軟件工程計算機 網絡視頻直播系統(tǒng)研究與開發(fā)

引言21世紀是一個信息時代。以多媒體計算機和互聯網為核心的信息技術應用浪潮，潛移默化的對現代教育進行影響，并且為現代教育提供大量的新思維。計算機網絡的普及正在逐步打破傳統(tǒng)的教學方式，現如今國內各大院校都已完全被校園網絡覆蓋，互聯網帶來的便利解決了諸多問題，例如：提供更多的知識獲取途徑、給教師和學生提供了大量的多媒體課件、推出了模擬教學系統(tǒng)以及讓教學資源可以被共享。校園網作為一個通用的接入平臺，在高校信息交流、管理和教學資源共享等方面發(fā)揮了重要作用。目前，流媒體正成為網絡應用的主流，推動了網絡結構的創(chuàng)新和信息經濟的發(fā)展，在網絡媒體傳播中起著主導作用。現如今校園網絡發(fā)展的前景較為良好，流媒體技術也屬于較為先進的技術，流媒體技術不僅可以提供視頻點播和遠程視頻會議的功能，也可以實現網絡教學、網絡電視、網絡監(jiān)控以及網絡直播的功能。伴隨互聯網技術飛速的發(fā)展，網絡上出現的內容也隨之不斷的增加，人們可以獲取到的信息從一開始的文字到后來的圖片再到現在的視頻，由于傳統(tǒng)的電影電視只能在某個特定的區(qū)域觀看，而在網絡上收看電視直播，可以不受地理限制，隨時隨地觀看，所以越來越多的人都選擇在網上看電影，看電視。如今國內各大學校已經完成了對校園網的建設，接下來面臨的問題便是如何正確利用這一套網絡設施來提高教學質量。因此建立一套完善的的網絡直播系統(tǒng)，并讓這套系統(tǒng)真正發(fā)揮提升教學質量的作用是當務之急。校園網直播系統(tǒng)不止可以用在教學方向，還可以應用在大型會議或者講座或者一些大型活動的舉辦上，在如今的疫情環(huán)境下，舉辦大型活動往往需要大量人員的參與，這就使得疫情防控方面有一個巨大的隱患問題，而線上的網絡視頻直播不受空間的限制，從而大大減輕了大型活動的壓力。同時校園網視頻的新聞發(fā)布系統(tǒng)也可以使學校加強對外宣傳。

1流媒體1.1流媒體的概念流媒體的概念指的是將一串連續(xù)的多媒體數據進行壓縮處理后，通過網絡分段進行數據發(fā)送，在網絡上用于傳輸音頻和視頻信號的一種技術，此項技術可以讓數據或者數據包像流水一樣在網絡上傳送，不使用此項技術的話，如果想要在互聯網上觀看視頻或者音頻，就必須在觀賞之前下載一整個完整的媒體文件。由于流媒體對實時性的要求很高，所以流媒體的一個非常重要的特點便是對時間非常敏感。目前壓縮算法技術正在逐步走向正軌，網絡帶寬的容量也在不斷變大，流媒體技術也正逐步完善?，F如今，網絡協(xié)議正在逐漸完善、基礎網絡設施也正在建立的越來越多，伴隨著壓縮技術飛速的發(fā)展，實現流媒體也已經不再那么困難了。如下是可以完成流式傳輸的兩種方法。（1）順序流式傳輸實際上是屬于一種順序下載的范疇，其具體情況體現在你可以一邊下載數據一邊觀賞在線媒體，在某一時刻，你能觀看的只有你已經下載好的那一部分，而你還沒下載的那部分是無法進行觀看的。這種類型的傳輸方式大多是用在長度較短的且質量較高的片段上，由于這類文件均是采用無損下載的方式所下載的，所以確保了下載后所播放的視頻的質量是非常高的。92實時流傳輸是指確保媒體的頻寬與網路的連通性相匹配，使其能夠即時收聽。實時流式傳輸更適用于現場活動，同時也可以隨意存取，使用者可以快速前進或倒退查看前后的信息，但是實時流式傳輸在網絡速度很低的情況下，網絡的質量會變得很糟糕。