18、宽带互联网应用中的视频传输技术解析

宽带互联网应用中的视频传输技术解析

1. DV帧传输机制

在视频传输中，RTP时间戳字段的变化指示着视频帧向下一帧的过渡。当从一个DV帧过渡到下一个DV帧时，DV帧的数据会从IEEE1394接口发出。当下一个DV帧的DV数据从RTP流到达时，它会覆盖前一个DV帧的缓冲区。因此，在DV数据未到达的区域，将使用前一个DV数据。如果相同的DV数据出现重复数据，也会直接被覆盖。利用这种机制，当RTP流停止时，将显示最后一个DV帧。

DV音频数据每次写入IEEE1394接口后都会被刷新。因为多次替换相同的音频数据只会产生噪音。所以，当包含DV音频数据的RTP数据包丢失时，相应部分将保持刷新状态。

2. 帧丢弃策略

从IEEE1394接口接收的每个DV数据的发送会消耗超过30 Mbps的带宽。当网络基础设施可用带宽较少时，DVTS需要调整其带宽使用。由于DV格式不使用帧间压缩技术，因此可以轻松丢弃视频帧。

在实现中，DV/RTP流的压缩是通过丢弃视频DV DIF块来实现的，而音频DV DIF块将持续发送。具体的帧丢弃策略如下：
- 不进行帧丢弃时，视频和音频数据都会发送。
- 进行1/2速率的帧丢弃时，每2个DV帧中会有1个视频数据不发送。
- 进行1/3速率的帧丢弃时，每3个DV帧中只会发送1个视频数据。

这种压缩方式不会增加系统成本，因为没有采用额外复杂的压缩技术，复杂技术可能会导致整个系统成本增加。以下是不同帧速率下DV流在IPv4和IPv6上的带宽消耗情况：
| 帧速率 | IPv4带宽 (Mbps) | IPv6带宽 (Mbps) |
| ---- | ---- | ---- |
| 1 / 30 | 2.79 | 2.90 |
| 1 / 20 | 3.26 | 3.39 |
| 1 / 10 | 4.74 | 4.87 |
| 1 / 5 | 7.54 | 7.83 |
| 1 / 4 | 9.01 | 9.33 |
| 1 / 3 | 11.48 | 11.84 |
| 1 / 2 | 15.72 | 16.83 |
| 1 / 1 | 30.47 | 31.70 |

3. 带宽与可靠性

由于低延迟和DV格式的特点，DVTS适用于具有相同标清视频质量的视频会议。尽管DVTS消耗30 Mbps的带宽，但由于高速DSL和FTTH的普及，它仍被广泛使用。然而，当前尽力而为的互联网是异构的，不能保证服务质量（QoS）。因此，根据网络状况会发生网络拥塞，导致视频和音频中断。

为了实现稳定的流质量，发送方必须根据网络状况动态调整传输方法。但对于实时流来说，决定合适的传输方法（如减少带宽消耗、自动重传请求（ARQ）和前向纠错（FEC））是一个真正的挑战。

实时流通常通过基于IP和UDP的RTP进行传输，与RTP一起发送的RTCP支持“速率控制”，作为根据可用带宽容量调整传输速率或适应网络拥塞的基本功能之一。ARQ用于通过发送方重传丢失的数据包来恢复数据包丢失，但在实时流中，低延迟很重要，这意味着发送方和接收方不能生成大量缓冲区，因此实时流通常不能应用ARQ。

另一种技术是FEC，发送方在其流中添加冗余数据，接收方可以检测并纠正传输过程中发生的错误，而无需向发送方请求额外数据。FEC算法在各种应用中得到了显著应用。

在端到端模型中，实时流通常会根据网络状况的变化尽力保持稳定的流质量。当发生网络拥塞并导致数据包丢失时，发送方必须执行支持性的数据包丢失避免和质量适应机制，如帧率控制和动态FEC。如果发送方不能调整传输方法，数据包丢失将严重影响流质量。

