流媒体技术的原理、应用及发展

余勇昌 宋宜昌

　　摘要：Internet的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，流媒体业务正日益普及， 流媒体技术广泛应用于互联网信息服务的方方面面。首先介绍了流媒体技术的基础、基本原理以及流式传输的基本过程，接着重点介绍了流媒体技术在视频点播、远程教育、视频会议和Internet直播方面的应用，最后介绍了流媒体技术的发展现状和展望。

　　关键词：多媒体通信，多媒体业务，流媒体，流式传输，原理，应用，发展

　　随着现代网络技术的发展，网络开始带给人们形式多样的信息。从在网络上出现第一张图片到现在各种形式的网络视频、三维动画，人们的视听觉在网络上得到了很大的满足。但人们又面临着另外一种不可避免的尴尬：在网络上看到生动清晰的媒体演示的同时，不得不为等待传输文件而花费大量时间。为了解决这个矛盾，一种新的媒体技术应运而生，这就是流媒体技术。

　　流媒体是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频或多媒体文件。而流式传输技术就是把连续的声音和图像信息经过压缩处理后放到网站服务器上，让用户一边下载一边收听观看，而不需要等待整个文件下载到自己的机器后才可以观看的网络传输技术。

　　目前，在网络上传输音视频（A/V）等多媒体信息主要有下载和流式传输两种方案。一方面，由于音视频文件一般都较大，所以需要的存储容量也较大；同时由于受网络带宽的限制，下载这样的文件常常需要几分钟甚至几小时，所以采用下载方法的时延也就很大。而采用流式传输时，声音、图像或动画等时基媒体由音视频服务器向用户计算机连续、实时传送，用户只需经过几秒或数十秒的启动时延而不必等到整个文件全部下载完毕即可观看。当声音、图像等时基媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器上继续下载。流式传输不仅使启动时延大大缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输避免了用户必须等待整个文件全部下载完毕之后才能观看的缺点。

一、流媒体技术基础

　　实现流式传输有两种方法：实时流式传输（Real-time streaming transport）和顺序流式传输（progressive streaming transport）。一般来说，如为实时广播，或使用流式传输媒体服务器，或应用实时流协议（RTSP）等，即为实时流式传输。如使用超文本传输协议（HTTP）服务器，文件即通过顺序流发送。采用哪种传输方法可以根据需要进行选择。当然，流式文件也支持在播放前完全下载到硬盘。

1.实时流式传输

　　实时流式传输总是实时传送，特别适合现场广播，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看后面或前面的内容。但实时流式传输必须保证媒体信号带宽与网络连接匹配，以便传输的内容可被实时观看。这意味着在以调制解调器速度连接网络时图像质量较差。而且，如果因为网络拥塞或出现问题而导致出错和丢失的信息都被忽略掉，那么图像质量将很差。
实时流式传输需要专用的流媒体服务器与传输协议。

2.顺序流式传输

　　顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线内容，在给定时刻，用户只能观看已下载的部分，而不能跳到还未下载的部分。由于标准的HTTP服务器可发送顺序流式传输的文件，也不需要其他特殊协议，所以顺序流式传输经常被称作HTTP流式传输。
顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告，由于这种传输方式观看的部分是无损下载的，所以能够保证播放的最终质量。但这也意味着用户在观看前必须经历时延。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的情况，如讲座、演说与演示；也不支持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。

二、流媒体技术原理

　　流式传输的实现需要合适的传输协议。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP／TCP来传输控制信息，而用实时传输协议／用户数据报协议（RTP／UDP）来传输实时数据。

　　流式传输的实现需要缓存。因为一个实时音视频源或存储的音视频文件在传输中被分解为许多数据包，而网络又是动态变化的，各个包选择的路由可能不相同，故到达客户端的时延也就不同，甚至先发的数据包有可能后到。为此，需要使用缓存系统来消除时延和抖动的影响，以保证数据包顺序正确，从而使媒体数据能够连续输出。通常高速缓存所需容量并不大，因为通过丢弃已经播放的内容可以重新利用空出的空间来缓存后续尚未播放的内容。

流式传输的过程一般如下：

①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；

②Web浏览器启动音视频客户程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对音视频客户程序初始化，这些参数可能包括目录信息、音视频数据的编码类型或与音视频检索相关的服务器地址；

③音视频客户程序及音视频服务器运行实时流协议，以交换音视频传输所需的控制信息，实时流协议提供执行播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法；

④ 音视频服务器使用RTP／UDP协议将音视频数据传输给音视频客户程序，一旦音视频数据抵达客户端，音视频客户程序即可播放输出。

　　需要说明的是，在流式传输中，使用RTP／UDP和RTSP／TCP两种不同的通信协议与音视频服务器建立联系，目的是为了能够把服务器的输出重定向到一个非运行音视频客户程序的客户机的目的地址。另外，实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器。

三、流媒体技术应用

　　Internet的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，流媒体业务正变得日益流行。 流媒体技术广泛用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播（VOD）、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面。流媒体技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活产生深远的影响。
下面介绍流媒体技术在视频点播、远程教育、视频会议、Internet直播方面的应用。