1.2流媒體的實現原理流媒體的基本原理就是利用有效的壓縮方法，減少傳輸文件的大小和降低數據的損壞程度，把容量較大的多媒體數據變成適合在互聯網中傳輸的方式，之后再鋪設負責轉發(fā)的流媒體服務器，更改MIME標識，根據不同的傳輸協(xié)議來傳輸流數據。1.3流媒體的應用1.3.1在線直播目在線直播目前正處在一個高速發(fā)展的階段，現如今已經走出測試階段并走向了實用階段，并能夠提供品質較高的視頻、音頻效果。如今大多數高等院校也已開通在線的直播業(yè)務用來提高教學效率，可提供的內容包含校園電視、實時教學、其他電視節(jié)目轉播等。1.3.2視頻點播視頻點播是可以根據觀眾的具體要求來播放某一視頻的點播系統(tǒng)，可以把用戶選擇的視頻傳送給該用戶。但由于在網絡上傳輸的視頻與音頻的數據越來越大，從而延緩了Vod技術的發(fā)展。而運用流媒體技術則可以完美的抵消這一問題，由于流媒體技術是使用一種特殊的編碼壓縮方式，這可以讓多媒體數據減小自身體積，這就可以使VoD技術可以適應網絡傳輸的環(huán)境，并在網絡上傳輸。圖1VOD體系結構1.3.3視頻通話視頻通話是流媒體應用中的一個重要組成部分，視頻通話依靠單點對單點的通訊方式進行交互。生活中最為多見的應用方式就是進行視頻通話。如果一個學校的校區(qū)較多，之間互相溝通就可以利用視頻會議系統(tǒng)，以此可以減輕人力，財力和物力的開支。當今視頻會議的技術發(fā)展出了兩種方案，第一種是基于桌面視頻的會議系統(tǒng)，它是由軟件實現的，另一種是會議室型視頻會議系統(tǒng)，它是由硬件實現的。兩種方法存具有很大的區(qū)別，所以學校在選擇視頻通話系統(tǒng)上有很多不同的方案。1.3.4遠程教育遠程教學過程中最基本的一點是師生之間如何傳遞信息，其中傳遞的信息有視頻、音頻、圖片、文本等多種多樣的方式，這不僅要考慮如何把信息從一端傳送到另一端，更要把網絡帶寬的限制考慮進去，因此選擇流媒體的傳輸方法無疑是一個最佳的決定。同時，遠程教育中的互動式多媒體教學方式就是屬于流媒體技術的范圍。遠程教育崛起是對傳統(tǒng)面授教育模式的一種更新迭代，它打破傳統(tǒng)教育的局限性，集管理與教學于一體，有效的提升了學生的學習效率。1.4流媒體系統(tǒng)的組成流媒體的組成包括以下幾個方面：（1）視頻源（2）編碼工具：用于創(chuàng)建多媒體數據，形成流媒體。（3）流媒體數據（4）服務器：控制和存放流媒體數據（5）傳輸網絡：適用多媒體傳輸或實時傳輸協(xié)議的網絡（6）播放器：供客戶端瀏覽流媒體文件1.5流媒體的傳輸協(xié)議1.5.1實時傳輸協(xié)議實時傳輸協(xié)議是由國際互聯網工程任務組提出的一種用來針對多媒體數據流的網絡傳輸協(xié)議。RTP是基于UDP協(xié)議建立的，由于RTP本身是不提供服務質量（QoS）保證的，所以RTP需要依靠底層服務來實現這一過程。RTP不能保證傳送也不能防止無序傳送，所以也不能確定底層網絡是否可靠。RTP實行的是有序傳送，因此RTP的序列號可以讓接收方對發(fā)送方的包序列進行重組，同時包位置也能由序列號進行決定。1.5.2實時傳輸控制協(xié)議RTCP是由國際互聯網工程任務組定義的一個和RTP互相兼容的協(xié)議。RTCP負責提供擁塞控制服務與流量控制服務，以及負責傳輸質量的管理。RTCP最主要的一個功能是可以為RTP所提供的服務質量進行信息反饋。RTCP自身并不負責數據的傳輸，但與RTP合作之后便可以打包和發(fā)送多媒體數據。RTCP和RTP互相配合可以大大提升傳輸效率，所以RTCP一般用于傳輸實時數據。1.5.3實時流協(xié)議實時流協(xié)議屬于TCP/IP協(xié)議中的應用層，其定義了一對多的應用程序應該怎樣有效地通過IP網絡進行多媒體數據的傳輸。