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互联网高清视频及其实现方式

孙颖| 高清,互联网视频,分发网络| 2010-12-27
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【中心议题】

  •     *高清视频的基本概念
  •     *高清的实现方式

【解决方案】

  •     *源这一环节是实现高清的最关键环节
  •     *分发网络和接入环境

1引言

互联网高清视频是在2008年奥运会开幕式的高清版在网上盛传之后才被广泛认识的,一直忍受比豆腐块还小的视窗里模糊不清的人脸的人们忽然发现,原来网络上也能看到这么完美的视频画面。短短半年时间,各大门户、视频网站纷纷开设了高清区,有的还提供了收费业务,但目前效果堪称“高清”的网络视频大多数还是需要用户花几个小时下载到本机上观看,人们最喜欢的在线观看方式中,被贴上“高清”标签的品质参差不齐,片源分辨率从320×2401080P、码率从300 kbit/s到几Mbit/s都有,原因在于目前并没有一个适用于互联网视频的明确的高清标准。本文通过分析网络视频涉及的4个技术环节,与读者分享笔者在高清互联网视频方面的一些想法,最后结合中国电信北京研究院所做的一项关于互联网视频源标准的测试,提出视频源标准的建议,供业界同仁参考。

2“高清”的定义

提起“高清”,大家都会想到1 080P,专业人士会想到其他诸如1080i720P等。这些数字和字母代表的是画面的有效显示格式,通常以显示列数为数字标识,1080P指画面有效显示格式为1920×1080,字母P指逐行扫描,i指隔行扫描。同理,720P指逐行扫描下,画面有效显示格式为1280×720

事实上,上面这些为人熟知的高清标准都是数字电视领域的,是针对电视机屏幕和广播系统硬件条件的,这些标准直接用到互联网视频上是否合适呢?

3高清的实现方式

人们在互联网上收看视频(以下如无特殊说明,互联网视频均指在线视频,包括直播和点播方式,不包括下载方式),是以流媒体或文件方式传送的。如图1所示,媒体流从服务提供者的源服务器进入分发网络或运营商基础网络,到达单用户的宽带接入线路,最后才能到达用户的电脑,呈现在用户眼前。这一整条传送途径上的每个环节都要支持高清视频的传送,用户才能看到清晰、流畅的画面。下面对互联网视频涉及的技术环节逐一进行分析。

3.1

俗话说,“巧妇难为无米之炊”。源这一环节可算是实现高清的最关键环节,如果源达不到高清标准,再好的网络条件和用户环境都没办法呈现完美的高清视频画面。下面就直播方式和点播方式的视频分别进行讨论。

网络电视直播时,电视信号首先通过视频采集卡转成数字信号,再通过压缩软件进行编码处理,形成一个可以在网络上传送的媒体流,这些媒体流经过编辑预处理就可以送入视频分发网络了。但令人失望的是,目前大多数电视台是模拟信号,这种模拟信号在拍摄的时候分辨率就很低,这种品质的源不论怎样处理,都达不到高清的要求。另外,直播视频的采集设备性能也是影响视频质量的一个关键环节,同样的源经过不同性能的采集设备处理,会呈现出截然不同的画质。

互联网影视点播在网络中是以文件方式传送的,现在网上有很多高清源供下载,这些都是已经转压成高码率、高分辨率的高清视频文件,可以直接在网络中传送。如果从原始介质转压,就需要介质本身具备高清条件。严格地说,目前只有蓝光盘能达到真正的1 080P高清画质,降低一点要求的话,D9D10D18介质的画质也都可以满足用户的观看需求。从原始介质到网络视频文件,首先要压缩成可以在网络中传送的媒体数据,再封装成可以用播放器播放的文件格式。这两个步骤中涉及很多协议参数的设置,以使画面保真度、色彩饱和度、带宽适应能力等都满足要求,对操作者的经验要求很高。好的原始介质要经过高质量的压缩操作,才能转化为好的视频文件。

不管是流媒体形式的直播,还是文件形式的点播,影响画面清晰度的主要是分辨率,这与数字电视节目是一样的。在网络视频领域,经常需要计算表达某个分辨率画面所需的码率。所谓码率,就是数据传输时单位时间传送的数据位数,类似于取样率。单位时间内取样率越高,精度就越高,处理出来的文件就越接近原始文件。但要注意,并不能简单地理解为码率越高,分辨率越高,清晰度越好,而是在相同分辨率的源、采用相同的压缩算法下,码率高的可以呈现更好的画质。

3.2分发网络

影片从原始的源转变成可以在网络中传送的流媒体或文件后,就进入了分发环节,即从服务提供商的服务器传送到用户终端,这一环节决定了用户收看视频的稳定性、流畅度以及清晰度。

在线视频,尤其是在线高清视频一旦开始传输,就必须以稳定的高速率传送到桌面电脑上,以保证其稳定播放。在播放过程中视频、音频数据流都不能有停滞和间断,因此对传送网络的端到端时延、抖动、误码率等指标要求很高。

理论上,可以依靠IP网络本身的组播能力完成视频传送,但目前这种方案还不具备全网商用能力。目前的解决方案主要分为两种:一种是CDN技术;另一种是大家熟知的P2P技术。这两者的基本思想都是利用叠加网络能力弥补基础网络在某一应用上的弱点,一方面解决高并发给源站服务器带来的压力,另一方面降低对骨干网带宽的占用。总的来说,现在的分发网络已经能够满足多种格式的高清视频传送,不算是高清视频业务的瓶颈环节。

