基于DVB-C的流媒體廣播系統(tǒng)實驗研究

　　1 引言

　　基于DVB-C的數(shù)據(jù)廣播在共享多媒體等海量數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)。因此，基于DVB-C數(shù)據(jù)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驗室的流媒體廣播系統(tǒng)，可用于DVB-C有線電視廣播網(wǎng)平臺，為現(xiàn)有DVB-C數(shù)字有線電視系統(tǒng)開展流媒體業(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)器端與客戶端的通信技術(shù)，包括多媒體數(shù)據(jù)的傳輸、命令控制等;其二，客戶端對收到的多媒體流實時解碼播放的技術(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連續(xù)的步驟，包括音視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分離、合并、編碼、解碼和回放等。每個具體的流媒體處理過程可由其中的幾個步驟組成。利用其中濾波器處理一個或多個步驟，用不同的濾波器實現(xiàn)不同的功能。開發(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(yīng)用程序連接若干個濾波器進(jìn)行指定的流媒體處理。數(shù)據(jù)可在不同的濾波器間傳輸，傳輸方向一般是單向的。一個過濾器通過輸出針將特定的輸出送到下游過濾器的輸入針。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加有時間戳，用來同步音視頻數(shù)據(jù)的回放。

　　圖1為利用DirectShow開發(fā)流媒體程序的框圖。

　　在DirectShow中，濾波器分為3類。

　　1) 源濾波器：從數(shù)據(jù)源獲取原始數(shù)據(jù)。不同的源濾波器可處理一類或多類數(shù)據(jù)源，包括本地文件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集卡等。

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

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

　　3 系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　在DVB傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用合適的硬件和軟件結(jié)構(gòu)可構(gòu)建一套數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)。圖2給出了在實驗室搭建的基于DVB-C的數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)圖。

　　系統(tǒng)所用設(shè)備：北京藍(lán)拓?fù)涞腎P/DVB網(wǎng)關(guān)(BDG-10)和數(shù)據(jù)接收卡(BDR-10C);九州QAM調(diào)制器;普通PC機(jī)，其中服務(wù)器使用WIN XP操作系統(tǒng);客戶機(jī)使用的WIN 2000操作系統(tǒng);IP/DVB網(wǎng)關(guān)使用WIN 2000Server操作系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)同時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(shù)據(jù)包通過內(nèi)部以太網(wǎng)傳送到IP/DVB網(wǎng)關(guān)，把輸入的IP數(shù)據(jù)打包成DVBTS碼流輸出，經(jīng)過640AM調(diào)制器調(diào)制到一個特定的8MHz帶寬的模擬電視頻道上，在有線電視網(wǎng)上傳送，信號經(jīng)過分支器進(jìn)行衰減，客戶端的PC機(jī)使用DVB-C接收卡接收各類文件及流媒體數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)流媒體系統(tǒng)的設(shè)計要求，整個基于DVB-C的流媒體廣播軟件系統(tǒng)由服務(wù)器數(shù)據(jù)廣播發(fā)送軟件系統(tǒng)和客戶端接收實時播放軟件系統(tǒng)組成。

　　3.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計

　　實驗系統(tǒng)軟件設(shè)計采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，藍(lán)拓?fù)浣邮湛ㄌ峁┝诉m用于Visual C++6.0的API接口函數(shù)，因此，軟件開發(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)，采用面向無連接的UDP協(xié)議來實現(xiàn)服務(wù)器端主動發(fā)送數(shù)據(jù)、用戶端被動接收數(shù)據(jù)。發(fā)送端選擇MPEG-1編碼格式的多媒體文件作為節(jié)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(shù)據(jù)庫記錄集對象_RecordsetPtrm_pRecordset首先移動到記錄集中的第一條記錄處m_pRecordset.Movefirst();

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

　　4) 啟動文件發(fā)送線程(一個函數(shù)循環(huán))，用函數(shù)CFile：：read順序讀取文件數(shù)據(jù)(74 368 bit)到緩沖區(qū)，緩沖區(qū)定義為

　　#define MPEG1_PACK 　9296

　　cbar*　 pBuf =　new char[MPEG1_PACK]