速率控制（如帧率控制）用于通过丢弃视频数据来减少消耗的带宽，发送方可以快速执行此方法，延迟不会变得很长，因此速率控制是拥塞控制最重要的方法。而改变压缩率不适合实时流，因为执行起来需要更多时间。FEC方案非常适合实时流，许多流应用都采用了它，因为发送方可以决定合适的FEC编码率，接收方可以快速恢复数据包丢失以保持流质量，而无需接收方报告。

此外，还有网络资源管理技术，其中主要协议包括“资源预留协议（RSVP）”，它为发送方和接收方之间的数据传输预留网络带宽；“基于类的排队（CBQ）”是一种在分组网络中共享链路上带宽的资源共享机制。但这两种技术都需要在网络设备级别进行资源管理，要求网关容纳关键组件很难实现，并且缺乏通信灵活性，因此难以用于广泛使用的互联网上的常见流架构。

4. DVTS的增强技术

4.1 冗余音频传输

通过多次发送DV音频数据，可以提高DV音频数据的鲁棒性。与DV视频和系统数据相比，DV音频数据使用的网络带宽微不足道，因此多次发送DV音频数据是可扩展的。

4.2 TCP友好的DVTS拥塞控制

大多数实时应用使用UDP作为传输层协议，但UDP没有拥塞控制机制，因此UDP与具有拥塞控制机制的TCP无法共存。为了解决这个问题，当使用UDP作为传输层协议时，需要应用层拥塞控制。

通过在DVTS中实现拥塞控制机制，可以实现TCP友好的实时视频和音频传输。当网络中没有其他流量时，DVTS将尽可能多地使用带宽；但当网络中发生拥塞时，它会减少网络带宽的使用，这是通过动态丢弃发送方应用程序中的图片帧来实现的。通过在网络拥塞期间减少网络带宽的使用，DVTS是TCP友好的，并且网络带宽的使用将更加公平。

然而，这种方案需要检测到数据包丢失才能触发调整机制，而实时视频和音频传输中的数据包丢失会导致视频和音频输出变形。因此，TCP友好的实时视频和音频传输应用尚未广泛部署。虽然在数学上可以使实时视频和音频传输TCP友好，但由于数据包丢失会大幅降低视频和音频质量，因此需要一种能够在大量数据包丢失之前工作的带宽估计机制。

4.3 使用ECN的无数据包丢失的TCP友好DVTS

TCP友好的DVTS可以适应可用带宽并与普通流量共享带宽，但它不能稳定其流量。当TCP友好的DVTS与其他流量共享网络带宽时，发送的流量会像TCP流量一样周期性地增加和减少，这是由于图片帧率的快速变化导致的。帧率增加后会周期性地导致数据包丢失，周期性的数据包丢失会降低视频和音频质量。

这个问题是因为TCP友好的DVTS依赖数据包丢失来进行拥塞检测。通过使用ECN（显式拥塞通知），可以在不发生数据包丢失的情况下检测网络拥塞。

5. 实时流的适应要求

为了在端到端模型中保持稳定的流质量并有效利用网络资源，发送方需要适应帧率和FEC编码率之间的最佳组合。

拥塞控制机制对于避免数据包丢失是必不可少的，速率控制通常用作拥塞控制。通过减少消耗的带宽并在网络带宽内发送数据，可以解决视频和音频中断的问题。但过度降低传输速率会导致网络资源利用效率低下，无法提供最佳质量的流。

“TCP友好速率控制”是一种值得注意的方法，它相对于共存的TCP流表现公平，为避免传输速率的剧烈波动提供了有前景的机制。但在相同条件下，非TCP流的吞吐量不会超过符合标准的TCP连接的吞吐量，这对于消耗高带宽的DV流来说并不合理。