在體系結構上RTSP位于RTCP和RTP之上，RTSP傳輸數據大多使用TCP來完成。RTSP是一個雙向協(xié)議，服務器也可以和客戶機一樣發(fā)出請求。與RTP相比，RTSP具有更好的擴展性。RTSP是可以控制視頻或音頻的多媒體串流協(xié)議，可以同時處理多個串流的收發(fā)，RTSP的特點跟HTTP類似，但是不會強調時間是否同步，因此協(xié)議受網絡延遲影響較小。1.5.4資源預定協(xié)議RSVP資源預定協(xié)議在OSI七層協(xié)議中屬于傳輸層，使用RSVP可以事先保留一些網絡帶寬，用來提升流媒體傳輸的質量。RSVP屬于非路由協(xié)議，一般和路由協(xié)議配合工作。1.5.5MMS協(xié)議MMS，中文名稱為“微軟媒體服務器協(xié)議”。該協(xié)議的作用是訪問windowsmedia服務器里面“.asf”文件格式的一種協(xié)議。一般只有訪問windowsmedia發(fā)布點上的內容時才會使用MMS協(xié)議。MMS的預設端口是1755。1.6流媒體的播放方式1.6.1單播單播的傳輸方式只能進行一對一的傳輸，單播能且僅能通過一條獨立的信道進行數據的傳輸，所以當用戶需要訪問某個數據時，只能對這個服務器發(fā)出請求，而這個服務器也只能單獨對這個請求做的回應，所以這種流媒體的播放方式容易增加信道堵塞的風險，加大服務器運作的負擔，進而增加數據傳輸的時間，嚴重的情況下會出現停播的狀況，從而影響數據傳輸的效率。1.6.2組播組播技術指的是搭建一套能夠進行組播的網絡系統(tǒng)，組播技術能夠使路由器能夠在不同的數據信道上轉發(fā)不同的數據包。組播技術能夠處理幾十萬用戶同時發(fā)出的訪問請求，且延時很小。利用組播技術，服務器發(fā)送一個數據包，就可以讓所有發(fā)出訪問請求的用戶接受到這個數據包。依托于這種強大的功能，可以讓服務器運作的負擔減小，相對應的可以減少服務器響應的時間，使網絡中傳輸的信息包的數量降低，以此來提高網絡的傳輸效率。1.6.3點播點播鏈接通常是主動的，用C/S的方式進行鏈接，點播不僅可以最大程度的實現對流的控制，還可以在不影響畫質的情況下，提升用戶觀看視頻的流暢度，不過因為每次客戶機都是同時連接的自己的服務器，所以消耗網絡帶寬的速度非常迅速。1.7流媒體的文件格式媒體采集壓縮文件格式 aif、au、wav、mp3、mov、mpg、avi、and流式文件格式 wsf、asf、wmv、mov、rp、rm、rt、ra媒體發(fā)布格式 asx、smil、xml、ram、rpm

2校園網2.1校園網介紹2.1.1校園網的概念校園網的建立離不開現代網絡技術和數據通信技術，它依托于世界互聯網的技術，在學校內部構建一個獨立的網絡系統(tǒng)。校園網不僅負責將學校內部分布在各處的客戶端與校園內網相連，也需要校園網需要承擔起校園內部各個網絡之間互聯的任務。校園網服務于學校的辦公、通訊、教學、管理和信息交流等方面。國際互聯網被看作全球信息通信的高速公路，因此，我們可以把校園網理解為學校內部信息通信的高速公路。2.1.2校園網的功能（1）全課式服務功能即讓校園內的學生接觸到更加廣泛，更加優(yōu)質的教學內容，讓學生體驗到不同教師的教學方式。開闊學生的眼界，不讓學生局限在本校的教學資源之下，讓學生了解和吸收更多的知識。（2）輔助式服務功能即使用一些教學輔助方法，例如：PPT課件，與教學內容相關的音頻和視頻或者是和教學相關的圖片，以此來增強表達方法，解決教學中的一些問題，通過課堂教學與信息技術結合的方式，提高教學水平。