网络电视关键技术及其发展(三)

3.1.2 应用层服务质量
　　流媒体应用可以根据网络层的情况和反馈采取一定的措施来消除影响视频质量的因素，例如在网络层出现拥塞的时候，应用可以根据网络的反馈信息通过控制发送数据的速率。在应用层控制数据发送的手段主要有两个，速率控制和速率整形，前者是根据网络的可用带宽情况来确定视频流的发送速率，后者则是通过转码、减帧、减层和重量化的方法使得已经按照一定速率编码压缩的视频流可以符合现有的网络通道条件。
　　针对在传输过程中出现的丢包和错误，应用层也有相应的处理措施，例如在发送端采取FEC、在发送和接收两端限定延迟进行重传、传输过程中采用纠错编码以及在接收端采用错误隐藏等手段提高和改善图像的质量。
　　虽然在网络中可以利用组播技术大大降低网络电视的广播业务所占用的带宽资源，但目前还缺乏在大型网络中统一部署组播的实践经验，但是可以通过构建一个内容分发系统叠加在传输网络之上，利用内容复制、应用层组播、分层组播和受限组播等技术实现视频流的边缘化，从而达到保障整体服务质量的目的。

3.2 视频处理
　　开展网络电视业务需要以高速骨干/城域网络和宽带接入网络为基础，尽管目前的宽带接入网络一般可以达到256kbps以上的传输速率，但是相对与数字视频信号来说仍然远远不足。以数字分量4:2:2电视信号为例，如果不采取任何压缩措施其原始码流高达216Mbps。因此视频信号的编码压缩是实现网络电视业务的关键技术。
　　一般说来视频编码压缩可以分为两大类型：可变码率和固定码率视频编码。固定码率编码包括基于波形编码和内容无关编码两类方法，这种类型的编码器仅输出单一固定码率的视频流；而可变码率编码则可以单独或组合利用信号在质量、时间、空间和频率域等方面的特性进行处理。可变码率编码产生一组包括了基本和增强两种类型的子码流，其中只有一个基本子码流，它可以单独进行解码，得到比较粗糙的图象质量，而其他的增强子码流则不能单独解码，只有在与基本子码流配合解码后可以显示效果更好的视频图像。所有的子码流结合在一起解码后可以得到最佳的视频图像观看效果，如果丢失了增强子码流，视频图像将在画面的质量、尺寸和帧率方面有所降低。
　　由于网络和接收端设备存在诸如带宽变化、处理能力等方面的不同，因此应用于视频流的编解码方法必须满足以下需求：
　带宽：目前的IP网络还无法大规模地通过资源预留机制提供端到端的固定带宽，为此希望编码器可以输出动态变化的码流，适应在网络出现拥塞时带宽降低的情况。
　延迟：网络电视业务要求有固定的时延，以保证数据包在一定的时间内到达解码器解码后显示，为保证网络拥塞导致的数据包传送时延抖动的问题，接收设备需要在解码前进行数据缓存处理以保证播放出流畅的视频图像。
　丢包：数据包在传输过程中丢失后会在解码时损害图像的质量，因此视频流在进行网络传输的过程中需要采取相应的保护措施来降低丢包率。
　交互功能：网络电视中的点播业务需要具备诸如快进、快退、暂停/恢复、随机定位等的功能，目前已有视频编码方案支持类似功能的实现。
　解码复杂性：为了适应便携终端设备，如PDA、手机等的低功耗要求，解码器设计实现不能过于复杂。
　　由于可变码率编码可以适应不同的网络带宽变化、不同的传输通道条件以及不同的计算复杂度等要求，因此是今后发展的主要方向。
　　数字视频的编码压缩分别在通信和消费电子两个领域中进行着各自的标准化工作，在通信领域的标准化工作由ITU-T负责推进，其所属负责多媒体技术的16研究组制订出了广泛应用的数字视频通信H系列标准，包括了H.261、263、263+等，普遍用于视频会议和可视电话等领域，主要目标是如何提高视频图像的传输效率；而在消费电子领域的标准化工作则由ISO/IEC的JTC1（联合技术委员会）负责，其所属的SC29中的WG11制订了MPEG系列音视频通信标准，包括了MPEG-1、2、4、7和21等，其中在94年提出的MPEG-2作为数字电视的编码压缩规范，有着非常广泛的市场应用基础，该系列标准的主要目标是如何为用户提供更高质量的画面。2001年12月隶属于ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（运动图像专家组）共同成立了JVT（联合视频工作组），致力于把传输效率和压缩质量两个目标结合起来得到2倍于现有编码压缩效率和更高容错能力的标准，并于2003年3月完成了该标准——H.264/MPEG-4 AVC。
　　数字视频流在网络中实时传输的标准化工作主要由IETF进行。在完成编码压缩以后，流媒体应用将通过不同的网络传输协议实现数据的传输和控制，其中比较常用的有RTP和RTSP等。RTP协议主要的作用是将来自应用层的音视频数据块增加时间戳和序列号等信息后封装起来，再传递给传输层的UDP协议进行传送；RTP协议可以应用于单播和组播中，因此可以支持网络电视业务中广播和点播应用。RTSP协议用于在流媒体的服务器和播放器之间进行控制信息交流以控制流的播放，它的传输承载协议可以是TCP或UDP；在网络电视业务中点播应用的各种交互式功能的实现需要它的支持。

3.3 数字版权管理（Digital Rights Management, DRM）
　　在网络电视业务的产业链中，内容供应商和集成商只希望已经付费的合法用户可以享受相应的服务，数字版权管理技术正是实现这个需求的关键所在。
　　数字版权是指数字化内容（包括音频、视频和文字等）的版权和相关权利，数字版权管理技术主要的用途是确定数字版权和相关的使用规则，并保证这些规则得到遵守。
　　如本文第一节中所述，由于网络电视和数字电视业务有着许多重要的差异，因此在数字视频的版权保护方面二者存在着明显的不同。在数字电视业务中一般使用的是基于广播方式的条件接收技术，而在网络电视业务中版权保护技术的基本原理则是充分利用了双向特点来实现的，基本的流程如图3所示。

图

　　首先经过加密处理的视频信息与该视频的元数据（包括节目的版权信息、许可信息、内容标识和密钥标识等）发布到流媒体服务器上，同时该视频的内容标识和使用规则被传送给许可证服务器；接着用户通过网络访问流媒体服务器，在视频流到达接收端开始播放前，播放器将自动根据视频内容的要求访问许可证服务器以获得正常播放所需要的密钥；在收到密钥后结合授权规则播放视频内容。
　　数字版权管理技术的标准化工作还处于发展期，有许多组织针对音乐、文字和视频等不同的内容制订了各种规范，具体可以参考[17]。与编码压缩类似，针对市场上最流行的流媒体应用系统，Microsoft和Real Networks公司都拥有各自单独的版权管理产品。
（待续） 作者：彭劲 何青