基于DVB-C的流媒體廣播系統實(shí)驗研究

　　1 引言

　　基于DVB-C的數據廣播在共享多媒體等海量數據方面具有明顯的優(yōu)勢，可解決網(wǎng)絡(luò )上傳輸海量流媒體信息資源引起的網(wǎng)絡(luò )阻塞，是一種低成本接收和可提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的優(yōu)秀信息共享結構。因此，基于DVB-C數據廣播網(wǎng)的流媒體技術(shù)是具有潛力的技術(shù)。

　　為此，本文介紹了一種搭建在實(shí)驗室的流媒體廣播系統，可用于DVB-C有線(xiàn)電視廣播網(wǎng)平臺，為現有DVB-C數字有線(xiàn)電視系統開(kāi)展流媒體業(yè)務(wù)提供了一種由發(fā)送端到接收端的解決方案。

　　2 流媒體傳輸技術(shù)方案

　　流媒體的傳輸涉及到兩方面的技術(shù)：其一，服務(wù)器端與客戶(hù)端的通信技術(shù)，包括多媒體數據的傳輸、命令控制等;其二，客戶(hù)端對收到的多媒體流實(shí)時(shí)解碼播放的技術(shù)。

　　本文中，對多媒體流的解碼播放使用DirectShow技術(shù)，它將流媒體處理劃分為若干個(gè)連續的步驟，包括音視頻數據的采集、傳輸、分離、合并、編碼、解碼和回放等。每個(gè)具體的流媒體處理過(guò)程可由其中的幾個(gè)步驟組成。利用其中濾波器處理一個(gè)或多個(gè)步驟，用不同的濾波器實(shí)現不同的功能。開(kāi)發(fā)人員可創(chuàng )建自己的濾波器，也可用微軟或第三方提供的濾波器。應用程序連接若干個(gè)濾波器進(jìn)行指定的流媒體處理。數據可在不同的濾波器間傳輸，傳輸方向一般是單向的。一個(gè)過(guò)濾器通過(guò)輸出針將特定的輸出送到下游過(guò)濾器的輸入針。傳輸的數據加有時(shí)間戳，用來(lái)同步音視頻數據的回放。

　　圖1為利用DirectShow開(kāi)發(fā)流媒體程序的框圖。

　　在DirectShow中，濾波器分為3類(lèi)。

　　1) 源濾波器：從數據源獲取原始數據。不同的源濾波器可處理一類(lèi)或多類(lèi)數據源，包括本地文件、網(wǎng)絡(luò )和數據采集卡等。

　　2) 變換濾波器：用來(lái)獲取、處理和傳送媒體數據，它包括分離視頻和音頻的切分過(guò)濾器、解壓視頻數據的視頻解碼過(guò)濾器、解壓音頻數據的音頻解碼過(guò)濾器。

　　3) 終端濾波器：對數據進(jìn)行最后的處理，可顯示視頻、回放音頻、保存數據或者將數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )等。

　　3 系統設計

　　3.1 系統總體設計

　　在DVB傳輸協(xié)議的基礎上，采用合適的硬件和軟件結構可構建一套數據廣播系統。圖2給出了在實(shí)驗室搭建的基于DVB-C的數據廣播系統平臺結構圖。

　　系統所用設備：北京藍拓撲的IP/DVB網(wǎng)關(guān)(BDG-10)和數據接收卡(BDR-10C);九州QAM調制器;普通PC機，其中服務(wù)器使用WIN XP操作系統;客戶(hù)機使用的WIN 2000操作系統;IP/DVB網(wǎng)關(guān)使用WIN 2000Server操作系統。

　　該系統同時(shí)具備本地文件廣播及流媒體廣播功能。服務(wù)器利用IP多播技術(shù)，將UDP數據包通過(guò)內部以太網(wǎng)傳送到IP/DVB網(wǎng)關(guān)，把輸入的IP數據打包成DVBTS碼流輸出，經(jīng)過(guò)640AM調制器調制到一個(gè)特定的8MHz帶寬的模擬電視頻道上，在有線(xiàn)電視網(wǎng)上傳送，信號經(jīng)過(guò)分支器進(jìn)行衰減，客戶(hù)端的PC機使用DVB-C接收卡接收各類(lèi)文件及流媒體數據。