（3）教師培訓功能依托于校園網相較完善的網絡環(huán)境，可以借此來提升教師的教學能力和基本素養(yǎng)。校園網技術較為先進，形式多種多樣可以實現綜合素質與專項技能相結合的培訓方式，也可以長期對教師進行培訓，不僅可以提升教師培訓的效率，也可以解決學科本身特點與基礎教育知識之間的矛盾。（4）課外活動服務功能利用校園網絡不受制于空間的優(yōu)勢，一來開發(fā)教師之外的第二課堂與課外活動的開展，二來可以使活動的內容更加豐富多彩，使學生在除教室以外的其他地方學習到知識，從而在各方各面提高學生的能力。（5）德育功能網絡將文字、聲音、圖像與多媒體技術相結合，促使傳統(tǒng)德育工作模式向開放的、個性化的現代模式發(fā)展。（6）科研教育功能利用日漸豐富的網絡，我們能學習到有關的國內和國外的有關的研究；充分運用網絡教育資源，制作多種多媒體課件，使科研項目更具特色。（7）教育管理功能實現圖書館管理的信息化和自動化，學生日常事務的管理、學校日常生活運作的統(tǒng)籌、學校事務的管理等都可以在如今互聯網的支持下完成。2.2數字化校園2.2.1數字化校園的概念美國克來蒙特大學的教授凱尼絲·格林在1990年發(fā)起了一項關于研究互聯網的方案，并將其命名為"信息化校園計劃"，最早的數字化校園概念便是在這個方案中提出的。數字化校園可以將一整個學校的運作進行系統(tǒng)化，減輕了學校管理的難度，使學校的運作更加流暢。由于數字化校園是基于互聯網建立的，加以先進的互聯網技術和通訊技術的輔助，以此可以把學校建設為一個超越時間和空間的虛擬數字校園，虛擬數字校園在運行效率上比傳統(tǒng)意義上的校園提升了一個等級，數字化校園的發(fā)展可以讓教育行業(yè)逐步信息化，以一種更為靈活快捷的方式替代過去陳舊的傳統(tǒng)教育模式。2.2.2數字化校園在未來的發(fā)展（1）信息技術發(fā)展要求校園數字化進入二十一世紀之后，互聯網作為新時代媒體傳播的主要手段，其發(fā)展速度也在日新月異的增長，這使得傳統(tǒng)教育的各個領域無時無刻不被現代信息所沖擊，對傳統(tǒng)的教育模式造成了深遠的影響。為了讓互聯網信息技術能更快更適合地融入到校園中去，應該加快對數字化校園的建設和普及，盡早讓學校的發(fā)展進入一個新的層次，讓教學質量提升一個新的水準。（2）現代教育發(fā)展要求校園數字化自動步入信息時代開始，知識發(fā)展的速度日新月異，這就使得社會的運作速度越來越快，如何在短期的時間內學習到更多更廣的知識將會是人們發(fā)展的一個必不可少的階段。傳統(tǒng)的學習模式會被時間和空間所約束，而現代社會發(fā)展的速度突飛猛進，傳統(tǒng)的校園模式已經滿足不了現代人們學習的需求。所以必須加快知識的傳播速度，只有這樣才能趕上現代知識發(fā)展的速度，因此就需要建立一套知識的流動速度較為方便快捷的方法，由此數字化信息應運而生，數字化信息并不受時間和空間的約束，因此可以加快知識的流動速度，真正提高知識的傳播速度，校園數字化便是為了滿足這種社會需求而建立的。2.2.3數字化校園的應用（1）教學方面使用校園網絡平臺，建立一個數字化的網絡環(huán)境，實現教學資源與科研資源的共享，并依靠現代發(fā)達的網絡社交系統(tǒng)，例如網絡聊天、留言等方式來增加教師與學生之間的交流頻率，增強教師與學生之間的默契度，借此方法來使學生解決問題的能力得到提升，并且可以推動學生創(chuàng)新思維的發(fā)展，使教師與學生之間的知識傳播方式的變得更為多種多樣，如此教學的效率也必然提高一個檔次。