媒体互动成了人们对宽带网络未来发展的寄托。终端消费者的直接需求，使传统影视媒体市场与宽带网络的应用服务相融合，产生了宽带VOD、在线音乐、远程教育、宽带收费电视等新的应用。

　　目前，流媒体技术日趋成熟，应用也日益广泛。据有关统计数据表明:2000年网上访问流媒体内容的人数增加了65%,网上视频流媒体技术应用增长达251%,在美国约79%的家庭网络用户在电脑上安放了流媒体播放器。

　　基于此，国际上各路IT英豪纷纷预言，流媒体将成为未来互联网应用的主流，并将推动互联网整体架构的革新。其实，这种预言也并非没有根据。据悉由于受全球经济发展步伐放缓的影响，目前流媒体应用的重点已明显开始向前景广阔的商业领域倾斜，技术供应模式也在发生着根本性变化。
　　
　　据英国Analysys公司今年1月16日公布的针对视频流式媒体市场的调查结果表明，随着视频流式媒体逐渐成为企业的一种比较现实的选择，2006年西欧市场规模将从2001年的约2500万美元成长为约2亿美元，规模将扩大10倍。该公司并且透露，在今后，视频流式媒体市场主要将受到公司内部通讯、研修和营销活动以及对投资家提供信息等用途的拉动。到2006年，传输量将以年均90%，营业额将以年均50%的速度增长。但据其推测，宽带视频流媒体真正的快速成长将从2005年开始。

任何的技术都要应用到实际的行业中才有价值，流媒体的应用主要集中于以下产业：
　　电信通信、国家机关、教育出版、公用事业、邮政物流、
　　金融证券、交通旅游、医疗卫生、商业企业。
　 对流媒体产品需求量最大的是电信通信行业与国家政府机构，这一切都是源于2003年SARS引起的视频会议的商机。其次，2003年的教育市场对流媒体产品需求量也是很迫切的，主要应用于远程教育，视频课件点播等。