张宁
(驻上海地区舰艇设计研究军代表室 上海 200011)
船用IPTV关键技术分析
张宁
(驻上海地区舰艇设计研究军代表室 上海 200011)
随着电视技术的发展,IPTV技术在远洋舰船的闭路电视系统中已开始普及。文章对船用IPTV关键技术进行分析,重点介绍基于计算机技术的H.264视频编码技术、流媒体传输技术、IP组播技术以及数据存储技术。
舰船;IPTV技术;应用特点;关键技术
随着电视技术的发展,舰船电视也不断发展,从早期的模拟电视技术发展为数字电视。目前,随着网络、流媒体、存储、数据压缩等技术发展,交互性的网络电视(IPTV)也开始愈来愈多的应用在舰船上。
IPTV(Internet Protocol TV)其意是互联协议电视,简称网络电视。它集互联网、多媒体、通信等多种技术为一体,用户终端可以是IP机顶盒+电视机,也可以是单台计算机,通过互联网IP协议向用户终端实时提供包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的宽带增值业务[1]。
舰船上应用的IPTV系统与陆地上的IPTV系统相比,有自己的特点。一般船用闭路电视系统相对封闭,靠码头时主要靠拉岸线,接入码头附近的闭路电视信号。出海航行时外部节目来源很有限,主要靠传统的室外电视天线和卫星电视接收天线。但舰船航行区域及航向经常发生变化常导致接收信号变差甚至信号丢失的严重后果,电视信号的质量和节目的收视效果难以进一步提高[2]。对于远洋船只来说,由于无法做到中文卫星信号的全球覆盖,只有靠自办节目来看电视[3]。这就为IPTV技术带来了很大的应用空间。
考虑到舰船的特殊环境,应该设计适合舰船使用的基于IPTV体制的闭路电视系统。由于无法稳定地接入国际互联网,舰船闭路电视系统的功能主要侧重于VOD点播业务,音视频信号的传输基于舰船内的IP协议传输网络。系统应具有良好的交互性,能灵活地实现电子菜单、节目预约、实时快进、快退以及节目编排等多种功能。图1为一个基于IPTV体制的舰船闭路电视系统框图。
图1 舰船IPTV系统框图
基于IPTV体制的舰船闭路电视系统的主要关键技术为H.264视频编码技术,流媒体传输技术,IP组播技术与数据存储技术。
由于舰船网络环境的限制,传输的音视频节目需采用先进的视频编码技术,使其占用带宽较少,传输的视频节目较多。目前被市场认可的主要编解码技术有WMV标准、MPEG系列标准和H.264标准,IPTV技术也支持第三方编码器。
H.264技术引入了新的编码方法,能在相同的网络带宽下传输质量更好的图像。测试结果表明:H.264平均编码比特率比H.263++低48.8%、比MPEG4ASP低38.2%。其压缩效率比H.263提高约1倍,是MPEG-2的2~4倍[4]。
图2是H.263、H.264、MPEG-2和MPEG-4的编码效率比较。图中横坐标代表码率,纵坐标代表视频亮度分量的信噪比(单位:dB,越高表示视频质量越好)。使用的测试序列是标准测试序列Tempete(CIF,30帧/s)。由该图可以看出,编码效率从高到低的顺序是:H.264,MPEG-4,H.263,MPEG-2。从视频质量上看,当图像客观质量达到31 dB时,H.264、MPEG-4、H.263、MPEG-2产生码率分别是350 kbps,510 kbps,625 kbps,1 Mbps。
图2 H.263,MPEG-2,MPEG-4和H.264的比较
图3是H.264和WMV9的编码效率比较。图中横坐标代表码率,纵坐标代表主观评测的图像质量。图中的结论是:H.264的压缩效率要高于WMV9。
图3 H.264和WMV9的比较
H.264比其他标准和技术的编码效率更高,能够在相对低的网络带宽条件下,提供质量更高的音视频信号。同时H.264具有较强的抗丢包和抗误码性能,容易获得平稳的图像质量。其视频编码层(VCL)和网络适配层(NAL)两层结构的分层处理,对于复杂多变的网络环境和应用场合更具优势。其码流结构网络适应性强,增加了纠错恢复能力,能够很好地适应IP协议[4],因此在船用IPTV系统设计中得到了广泛的应用。
但是H.264的高效性是建立在其软件编码高度复杂的基础上,解码器软件复杂度是H.263的3倍左右。由于采用了多帧参考技术进行运动估计和RD算法进行模式选择,对处理器的数据调度机制以及片内外存储器的组织提出了新的要求,因此H.264芯片的软件工作难度将会提高其商业成本。目前不断提高的硬件处理能力和不断优化的软件算法,是H.264标准在船用IPTV系统设计中得到普及的基础。
流媒体在舰船局域网上的有效传输对于船用IPTV系统设计是一个重要的问题。舰船局域网的环境比较复杂,为了解决电磁兼容和集成优化设计问题,船上多个网络信息系统一般共用一个光纤环网。由于每个系统都有一定的信息量,共用网络环境不易保证流媒体文件能及时、有效地传输。虽然数据缓冲技术可以缓解数据实时传输的压力,但是单纯依靠数据缓冲技术无法满足流畅传输流媒体文件的要求。