　　根據流媒體系統的設計要求，整個(gè)基于DVB-C的流媒體廣播軟件系統由服務(wù)器數據廣播發(fā)送軟件系統和客戶(hù)端接收實(shí)時(shí)播放軟件系統組成。

　　3.2 服務(wù)器端軟件設計

　　實(shí)驗系統軟件設計采用面向對象的程序設計方法，藍拓撲接收卡提供了適用于Visual C++6.0的API接口函數，因此，軟件開(kāi)發(fā)臺使用Visual C++提供的MFC編程平臺，發(fā)送接收使用Windows Socket技術(shù)，采用面向無(wú)連接的UDP協(xié)議來(lái)實(shí)現服務(wù)器端主動(dòng)發(fā)送數據、用戶(hù)端被動(dòng)接收數據。發(fā)送端選擇MPEG-1編碼格式的多媒體文件作為節目源。

　　其發(fā)送進(jìn)程如圖3所示。

　　1) 初始化進(jìn)程環(huán)境

　　2) 數據庫記錄集對象_RecordsetPtrm_pRecordset首先移動(dòng)到記錄集中的第一條記錄處m_pRecordset.Movefirst();

　　3) 讀取數據庫獲得文件路徑(數據庫第三欄)m_p Recordset->GetCollect(“位置”)，用函數CFile：：Open打開(kāi)待發(fā)送的文件;

　　4) 啟動(dòng)文件發(fā)送線(xiàn)程(一個(gè)函數循環(huán))，用函數CFile：：read順序讀取文件數據(74 368 bit)到緩沖區，緩沖區定義為

　　#define MPEG1_PACK 　9296

　　cbar*　 pBuf =　new char[MPEG1_PACK]

　　用CSocket：：SendTo函數將緩沖區數據封裝成UDP包并發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，等待30 ms后繼續此循環(huán)，直至文件發(fā)送完畢;

　　5) 將記錄集對象指針移動(dòng)到下一條記錄處，發(fā)送下一個(gè)文件，程序執行3)，直至記錄集對象指針指到最后一條記錄處。

　　3.3 客戶(hù)端軟件設計

　　客戶(hù)端接收并解碼播放部分是系統的難點(diǎn)也是重點(diǎn)?？蛻?hù)端解碼播放部分建立的DirectShow過(guò)濾器如圖4所示。除了源濾波器外，其他濾波器由DirectShow SDK中提供，但MPEG-1切分過(guò)濾器只能工作在拉模式(切分過(guò)濾器向源過(guò)濾器發(fā)送數據請求，源過(guò)濾器發(fā)送數據來(lái)回應請求)下，因此，Source Filter也設計成拉模式。

　　客戶(hù)端接收實(shí)時(shí)回放軟件系統所用的關(guān)鍵技術(shù)有：

　　1) 雙緩沖隊列技術(shù)

　　客戶(hù)端通過(guò)函數CSocket：：ReceiveFrom循環(huán)接收服務(wù)器端發(fā)送的數據包，為減輕網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)的影響，必須進(jìn)行一定量的緩沖，才能交給DirectShow解碼處理，動(dòng)態(tài)地一邊繼續從網(wǎng)絡(luò )接收數據，一邊將得到的數據進(jìn)行解碼回放。因此，使用了雙緩沖隊列技術(shù)，封裝的CDataAdmin類(lèi)實(shí)現對數據接收隊列的管理。

　　建立了兩個(gè)隊列：第一隊列是空閑的緩沖隊列Pool-List，用以接收存放數據包;另一個(gè)是尚未處理的數據緩沖隊列DataList，等待下游Filter的讀取。其代碼如下：

　　當客戶(hù)端接收到一個(gè)包的數據，從PoolList的頭部拿出一個(gè)緩沖塊，存放數據，然后將這個(gè)緩沖塊加入到DataList的尾部等待DirectShow的Filter讀取;從DataL-ist頭部拿出一個(gè)緩沖塊，DirectShow的Filter讀取緩沖塊內的數據，讀完后將緩沖塊加入到PoolList的尾部，等待再一次地接收數據。