P2P技术方案最大的优势在于可以通过低廉的投入获得尚可的流媒体服务质量;CDN技术方案的优势在于高码率传送能力以及较高的稳定性和安全性,但建网成本高。运营商基本选择CDN技术组网,其他服务商则多数倾向于选择P2P技术提供服务。下面从多个方面对这两类主流技术进行对比分析。

 

1)容量

理论上,CDN系统是存在容量限制的,P2P系统的容量是没有限制的,在线用户越多,网络越顺畅,这意味着P2P系统能够很好地适应大量的突发访问。

2)时延

CDN系统可以迅速地完成播放所需要的准备,通常只有很短的播放时延,这部分时延主要是由CDN的管理协议引起的。而P2P系统通常有时延,这是由于系统需要缓冲一定的内容来进行P2P交换。

3)占用带宽

CDN技术能够很好地节省骨干网络的带宽,保证相同内容一次分发给所有请求用户。相反,P2P系统的带宽占用较大,通常是依靠对内容的多线程并发传输保证服务的质量,或多或少地存在内容重复分发问题。而且,现有P2P系统的本地化访问优化能力较弱,大量访问会穿越骨干网络,给骨干网络带来巨大的压力。一方面,目前各大运营商对第三方P2P流量的态度尚不明朗;另一方面,P2P网络所有者并未掌握运营商的IP网络拓扑和流图1互联网视频传送途径量模型,导致流量调度模型与基础网络模型不匹配,从而影响了P2P网络的效率。

4)对流媒体业务的管理能力

CDN系统具备很强的内容管理能力。而P2P系统中的Peer点可能随时加入、离开或出现故障,因此P2P系统缺乏对网络的带宽、内容、服务质量的管理能力。

5)安全性

P2P系统虽然通过分散服务点实现了对源服务器的保护,但是在普通PC上共享内容会破坏既有的安全机制,带来系统安全漏洞,而恶意的病毒共享和网络欺诈行为进一步恶化了P2P系统的安全问题。CDN系统能够提供较高的服务器安全性,同时不会带来新的客户机安全问题。

6)版权保护

CDN系统的源可管可控,不会引起版权保护问题。而P2P系统将内容的发布能力提供给了终端用户,这虽然丰富了发布的内容,但是引发了盗版泛滥,这一问题目前仍没有很好的解决方案。

7)用户使用

P2P系统需要客户端安装插件。虽然流媒体本身的内容可以用Windows Media Player或者RealPlayer之类的通用播放器播放,但是客户端需要安装插件来接收和交换流媒体的内容。相比较而言,CDN系统支持通用播放器,无需安装新软件,大大降低了用户使用门槛。

8)网络维护

现有的P2P系统通常依靠P2P协议形成自组织网络,网络维护量相对较少;而CDN系统涉及复杂的设备和配置维护,网络管理相对更为复杂。

随着视频业务的迅速发展,P2PCDN技术都跨越了初期的粗放阶段,进入技术优化和业务管理精细化阶段。中国电信建设了专门针对高码率流媒体承载的HMDN(高清媒体分发网络),能够承载高达4 Mbit/s的流媒体在线播放业务,提供全国几十万并发能力。这张网络承载的高码率视频业务与网络带宽升级相适应,将为用户带来超乎以往的互联网视频观看体验。

3.3接入条件

一部视频码率为1.5 Mbit/s的影片,所呈现画面点阵为768×576或者720×540,加上音频编码以及传送开销,要求用户接入带宽至少为2 Mbit/s,否则就不能保证显示所需数据正常传送到用户电脑,用户看到的画面将出现不连续或者马赛克现象。

目前,电信运营商的用户接入带宽为512 kbit/s10 Mbit/s

DSL接入的用户带宽多为512 kbit/s1 Mbit/s2 Mbit/s4 Mbit/sLAN接入用户带宽多为10 Mbit/s共享。1 080P影片经过压缩编码后码率为810 Mbit/s720P影片经过压缩编码后码率为67 Mbit/s。可以看出,现在绝大部分用户还不能在线收看1 080P720P高清影片。不论电信运营商还是第三方视频服务提供商,都不会超越上述接入带宽的限制提供服务。中国电信现在提供的“天翼”客户端PC版、部分省公司“互联星空”影视频道提供的1 Mbit/s1.5 Mbit/s视频节目,能在电脑上呈现清晰的画面,能够满足用户对高品质视频效果的要求,同时适应用户的接入带宽。

3.4用户终端

用户终端这里主要指用户电脑,用户电脑的配置会影响视频业务的质量,这里重点分析显示器的分辨率和CPU处理能力对视频业务的影响。

可以认为,电脑的屏幕分辨率决定了一屏能够显示的最大点阵,CPU处理能力决定了电脑能够实时接收和处理的码率。

用户电脑显示屏的分辨率大多为1024×768(纵列1024个像素点,横行768个像素点),显然这样的屏幕是无法以原像素点大小显示1920×1080个像素点的,无法满足1080P标准的要求。

再看CPU的处理能力和码率的关系。影片的码率即每秒传送到用户电脑上的数据量,2 Mbit/s码率意味着CPU每秒要能够同步处理这样庞大的数据,才能把视频信息还原成用户可见的视频画面。目前市面上销售的低配置电脑不能达到这个要求。

从上面的分析可以看出,用户的接入带宽和电脑CPU处理能力对视频清晰度还是有一定限制的。

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