在舰船局域网上传输流媒体文件需要合适的网络传输协议。目前的工业标准是TCP/IP网络通信协议,只有采用TCP/IP网络通信协议的流媒体文件才能在各种网络结构中运行传输。TCP/IP协议原本是为数据传输而设计的,可以保证传输的可靠性,但不能保证流媒体文件在规定的时间内到达用户终端。而流媒体传输的一个重要特征是对时间的要求很高,必须确保数据的实时性和同步性。
为此,船用IPTV系统设计中可以采用实时传输协议(RTP)来解决数据传输的实时性。RTP是基于IP的应用层协议,为实时音视频数据提供端到端的传送服务,包括有效载荷类型标识、序列标号、时间标签和源标识,可以提供时间信息和实现流同步。由于TCP中重传机制会引起时延,所以一般运行在用户数据包协议层(UDP)上[5]。
因此,在船用IPTV系统设计中,一般采用HTTP/TCP来传输控制信息,而用RTP/UDP来传输实时音/视频数据。
IP组播技术是允许一个或多个发送者(组播源)同时发送相同的数据包给多个接收者的一种网络技术。它实现了IP网络中点到多点的高效数据传输,可以有效地节约网络带宽、降低网络负载。组播将流媒体文件复制到多个通道上,这样单台服务器能够对多台客户机同时连续发送流媒体文件而无延时,因此成为当前大流量视频业务的首选方案。在系统的直播业务应用中,利用IP组播技术,可以有效地分发媒体流,减少网络流量。
目前,在基于IPTV技术的舰船闭路电视系统实现方案中,已逐步采用IP组播技术,实现在中小型局域网内进行卫星电视直播的功能。
由于舰船空间有限,不可能占用许多舱室,所以目前比较成熟的存储器磁盘阵列是必须要考虑的关键技术之一。存储器磁盘阵列是由多台存储器磁盘按一定的规则组成的一个快速、超大容量的外存储器系统,它在阵列控制器的管理下,实现快速、并行或交叉存取,并有较强的容错能力。从船员的观点看,磁盘阵列虽然由多个组成的,但仍可认为是一个单一磁盘,其容量叠加后可以高达数千万兆字节。因此这一技术可以完美地解决船用IPTV系统设计中的数据存储问题。
船用IPTV的关键技术主要是基于计算机技术的视频编码技术,流媒体传输技术,IP组播技术,数据存储技术等。随着网络、流媒体等相应技术的成熟,IPTV技术在舰船闭路电视系统上已得到广泛的应用。
IPTV技术体系简单、交互性好、占用带宽少等特点,使其已由传统的直播电视节目逐渐发展到了直播、点播、教育培训、通知、娱乐、图文信息、电子邮件、节目录制等多样化的交互手段。目前IPTV的前端设备和承载网络成本较高。但在终端数量较多的情况下,整个系统成本会相应降低,因此比较适合大型远海航行舰船。相信随着网络设备成本的不断降低和节目源的进一步丰富,IPTV技术将在舰船闭路电视系统设计中逐渐普及。
[1]胡智斌,黄煜剑.IPTV技术研究[J].科技广场,2011(3):67-69.
[2]廖贵成,韦剑华.船用数字广播电视系统方案设计与实践[J].数字电视,2011(9):3-5.
[3]张宁.远海航行卫星电视接收问题的分析及解决方案[J].海军工程大学学报:综合版,2009(4):90-92.
[4]戚鹏.H.264标准介绍及其在IPTV中的应用[J].电脑知识与技术,2010(6):4931-4932.
[5]朱文平.IPTV的关键技术及发展趋势[J].数据通信,2010(5):6-10.
Key IPTV technology on ships
ZHANG Ning
(Representative Office of Naval Warship Design&Research,Shanghai200011,China)
With the development of television technology,IPTV technology begins to be applied to the closed-circuit television system on ocean ships.This paper analyzes the key IPTV technologies on ships,especially introduces the H.264 Video Coding Technology,Streaming Media Technology,IP Multicast Technology,and Data Storage Technology.
warship;IPTV technology;application characteristics;key technology
TN949.291
A
1001-9855(2012)03-0068-03
2011-12-25
张宁(1968-),男,汉族,硕士,工程师,主要从事舰船设计审查工作。