　　用CSocket：：SendTo函數(shù)將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)封裝成UDP包并發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，等待30 ms后繼續(xù)此循環(huán)，直至文件發(fā)送完畢;

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

　　3.3 客戶端軟件設(shè)計

　　客戶端接收并解碼播放部分是系統(tǒng)的難點也是重點?？蛻舳私獯a播放部分建立的DirectShow過濾器如圖4所示。除了源濾波器外，其他濾波器由DirectShow SDK中提供，但MPEG-1切分過濾器只能工作在拉模式(切分過濾器向源過濾器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，源過濾器發(fā)送數(shù)據(jù)來回應(yīng)請求)下，因此，Source Filter也設(shè)計成拉模式。

　　客戶端接收實時回放軟件系統(tǒng)所用的關(guān)鍵技術(shù)有：

　　1) 雙緩沖隊列技術(shù)

　　客戶端通過函數(shù)CSocket：：ReceiveFrom循環(huán)接收服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，為減輕網(wǎng)絡(luò)抖動的影響，必須進(jìn)行一定量的緩沖，才能交給DirectShow解碼處理，動態(tài)地一邊繼續(xù)從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，一邊將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼回放。因此，使用了雙緩沖隊列技術(shù)，封裝的CDataAdmin類實現(xiàn)對數(shù)據(jù)接收隊列的管理。

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

　　當(dāng)客戶端接收到一個包的數(shù)據(jù)，從PoolList的頭部拿出一個緩沖塊，存放數(shù)據(jù)，然后將這個緩沖塊加入到DataList的尾部等待DirectShow的Filter讀取;從DataL-ist頭部拿出一個緩沖塊，DirectShow的Filter讀取緩沖塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，讀完后將緩沖塊加入到PoolList的尾部，等待再一次地接收數(shù)據(jù)。

　　2) 源過濾器的設(shè)計

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

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

　　總體數(shù)據(jù)流向為：在建立源濾波器CMemReader時，CMemReader會建立一個CAyncIo對象且CAsyncIo在合適啟動一個請求丟隊列處理線程，然后開始以下的處理流程：1)MPEG-1切分過濾器向CAyncOutputPin提出數(shù)據(jù)請求;2) CAsyncOutputPin將該請求加以包裝并加入到CAsyncIo的請求隊列中，由處理線程來處理;3)處理線程通過內(nèi)部流類CMemStream訪問緩沖區(qū)，讀取數(shù)據(jù)并通過CAyncOutputPin發(fā)給MPEG-1切分過濾器。實際應(yīng)用時，使用了DirectShow SDK提供的基類CAyncIo和CAyncOutputPin，CMemReader是從DirectShow SDK中的基類CAsyncReader繼承而來，這一切簡化了程序設(shè)計。

　　4 實驗結(jié)果分析

　　實驗完成了單路多媒體數(shù)據(jù)的廣播流式發(fā)送與接收并實時播放。利用丟包率與網(wǎng)絡(luò)帶寬等信息來檢測網(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(shù)量的MPEG-1格式文件的同時，發(fā)送固定頻率的空UDP包;接收端通過檢查能接收到的包數(shù)目來檢測包丟失情況。本服務(wù)器端發(fā)送4 495個數(shù)據(jù)包的MPEG-1格式文件，每個數(shù)據(jù)包9 296 byte，同時服務(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(shù)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)線路衰減引起的。

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

　　2) 網(wǎng)絡(luò)帶寬

　　DVB-C平臺中調(diào)制器參數(shù)設(shè)置為：64QAM調(diào)制;網(wǎng)關(guān)最大傳輸速率為32 Mbit/s，可復(fù)用多路服務(wù)器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的占用帶寬情況可在IP/DVB網(wǎng)關(guān)中觀測到，實際占的最大帶寬可等效于3.17 Mbit/s，網(wǎng)關(guān)可復(fù)用多路獨立的流媒體服務(wù)器的同時并行發(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(shù)據(jù)時比因特網(wǎng)更具有優(yōu)勢，可有效緩解因特網(wǎng)中的信息擁塞問題。