FEC对于流应用特别有效，因为它在数据包中添加冗余信息，使接收方能够在不请求重传的情况下纠正丢失的数据包。这种冗余级别定义为FEC编码率，由接收方的误码率（BER）和先前使用的编码率决定。FEC速率控制用于改变数据的冗余度，其值越高，恢复流的可能性越大，但会增加流量。

通过分析数据包丢失恢复情况可以发现，FEC机制在丢失数据包模式为“脉冲”、网络状况不稳定或频繁变化时特别有效。因此，可以通过监控流中的FEC恢复率来预测网络状况，因为只有当数据包丢失率低于FEC编码率时才能恢复数据包。例如，如果在一段时间的流传输中，FEC不能完全恢复丢失的数据包，这意味着网络拥塞可能没有得到缓解，需要更多的速率控制。

综上所述，在端到端模型中，发送方要适应帧率和FEC编码率之间的最佳组合是必要的，但也是非常困难的。

6. 独特的媒体流事件

6.1 互联网节拍器

2005年9月21日，作为爱知世博会的总决赛活动，进行了一次通过互联网进行的未压缩高清电视的实验性远程爵士即兴演奏会。位于爱知世博会场馆和阿姆斯特丹SARA的专业爵士音乐家使用名为“互联网节拍器”和“延迟控制单元”的新机制，通过国际“光路”进行了爵士即兴演奏会。

这是首次使用新方法进行的音乐合作，也是在当前软硬件架构下进行定时控制的未压缩高清电视流传输的具有挑战性的演示之一。“互联网节拍器”和“延迟控制单元”能够利用和控制延迟来设定节奏，“光路”将网络抖动降至最低。

通过这些新机制和技术，音乐家们能够在存在长通信延迟的互联网上拥有新的音乐合作环境，并在两端享受远程爵士即兴演奏会。此前有一些关于互联网音乐合作的研究，主要关注大延迟、抖动、其他通信参数以及音视频质量等问题。而这次实验是首次使用光路技术进行长距离互联网音乐合作以减少抖动。

与之前的音乐合作尝试不同，这次明确考虑了互联网上的延迟，而不是忽略它。“互联网节拍器”和“延迟控制单元”为长延迟的互联网音乐合作提供了新环境，事实证明音乐家们能够在这种新环境中演奏。“光路”技术为互联网应用提供了配置服务，实验中使用的i-Visto用于未压缩高清电视流传输，它只有两帧的缓冲区，在正常情况下，日本和荷兰之间的互联网存在较大抖动，而这次实验的成功证明了“光路”技术的可用性。

6.2 DMC全球工作室项目

庆应义塾大学的数字媒体与内容研究所（DMC）于2004年成立，其有两个目标：促进上下文数字内容的创作，以及开展研究、鼓励国际发行并与世界其他机构合作培养人力资源。

DMC全球工作室项目是DMC的项目之一，于2005年启动以实现DMC的目标。该项目正在设计全球工作室架构并运营全球工作室。

DMC全球工作室由多个组织运营，截至2007年7月，有3所大学和2个其他组织与DMC一起运营全球工作室。每个合作伙伴组织至少提供一个全球工作室参与项目，通过提供资源，合作伙伴组织可以使用其他合作伙伴的全球工作室。

通过这种机制，参与组织的教授或研究人员可以使用其他组织的资源。此外，DMC全球工作室项目还与SOI-亚洲项目合作，SOI-亚洲项目是亚洲国家的人力资源开发项目，全球工作室对其开放，SOI-亚洲的教授可以在任何他们想使用的全球工作室为学生授课。

7. IPTV

7.1 IPTV概述

2006年10月，ITU-T FG-IPTVF批准了IPTV的定义，IPTV被定义为通过IP网络传输电视、视频、音频、文本、图片图像和数据的服务，传输网络还需要可靠性因素，如QoS、QoE和安全功能。

