基于DVB-C的流媒體廣播系統實驗研究

　　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，可解決網絡上傳輸海量流媒體信息資源引起的網絡阻塞，是一種低成本接收和可提供優(yōu)質服務的優(yōu)秀信息共享結構。因此，基于DVB-C數據廣播網的流媒體技術是具有潛力的技術。

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

　　2 流媒體傳輸技術方案

　　流媒體的傳輸涉及到兩方面的技術：其一，服務器端與客戶端的通信技術，包括多媒體數據的傳輸、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。

　　本文中，對多媒體流的解碼播放使用DirectShow技術，它將流媒體處理劃分為若干個連續(xù)的步驟，包括音視頻數據的采集、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。應用程序連接若干個濾波器進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。傳輸的數據加有時間戳，用來同步音視頻數據的回放。

　　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：從數據源獲取原始數據。不同的源濾波器可處理一類或多類數據源，包括本地文件、網絡和數據采集卡等。

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

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

　　3 系統設計

　　3.1 系統總體設計

　　在DVB傳輸協議的基礎上，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網關(BDG-10)和數據接收卡(BDR-10C);九州QAM調制器;普通PC機，其中服務器使用WIN XP操作系統;客戶機使用的WIN 2000操作系統;IP/DVB網關使用WIN 2000Server操作系統。

　　該系統同時具備本地文件廣播及流媒體廣播功能。服務器利用IP多播技術，將UDP數據包通過內部以太網傳送到IP/DVB網關，把輸入的IP數據打包成DVBTS碼流輸出，經過640AM調制器調制到一個特定的8MHz帶寬的模擬電視頻道上，在有線電視網上傳送，信號經過分支器進行衰減，客戶端的PC機使用DVB-C接收卡接收各類文件及流媒體數據。

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

　　3.2 服務器端軟件設計

　　實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，采用面向無連接的UDP協議來實現服務器端主動發(fā)送數據、用戶端被動接收數據。發(fā)送端選擇MPEG-1編碼格式的多媒體文件作為節(jié)目源。

　　其發(fā)送進程如圖3所示。

　　1) 初始化進程環(huán)境

　　2) 數據庫記錄集對象_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打開待發(fā)送的文件;

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

　　#define MPEG1_PACK 　9296

　　cbar*　 pBuf =　new char[MPEG1_PACK]

　　用CSocket：：SendTo函數將緩沖區(qū)數據封裝成UDP包并發(fā)送到網關，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 客戶端軟件設計

　　客戶端接收并解碼播放部分是系統的難點也是重點?？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)送數據請求，源過濾器發(fā)送數據來回應請求)下，因此，Source Filter也設計成拉模式。

　　客戶端接收實時回放軟件系統所用的關鍵技術有：

　　1) 雙緩沖隊列技術

　　客戶端通過函數CSocket：：ReceiveFrom循環(huán)接收服務器端發(fā)送的數據包，為減輕網絡抖動的影響，必須進行一定量的緩沖，才能交給DirectShow解碼處理，動態(tài)地一邊繼續(xù)從網絡接收數據，一邊將得到的數據進行解碼回放。因此，使用了雙緩沖隊列技術，封裝的CDataAdmin類實現對數據接收隊列的管理。

　　建立了兩個隊列：第一隊列是空閑的緩沖隊列Pool-List，用以接收存放數據包;另一個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：

　　當客戶端接收到一個包的數據，從PoolList的頭部拿出一個緩沖塊，存放數據，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) 源過濾器的設計

　　流媒體數據傳輸技術決定了DirectShow Filter只能讀取緩沖中的各個包數據，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，自己必須設計源過濾器。如圖5所示。

　　在源過濾器的模塊結構中，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據，主要是由重載的CMem-Stream：：read函數完成。輸出CAsyrncOutPin實現了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接口中索取數據。圖中所有的數據請求都是由異步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據請求并處理，實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，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，由處理線程來處理;3)處理線程通過內部流類CMemStream訪問緩沖區(qū)，讀取數據并通過CAyncOutputPin發(fā)給MPEG-1切分過濾器。實際應用時，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計。

　　4 實驗結果分析

　　實驗完成了單路多媒體數據的廣播流式發(fā)送與接收并實時播放。利用丟包率與網絡帶寬等信息來檢測網絡狀態(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，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目來檢測包丟失情況。本服務器端發(fā)送4 495個數據包的MPEG-1格式文件，每個數據包9 296 byte，同時服務器端以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%。這主要是由網絡擁塞與網絡線路衰減引起的。

　　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) 網絡帶寬

　　DVB-C平臺中調制器參數設置為：64QAM調制;網關最大傳輸速率為32 Mbit/s，可復用多路服務器的數據在8 MHz的模擬頻道上進行傳輸，例如文件服務器等。流媒體數據的占用帶寬情況可在IP/DVB網關中觀測到，實際占的最大帶寬可等效于3.17 Mbit/s，網關可復用多路獨立的流媒體服務器的同時并行發(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據時比因特網更具有優(yōu)勢，可有效緩解因特網中的信息擁塞問題。