一種基于有線電視網(wǎng)的多媒體廣播系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

1、一種基于有線電視網(wǎng)的多媒體廣播系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院 藍(lán)善禎 徐品1、MPEG-4多媒體系統(tǒng)架構(gòu)（簡要概述）2、多媒體廣播系統(tǒng)框架（2、有線電視網(wǎng)，帶寬） 3、實現(xiàn) a、本地交互思想b、多媒體流的同步未來技術(shù)發(fā)展趨勢 多核cpu對多媒體廣播的影響摘要本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于有線電視網(wǎng)的多媒體廣播系統(tǒng)，提供了一種從發(fā)送端到接收端的解決方案。該系統(tǒng)實現(xiàn)了MPEG-4最具特色的本地交互方式，即用戶終端對傳送到本地數(shù)據(jù)流中的對象自由提取和控制，可以任意擺放對象的空間位置、修改對象的尺寸大小甚至取消對象。該系統(tǒng)在上傳輸4路節(jié)目內(nèi)容和節(jié)目內(nèi)容描述信息，以及手語和廣告通道。最后，針對多線程

2、編程，作者通過實驗分析了多核CPU在性能上的提升。關(guān)鍵詞MPEG-4 基于內(nèi)容的編碼 多媒體傳送綜合框架DMIF 場景描述 對象同步1 引言2008年，國家廣播電影電視總局有關(guān)人士指出了廣播電視行業(yè)下一步發(fā)展的重點。從中可以看出，發(fā)展數(shù)字電視及其增值業(yè)務(wù)，努力提升用戶體驗，讓電視機最終成為一個“全信息”的媒體終端，是擺在我們面前的迫切任務(wù)。其中，如何為電視臺（特別是有線臺）開展數(shù)字電視增值業(yè)務(wù)一直是人們的關(guān)注的熱點。為此，本文介紹了一種基于有線電視網(wǎng)的多媒體廣播系統(tǒng)，在一個電視頻道內(nèi)同時為用戶傳送多路多媒體信息，如視頻、靜止圖象、超文本、音頻等，使用戶可同時觀看電視節(jié)目和多媒體內(nèi)容。該系統(tǒng)還具

3、有豐富的本地交互功能，用戶可以自己控制和選擇多媒體節(jié)目內(nèi)容。該系統(tǒng)提供了一種增值業(yè)務(wù)的具有實現(xiàn)方式，具有一定的實用參考意義。2 多媒體廣播系統(tǒng)架構(gòu)1999年3月MPEG公布了多媒體壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4ISO/IEC 14496。MPEG-4是一個龐大的有關(guān)交互多媒體編碼與通信的標(biāo)準(zhǔn)，它能全部滿足通信、計算機和廣電業(yè)的迅速融合所提出的要求。2.1 場景描述BIFSMPEG-4特有的內(nèi)容是場景描述，它規(guī)定了多媒體元素對象的表示和統(tǒng)一描述形式。場景描述用于描述場景的布置、對象位置、大小和透明度等。場景描述的分級結(jié)構(gòu)還包括對象描述子，用于描述各個邏輯對象，含有對象基本流識別信息、解碼規(guī)定信息和原始

4、對象解碼標(biāo)準(zhǔn)等信息。多媒體廣播系統(tǒng)可以利用場景描述來實現(xiàn)本地交互功能，在場景描述中可設(shè)置事件觸發(fā)節(jié)點，感知點擊，觸發(fā)對象變化。場景描述可采用二進制編碼，因而稱為Binary Information For Scenes（簡稱BIFS）。2.2 多媒體傳送整體框架DMIFISO/IEC提出多媒體傳送整體框架DMIF，主要面對的是網(wǎng)絡(luò)、廣播和本地存儲三種環(huán)境下的多媒體傳輸問題。DMIF位于同步層和傳輸層之間，它對同步層提供了一個透明的、統(tǒng)一的接口DAI（DMIF Application Interface），對傳輸層提供了復(fù)用功能，定義了一個抽象接口DNI（DMIF Network Interfa