　　2) 源過(guò)濾器的設計

　　流媒體數據傳輸技術(shù)決定了DirectShow Filter只能讀取緩沖中的各個(gè)包數據，由于DirectShow只提供了異步文件源過(guò)濾器和URL文件源過(guò)濾器，因此，自己必須設計源過(guò)濾器。如圖5所示。

　　在源過(guò)濾器的模塊結構中，過(guò)濾器CMemStream是從DirectShow SDK中的基類(lèi)CAsyncStream繼承而來(lái)，處理從第二隊列中讀取數據，主要是由重載的CMem-Stream：：read函數完成。輸出CAsyrncOutPin實(shí)現了I-AsyncReader接口以支持異步操作。所使用的切分過(guò)濾器的輸入pin是拉模式，它從CAsyncOutputPin的IAsyn-cReader接口中索取數據。圖中所有的數據請求都是由異步I/O操作類(lèi)CAsyncIo來(lái)處理，而CAyncIo的核心是請求對列處理線(xiàn)程，它不停地從請求隊列中取數據請求并處理，實(shí)現異步數據請求操作。

　　總體數據流向為：在建立源濾波器CMemReader時(shí)，CMemReader會(huì )建立一個(gè)CAyncIo對象且CAsyncIo在合適啟動(dòng)一個(gè)請求丟隊列處理線(xiàn)程，然后開(kāi)始以下的處理流程：1)MPEG-1切分過(guò)濾器向CAyncOutputPin提出數據請求;2) CAsyncOutputPin將該請求加以包裝并加入到CAsyncIo的請求隊列中，由處理線(xiàn)程來(lái)處理;3)處理線(xiàn)程通過(guò)內部流類(lèi)CMemStream訪(fǎng)問(wèn)緩沖區，讀取數據并通過(guò)CAyncOutputPin發(fā)給MPEG-1切分過(guò)濾器。實(shí)際應用時(shí)，使用了DirectShow SDK提供的基類(lèi)CAyncIo和CAyncOutputPin，CMemReader是從DirectShow SDK中的基類(lèi)CAsyncReader繼承而來(lái)，這一切簡(jiǎn)化了程序設計。

　　4 實(shí)驗結果分析

　　實(shí)驗完成了單路多媒體數據的廣播流式發(fā)送與接收并實(shí)時(shí)播放。利用丟包率與網(wǎng)絡(luò )帶寬等信息來(lái)檢測網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)與確定發(fā)送速率。

　　1) 丟包的檢測

　　在單播環(huán)境中，本文采用的檢測方法為：發(fā)送端在發(fā)送固定數量的MPEG-1格式文件的同時(shí)，發(fā)送固定頻率的空UDP包;接收端通過(guò)檢查能接收到的包數目來(lái)檢測包丟失情況。本服務(wù)器端發(fā)送4 495個(gè)數據包的MPEG-1格式文件，每個(gè)數據包9 296 byte，同時(shí)服務(wù)器端以2.1 Mbit/s的速率發(fā)送空的UDP測試包，接收端能收到的平均包數日為3 701，丟包率為17.7%。這主要是由網(wǎng)絡(luò )擁塞與網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路衰減引起的。

　　丟包情況下接收端有馬賽克現象，但是現象影響輕微，用戶(hù)可觀(guān)看流暢的流媒體節目，并能把收到的節目存入文件。這表明在實(shí)驗中，流媒體廣播能成功接收。

　　2) 網(wǎng)絡(luò )帶寬

　　DVB-C平臺中調制器參數設置為：64QAM調制;網(wǎng)關(guān)最大傳輸速率為32 Mbit/s，可復用多路服務(wù)器的數據在8 MHz的模擬頻道上進(jìn)行傳輸，例如文件服務(wù)器等。流媒體數據的占用帶寬情況可在IP/DVB網(wǎng)關(guān)中觀(guān)測到，實(shí)際占的最大帶寬可等效于3.17 Mbit/s，網(wǎng)關(guān)可復用多路獨立的流媒體服務(wù)器的同時(shí)并行發(fā)送。

　　因此，DVB-C廣播平臺擁有較高的傳輸速率，在單向傳輸大容量多媒體數據時(shí)比因特網(wǎng)更具有優(yōu)勢，可有效緩解因特網(wǎng)中的信息擁塞問(wèn)題。