1.视频点播

　　最初的视频点播应用于卡拉OK点播，随着计算机技术的发展，VOD技术逐渐应用于局域网及有线电视网，此时的VOD技术趋于完善，但音视频文件的庞大容量仍然阻碍了VOD技术的进一步发展。由于服务器端不仅需要大容量的存储系统，同时还要承担大量数据的传输，因而服务器根本无法支持大规模的点播。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Internet等网络媒介收听或观看局域网中的节目。

　　由于以下的原因使得基于流媒体技术的VOD完全可以从局域网转向Internet。

① 流媒体经过了特殊的压缩编码后很适合在Internet上传输；

②客户端采用浏览器方式进行点播，基本无需维护；

③采用先进的机群技术可以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地应用于视频点播系统。目前，很多大型的新闻娱乐媒体，如中央电视台、北京电视台等，都在Internet上提供基于流媒体技术的节目。

2.远程教育

　　电脑的普及、多媒体技术的发展以及Internet的迅速崛起，给远程教育带来了新的机遇。在远程教学过程中，最基本的要求就是将信息从教师端传到远程的学生端，需要传送的信息可能是多元的，如视频、音频、文本、图片等。

　　将这些信息从一端传送到另一端是实现远程教学需要解决的问题，在当前网络带宽的限制下，流式传输将是最佳选择。学生在家通过一台计算机、一条电话线、一个调制解调器就可以参加远程教学。教师也无须另外做准备，授课的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。

　　目前，能够在Internet上进行多媒体交互教学的技术多为流媒体技术，如Real System、Flash、Shockwave等技术就经常被应用到网络教学中。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。

　　除了实时教学外，使用流媒体的VOD技术还可以进行交互式教学，达到因材施教的目的。学生可以通过网络共享学习经验。大型企业可以利用基于流媒体技术的远程教育对员工进行培训。

3.视频会议

　　市场上的视频会议系统有很多，这些产品基本上都支持TCP／IP协议，但采用流媒体技术作为核心技术的系统并不占多数。虽然流媒体技术并不是视频会议的必须选择，但为视频会议的发展起了重要的推动作用。采用流媒体格式传送音视频文件，使用者不必等待整个影片传送完毕就可以实时、连续地观看，这样不但解决了观看前的等待问题，还达到了即时的效果。虽然在画面质量上有一些损失，但就一般的视频会议来讲，并不需要很高的图像质量。

　　视频会议是流媒体技术的一个商业用途，通过流媒体可以进行点对点的通信，最常见的就是可视电话。只要两端都有一台接入Internet的电脑和一个摄像头，在世界任何地点都可以进行音视频通信。此外，大型企业可以利用基于流媒体的视频会议系统来组织跨地区的会议和讨论。

4.Internet直播

　　随着Internet技术的发展和普及，在Internet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。这些需求促成了Internet直播的形成，但是网络的带宽问题一直困扰着Internet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，Internet直播已经从实验阶段走向实用，并能够提供较满意的音视频效果。

　　流媒体技术在Internet直播中充当着重要角色，主要表现在以下方面：

①首先，流媒体技术实现了在低带宽环境下提供高质量的音视频信息；

②智能流媒体技术可以保证不同连接速率下的用户能够得到不同质量的音视频效果；

③流媒体的组播技术可以大大减少服务器端的负荷，同时最大限度地节省带宽。

四、流媒体技术的发展

1.流媒体技术的发展现状

　　流媒体技术是Real Networks公司首先推出的，现在许多厂商都有成熟的基于流的产品，如Real Networks公司的Real SystemG2和微软公司的Windows Media Service。除了得到许多制造商的支持，基于流媒体的国际标准也已经提出。

　　由WWW联合会（W3C）提出的基于流的媒体语言——同步综合多媒体语言（SMIL：Synchronized Multimedia Integration Language）与超文本标记语言（HTML）类似。它可以描述演示的实时行为、屏幕上演示的版面以及协同媒体之间的超链接，可以演示流式视频、音频、图像、文本等多种类型媒体，允许在一个同步多媒体演示中集成一系列的独立多媒体对象。利用SMIL语言还可以方便地同步多个基于流的多媒体对象。

2.流媒体技术的最新发展

　　下面介绍代表流媒体技术最新发展的两个厂商的产品。

①微软公司的Windows Media

　　最新的Windows Media Encode不仅压缩比率又有新的突破，而且可以支持更多不同的网络数据传输速率和压缩比率：如可以用848kbit/s速率播放接近CD音质的音频数据流，用64Kbit/s速率播放CD音质的音频数据流；最新发布的视频编码则明显优化了动态效果的处理。

　　WMV8是目前惟一能够提供TrueMotion-Picture-ReadyVideoCodec的视频格式，用连接速率为250Kbit/s的DSL/Cable能够达到近乎家用录像系统（VHS）的视频品质（分辨率为320×240，每秒24帧