5、ce）。面對不同的網(wǎng)絡(luò)傳送技術(shù)和操作場景，DMIF都有一個相同的調(diào)用接口。DMIF的工作流程為：（1）系統(tǒng)編碼完成后，將原始的視音頻流壓縮為基本流ES（Elementary Streams）。在這些ES 中包含基本的視頻信息、BIFS信息和OD（Object Descriptor）信息。這些信息統(tǒng)稱為AU（Access Unit），然后把AU傳送到同步層。（2）同步層提供媒體間的同步，和壓縮層的接口是ESI，AU被加上同步信息，封裝成一個分組SL（Synchronization Layer），通過DAI接口發(fā)送到DMIF層。（3）DMIF層（也叫FlexMux Layer）提供了復(fù)用工具，把具

6、有相同Qos 要求或是較低編碼速率的ES復(fù)用，以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。再通過DNI接口傳送到傳輸層。（4）傳輸層使用的現(xiàn)有的各種協(xié)議，對視頻采用RTP/RTCP是較好的解決方案，既保證了低時延，又有好的可靠性。2.3 同步層（是否需要？）3 系統(tǒng)設(shè)計（也就是具體實現(xiàn)）3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計在MPEG-4系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，采用合適的硬件和軟件結(jié)構(gòu)可構(gòu)建一套多媒體廣播系統(tǒng)。下圖所示是實驗室搭建的基于有線電視網(wǎng)的多媒體廣播系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)圖。其中的物理傳輸層采用的是ASI發(fā)送/接收卡。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多媒體廣播功能，同時具有本地交互功能。用戶可以自己控制和選擇多媒體節(jié)目內(nèi)容。根據(jù)多媒體廣播系統(tǒng)的設(shè)計要求，整個基于有

7、線電視網(wǎng)的多媒體軟件系統(tǒng)主要由播出服務(wù)系統(tǒng)和客戶端實時播放系統(tǒng)組成。實驗系統(tǒng)軟件設(shè)計采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，在Visual C+6.0環(huán)境中實現(xiàn)?？蛻舳瞬捎肈irectDraw技術(shù)進行顯示。3.2 媒體流管理類的設(shè)計如下圖所示為系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向圖，從中可以看到，對于每一個數(shù)據(jù)流的管理非常重要。CmediaStream 服務(wù)器端通過DMIF層將多媒體數(shù)據(jù)流復(fù)用后，再利用ASI發(fā)送卡輸出到有線電視網(wǎng)上，經(jīng)過分支器進行衰減，客戶端的PC機使用ASI接收卡接收數(shù)據(jù)。A 豐富的本地交互功能利用場景描述BIFS，實現(xiàn)對象交互操作的關(guān)鍵機制。MPEG-4系統(tǒng)的交互方式分為本地交互和服務(wù)器端交互。本地交互

8、是MPEG-4最具特色的方式，這是在MPEG-4用戶終端對傳送到本地數(shù)據(jù)流中的對象自由提取和控制，某些對象也可以通過網(wǎng)絡(luò)裝載到終端；服務(wù)器端交互是，用戶終端以點播的方式從前端服務(wù)器獲取自己所需對象，可控制服務(wù)器的進、退和播放。電視數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化必然大力發(fā)展增值業(yè)務(wù)和新媒體，而交互和個性化服務(wù)是增值業(yè)務(wù)最具魅力的業(yè)務(wù)。視頻點播已是眾所周知的一種交互方式，而基于對象的交互方式是一種最新的具有挑戰(zhàn)性的方式，我們選擇研究后者。我們首先研究模擬有線電視網(wǎng)中實現(xiàn)本地交互的多媒體廣播應(yīng)用系統(tǒng)，以電腦為顯示終端，使用戶不是被動地收看電視臺導(dǎo)演合成的畫面內(nèi)容，而是可以自己布置畫面結(jié)構(gòu)，自由選擇顯示對象和信息，同