（2）管理方面依靠數字化信息的共享資源，讓現實中學校內部的各種業(yè)務都能夠與網絡中的各項業(yè)務對應起來，以此來實現自動化的信息管理，加強上級部門與下級部門之間的溝通速度，也可以使不同部門之間信息的交換更加的方便快捷，利用數字化的方法可以使信息更加精確、快速的傳輸到執(zhí)行者，從而使管理系統(tǒng)的運行更加高效?？傊?，數字化校園把學校的管理與教學引入了一個高效的發(fā)展領域，實現了社會、學校、家庭三方面的聯合培養(yǎng)。通過對工作人員進行直觀、方便的管理，確保了決策的科學性和精確度，進而改善了學校的教學工作。

3校園網的視頻直播系統(tǒng)設計方案3.1視頻直播系統(tǒng)的拓撲結構圖2視頻直播系統(tǒng)拓撲圖3.2視頻直播系統(tǒng)的過程（1）攝錄機，DVD機，電視解調器等AV信號源把模擬視頻信號提供給非線性編輯系統(tǒng)和直播系統(tǒng)。非線性編輯系統(tǒng)負責對素材進行加字幕、過渡特技等編輯處理。制作完成后，把圖像信號輸出到直播系統(tǒng)，再由直播系統(tǒng)向發(fā)布服務器進行廣播。（2）直播系統(tǒng)負責把一些無需編輯處理的模擬信號傳遞到發(fā)布服務器或者保存文件到存儲服務器。直播系統(tǒng)同時也能承擔發(fā)布服務器的作用，跟發(fā)布服務器一起互相搭檔，實現負載平衡性能。（3）發(fā)布服務器負責把視音頻流發(fā)布到校園網上。發(fā)布服務器可以建立多個發(fā)布點，每個發(fā)布點可以是對應直播頻道，也可以對應點播頻道。客戶端連上不同的發(fā)布點，就可以接收到相應的節(jié)目內容。3.3視頻直播系統(tǒng)的設備3.3.1數字攝錄機型號SonyHDR-CX405數碼像素300萬傳感器尺寸5/29英寸感光元件CMOS防抖光學防抖光學變焦30倍夜攝功能彩色鏡頭蔡司Vario-Tessar鏡頭分辨率1920*1080高清電源適配器可插電，支持USB屏幕尺寸2.7英寸圖3SonyHDR-CX40編輯錄放機松下AJ-D970MCSDI和AES/SBE數字音頻輸入/輸出模擬信號的輸入/輸出和遙控精確到幀的線性編輯通道狀態(tài)顯示帶有屏幕顯示的簡便設置內置信號發(fā)生器緊湊的結構，易于安裝和搬運4:2:2數字分量視頻4聲道數字音頻提供DVCPRO50和DVCPRO兩種模式下全部的編輯功能數字慢動作高速搜索功能在步進/穿梭模式下具備數字音頻監(jiān)聽輸出功能DVCPRO50和DVCPRO可切換記錄3.3.3視頻直播工作站CPU酷睿i5-10400F主板華碩B460M高規(guī)格主板顯卡GeForceRTX3060Ti8G內存威剛16GDDR4硬盤威剛512GNVMEM.2高速固態(tài)機箱電源愛國者ATX含電源音響惠普NS1鼠標羅技G402鍵盤羅技K845顯示器康佳顯示器3.3.4非線性編程計算機CPU酷睿i5-10400F主板華碩B460M高規(guī)格主板顯卡GeForceRTX3060Ti8G內存威剛16GDDR4硬盤威剛512GNVMEM.2高速固態(tài)機箱電源愛國者ATX含電源音響惠普NS1鼠標羅技G402鍵盤羅技K845顯示器康佳顯示器3.3.5流媒體轉發(fā)服務器奧頓A90流媒體轉發(fā)服務器Linux操作系統(tǒng)，界面友好易懂，使用操作簡單，支持遠程配置嵌入式DSP純硬件解決方案，高效率，低延時支持800路的2Mbps/500路3Mbps/300路4Mbps的視頻流的并發(fā)接接入協(xié)議HLS/RTSP/RTMP/HTTP/RTP/SRT等輸出協(xié)議RTMP/HLS/SRT等可接入IPC、DVR、NVR、視頻編碼前端設備等圖4奧頓A90流媒體轉發(fā)服務器