由于IPTV的含义广泛，涉及多个领域，且IP基础设施最初并非用于传输音频和视频，因此为IPTV设定标准很困难。

IPTV交付网络基础设施通常由ISP管理，核心网络使用CDN技术构建，并通过光纤或ADSL连接到客户端的接入网络。在IPTV系统中，视频和音频被封装在一个中间的分组层，即与视频格式无关的传输流（TS），它在MPEG2系统标准中定义，可确保同步、信令和安全。

IPTV的传输机制基于RTP IP多播，内容（特别是视频流）通常通过MPEG2或H.264格式压缩并封装到MPEG2TS数据包中，这是用于传输数字广播和有线电视的趋势技术。目前，MPEG2 SDTV是IPTV的主流，但很快将被H.264 HDTV取代。

TS解决方案虽然已广泛使用多年，但会给网络带来额外开销，随着接近客户端，带宽变得稀缺，且缺乏灵活性和可扩展性。另一种解决方案是直接将视频数据放入RTP数据包中，无需TS封装，IETF已针对不同视频格式发布了许多标准化方案，这种方法具有消耗带宽少、灵活性和可扩展性高以及易于实现新功能和服务等优点。

数字视频广播（DVB）论坛发布了基于TS方法的标准，互联网流媒体联盟（ISMA）发布了使用非TS方法的规范。

IPTV实施中的一个现实问题是基础设施环境，特别是频道切换可能会导致一些家庭网络出现网络带宽短缺。主要西方国家的最后一英里连接采用ADSL网络基础设施，其最大吞吐量限制在20至30 Mbps；日本的光纤连接网络基础设施接入能力可达1 Gbps，但限制在100 Mbps。在有限带宽下，提供足够带宽以适应频道切换能力是一个挑战。

2005年，有超过300万客户端连接到某种IPTV服务。目前，大多数IPTV服务是直播电视和视频点播服务。预计在不久的将来，个人内容、由SNS生成的社区内容以及多种媒体的通信和协作组合将作为一个整体服务发展，到2010年，预计基础设施中将有超过4500万客户端。

7.2 IPTV的标准化

IPTV的标准化由ITU-T焦点小组（FG）IPTV推动，其任务是协调和促进全球IPTV标准的发展，同时考虑ITU研究组以及标准制定组织、论坛和联盟的现有工作。

2006年7月10日至14日在日内瓦举行的FG IPTV首次会议上，最初将IPTV定义为：“IPTV是指通过基于IP的网络提供的多媒体服务，如电视、视频、音频、文本、图形和数据，这些网络经过管理以提供所需的QoS、QoE、安全性、交互性和可靠性。”

最初组建了六个工作组：
- WG1：IPTV的需求和架构
- WG2：QoS和性能
- WG3：服务安全和内容保护
- WG4：IPTV网络控制方面
- WG5：终端系统和互操作性报告