9、時又不間斷收看主節(jié)目。MPEG-4豐富的交互功能有很大吸引力，對于網(wǎng)上游戲、信息交流、遠(yuǎn)程教育、數(shù)字電視的增值業(yè)務(wù)和生動的EPG等交互內(nèi)容具有特殊的效果，對數(shù)字電視和多媒體傳輸有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在國際上已有電視的體育節(jié)目、電視增值業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程教育、電視購物、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等許多應(yīng)用。在我們的實驗系統(tǒng)中是一個體育比賽節(jié)目，有四路MPEG-4視頻流播出比賽現(xiàn)場情況，終端用戶可以自由選擇觀看其中任何一路；一路信息流介紹運動隊和得分情況，終端用戶隨時可以獲取運動員信息；兩路QCIF視頻畫面分別作為廣告和虛擬主持人畫面。3.2 媒體流的同步由于MPEG-4只定義了同步層語法，沒有給出具體方案，因此我們必須

10、自己來定出與實際應(yīng)用相適應(yīng)的同步方案。圖 多媒體廣播系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖一般地，一個多媒體廣播系統(tǒng)主要分為為五個部分：媒體數(shù)據(jù)采集、編碼壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸、解碼、媒體表現(xiàn)。為了在各個媒體流間取得良好的同步效果，需要分別對每個部分采取相應(yīng)策略。而后面三個部分是同步處理時所要考慮的重點。2.1網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐讲呗晕覀儾捎玫氖茿SI卡+PC機來模擬有線電視網(wǎng)絡(luò)。有線電視網(wǎng)中不存在網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，不存在因網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能及時到達而被丟棄的現(xiàn)象。視音頻數(shù)據(jù)先復(fù)用打包后，再使用ASI API函數(shù)打包成TS傳輸流。我們把ASI的發(fā)送和接收模塊分別封裝成動態(tài)庫，使外部調(diào)用更加方便。2.2解碼部分的同步策略視頻流到達解碼

11、器時,通常不會馬上就解碼,需要進入緩沖區(qū),直到DTS 時刻才開始解碼。一般而言,如果某幀在DTS已經(jīng)小于當(dāng)前時刻,則說明它已經(jīng)超過了解碼時刻,從而被棄。2.2媒體播放的同步策略4 具體實現(xiàn)（在哪兒加一個系統(tǒng)流程圖或者數(shù)據(jù)流向圖）4.1 對ASI卡的封裝4.2 媒體流管理類4.3 編解碼插件技術(shù)4.4 DirectDraw顯示5 實驗結(jié)果系統(tǒng)界面五 未來技術(shù)的發(fā)展趨勢 （多核cpu對多媒體廣播系統(tǒng)的影響）CPU技術(shù)發(fā)展非常迅速，雙核、四核CPU已經(jīng)被廣泛使用。多核必將是CPU的未來發(fā)展方向。另外，本文的多媒體廣播系統(tǒng)采用了多線程編程技術(shù)。廣播系統(tǒng)中線程數(shù)量非常多，特別在用戶接收端線程數(shù)量最高達到

12、100個。為此，我們通過具體實驗分析了多核CPU對多媒體廣播系統(tǒng)的影響，進而研究多核CPU對多線程編程性能的提升。以下是實驗數(shù)據(jù)和對比結(jié)果。測試條件：（操作系統(tǒng)：Windows XP sp2）ABCCPU內(nèi)存【播出服務(wù)器包括以下主要功能模塊：1) DMIF（Delivery Multimedia Integration Framework）接收模塊：為服務(wù)器提供用于播出的媒體數(shù)據(jù)，其可能來自網(wǎng)絡(luò)或本地存儲介質(zhì)。2) 播出控制：將各種媒體數(shù)據(jù)組合，形成對象描述子流（圖中的OD流）、場景描述流（圖中的BIFS流）、以及各種媒體數(shù)據(jù)流。3) 同步層：根據(jù)各種基本流的配置信息，即相應(yīng)的對象描述符，將各種基本流打包為SP