4校園網的視頻直播系統(tǒng)具體實施方案4.1基于校園網的視頻直播系統(tǒng)需求分析以云南工商學院為例，云南工商學院采用樹型拓撲結構組建校園網，校內網絡可分為辦公區(qū)，教學區(qū)，公寓區(qū)以及圖書館。各區(qū)域終端PC均可以通過pppoe的認證連接到校園網，之后通過代理服務器訪問外網。其中，圖書館可以使用固定IP上網。因為學術報告廳在圖書館里面，而學術報告廳是用作重要會議或者學術報告。通過VLAN的劃分，使得校園各區(qū)域的PC都可以通過本地IP相互通信。教學區(qū)內具有多個多媒體教室，并且位置比較集中，每間多媒體教室都配備音響，投影等設備。視頻直播要求：在教學區(qū)內，其中任何一間教室都可以作為主會場，且其它課室均可通過多媒體設備觀看主會場的教學內容；如果以圖書館里的學術報告廳作為主會場時，教學區(qū)內的所有多媒體教室也同樣可以觀看教學內容。圖5云南工商學院校園網結構4.2基于校園網直播系統(tǒng)的搭建現場的直播是為了讓各個分會場都可以實時地收到現場的影像、聲音等資料。因為是校園網上的實況轉播，因此流量不大，但是用戶要求視頻質量需要很高，因此我們選擇了客戶機/服務器的方式。校園網絡的網絡直播主要分為成三個部分：采集信號，編碼廣播和終端接收。4.2.1采集信號教學內容通過現場的場景攝像機來采集。由于大部分老師上課都會用到PPT投影來輔助自己講課，就是說，在分會場，導師們的PPT內容也是需要播放的，這就意味著，授課老師必須將自己講課用的PC上的信號也傳輸出去。這也就需要安裝一個視頻轉換器負責接收從教師講課用的PC上傳輸的信號。之后再由中央控制器負責切換攝像機信號和教師講課用的PC信號，最后將信號輸送到編碼服務器進行編碼處理。4.2.2編碼廣播因為所獲取的音頻和圖象都是仿真的，所以必須把它們轉化為數字的數據并通過網絡進行傳送。在此基礎上，就需要安裝可以進行數據編碼的軟件，我們選擇WindowsMediaEncoder，因為WindowsMediaEncoder可以自動生成流媒體格式的文件。因此，只需要一臺計算機，就集中了編碼和流媒體服務器的功能，節(jié)省了成本。最終生成的流文件會以廣播的形式傳送到局域網。4.2.3終端接收接收端只需打開電腦系統(tǒng)自備的媒體播放器，就可以觀看現場實況，無需安裝其他視頻軟件，使用方便。4.3基于校園網直播系統(tǒng)的實現過程4.3.1視音頻信號的輸入利用現場攝像機來捕捉主會場的現場畫面，捕捉現場畫面后使用AV視頻線輸入到中央控制系統(tǒng)，教師電腦上的的信號則需要借助視頻轉換器來獲取。把VGA線連接到視頻轉換器的輸入端和教師的電腦主機，以此來輸入信號。經過轉換之后，一共可以輸出三路信號，分別為AV信號，VGA信號和SV信號。轉換后的AV信號會利用視頻線輸入到中央控制系統(tǒng)。轉換后的VGA信號則會輸出到教師電腦的顯示器上。本次直播采用的中央控制系統(tǒng)，一共可以支持6路視頻的輸入，2路視頻的輸出。授課老師的電腦信號和攝像機的信號可以選擇任意兩路輸入后，就可使用控制系統(tǒng)進行切換。切換之后獲得的信號即可經過AV視頻線輸入到視頻采集卡，再將采集到的信號進行編碼。4.3.2信號的壓縮編碼使用視頻采集卡將從中控系統(tǒng)中采集的數據輸送到編碼服務器中。下面是使用WindowsMediaEncoder編碼的步驟：將“WindowsMedi