宽带互联网应用中的视频传输技术解析

8. 技术总结与对比

为了更清晰地了解上述各种视频传输相关技术，我们可以对它们进行总结和对比。以下是一个简单的表格，对比了不同技术在带宽使用、可靠性、适用性等方面的特点。
| 技术 | 带宽使用 | 可靠性 | 适用性 | 主要优势 | 主要劣势 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| DVTS 普通传输 | 约 30 Mbps | 受网络拥塞影响大 | 标清视频会议 | 低延迟、DV 格式 | 依赖网络状况，易出现音视频中断 |
| DVTS 帧丢弃 | 根据帧丢弃率变化 | 有一定改善 | 带宽不足场景 | 可灵活调整带宽使用 | 可能降低视频质量 |
| ARQ | 可能增加带宽用于重传 | 可恢复丢包 | 对丢包恢复要求高的场景 | 有效恢复丢包 | 不适用于实时流，增加延迟 |
| FEC | 增加冗余数据占用带宽 | 可纠正传输错误 | 实时流 | 无需重传请求恢复丢包 | 增加带宽消耗 |
| RSVP | 预留带宽 | 保证带宽可用性 | 对带宽稳定性要求高的场景 | 稳定带宽供应 | 网络设备要求高，缺乏灵活性 |
| CBQ | 共享带宽 | 一定程度保证公平性 | 分组网络 | 公平共享带宽 | 网络设备要求高，缺乏灵活性 |
| 冗余音频传输 | 增加少量带宽 | 提高音频鲁棒性 | 对音频质量要求高的场景 | 增强音频可靠性 | 增加少量带宽开销 |
| TCP 友好 DVTS | 动态调整 | 受拥塞检测机制影响 | 与 TCP 共存场景 | 与 TCP 公平共享带宽 | 依赖丢包检测，可能降低音视频质量 |
| 使用 ECN 的 TCP 友好 DVTS | 动态调整 | 减少丢包影响 | 与 TCP 共存场景 | 无丢包检测拥塞 | 实现相对复杂 |
| IPTV TS 封装 | 有额外开销 | 确保同步、信令和安全 | 数字广播和有线电视传输 | 成熟技术 | 带宽开销大，缺乏灵活性 |
| IPTV 非 TS 封装 | 消耗带宽少 | 依赖标准完善 | 新兴视频传输场景 | 灵活可扩展 | 标准仍在发展中 |

9. 技术应用流程示例

以 DVTS 帧丢弃技术为例，我们可以用 mermaid 流程图来展示其应用流程：

graph LR
    A[开始] --> B{检测网络带宽}
    B -- 带宽充足 --> C[正常传输视频和音频数据]
    B -- 带宽不足 --> D{选择帧丢弃率}
    D -- 1/2 速率 --> E[每 2 个 DV 帧丢弃 1 个视频数据]
    D -- 1/3 速率 --> F[每 3 个 DV 帧丢弃 2 个视频数据]
    E --> G[发送音频数据和剩余视频数据]
    F --> G
    G --> H{继续检测带宽}
    H -- 带宽改善 --> C
    H -- 带宽仍不足 --> D

这个流程图展示了 DVTS 在网络带宽不足时如何通过帧丢弃来调整带宽使用，并且会持续检测带宽状况，根据情况动态调整传输策略。

10. 未来发展趋势展望

随着互联网技术的不断发展，视频传输技术也将不断演进。以下是一些可能的发展趋势：
- 更高清视频格式普及 ：如 H.264 HDTV 逐渐取代 MPEG2 SDTV 成为 IPTV 的主流，未来可能会有更先进的视频编码格式出现，提供更高质量的视频体验。
- 智能自适应传输技术 ：结合人工智能和机器学习算法，实现更智能的传输策略调整。例如，根据实时网络状况自动选择最佳的帧率、FEC 编码率等参数，以达到最佳的流质量和带宽利用效率。
- 网络基础设施升级 ：随着 5G 网络、光纤网络等高速网络的进一步普及，网络带宽将得到极大提升，减少带宽对视频传输的限制，为高清、超高清视频的实时传输提供更好的支持。
- 跨平台和多设备兼容性增强 ：用户希望能够在不同的平台和设备上流畅地观看视频，因此视频传输技术需要更好地支持跨平台和多设备的兼容性，确保在各种终端上都能获得一致的高质量体验。

11. 总结

本文详细介绍了宽带互联网应用中的多种视频传输技术，包括 DV 帧传输机制、帧丢弃策略、带宽与可靠性管理、DVTS 的增强技术、独特的媒体流事件以及 IPTV 相关技术等。这些技术在不同的场景下各有优劣，需要根据具体的网络状况、应用需求和服务质量要求来选择合适的技术方案。

同时，我们也看到了视频传输技术在不断发展和创新，未来将朝着更高清、更智能、更稳定的方向发展。在实际应用中，我们需要密切关注技术的发展趋势，不断优化和改进传输策略，以满足用户对高质量视频体验的需求。

希望通过本文的介绍，读者能够对宽带互联网应用中的视频传输技术有更深入的了解，并在实际工作和生活中更好地应用这些技术。