基于移动学习平台的实时视频传输系统的关键技术

时间：2024-05-04

文/刘锦顾加强

随着无线网络传输技术的普及，移动终端新产品不断推陈出新，移动终端的功能越来越强大，无线网络带宽越来越大，资费越来越低，使得用户利用移动终端进行学习、娱乐等成为新时尚。目前，基于移动终端的视频应用已经非常流行，在线视频点播、在线视频直播课程内容，已经成为基于移动端设备的在线学习平台的主要功能。通过移动学习平台提供的实时视频传输系统，可以为参与在线学习的广大教师和学生提供丰富的多媒体功能，这种在线视频学习的方式可以作为课堂教学的有力补充，大幅提升学生的学习积极性和主动性，提高学习效率和学习质量。

但是，由于无线网络具有复杂多变的特性，导致移动端视频在进行实时传输时的效率和传输质量受到很大的影响。实时视频传输问题已经成为各类课程移动学习平台迫切需要解决的一个重要问题。

1 无线网络技术的优缺点

基于移动端的实时视频传输系统的传输网络主是无线网络，无线网络具有：灵活性和移动性，安装方便，易于进行网络规划与调整，易于扩展和易于故障定位与维修等优点，这使得无线网络技术在最近几年得到飞速发展，目前大家广泛通过移动终端使用Wi-Fi技术、4G技术或5G技术连接Internet，实现了移动办公，移动学习等基本应用功能。

无线网络在给用户带来方便的同时，也存在着一些问题。无线网络主要通过无线电波进行信号传输，而无线电波受外界环境的影响比较大，所以网络的性能会受到一定的影响；无线网络数据传输速率与有线网络相比较要慢很多；无线信号传输是发散的、没有导向性的，信号容易被监听，所以安全性不如有线网络。这些不足之处给无线网络在视频传输等应用上带来了一些问题。

2 基于移动端的实时视频传输系统的特点

实时视频传输与传统的图片和文字等的传输有着比较大的区别，实时视频传输对影响传输实时性方面的指标要求比较高。实时视频传输需要在收发两端同步，需要较宽的传输带宽、确定的时延、较低的抖动，对误码不是特别敏感，但对出错重传的时延特别敏感。

基于移动端的实时视频传输系统主要通过无线网络实现视频实时传输，通过新技术克服传统无线网络的不足，利用流媒体技术，使用实时传输协议以连续数据流的方式从发送端（服务器）向接收端（移动终端）传输视频和音频数据，在接收端上通过数据缓冲存储技术进行数据缓冲，然后实现在线视频文件的流畅播放。

3 基于移动端的实时视频传输系统涉及的技术领域

基于移动端的实时视频传输系统涉及的技术领域非常多，包括视频的获取技术、视频编码、解码技术，网络数据传输过程中数据封装技术和网络拥塞控制技术，视频实时显示及存储技术等。

在进行视频实时传输时通常采用流式传输技术，需要保证媒体信号的带宽与网络连接相匹配，使实时视频可以被实时接收和观看。在这个过程中，一般而言，要想实现实时视频传输需要配置专门的流媒体服务器和专门的网络传输协议。

缓冲存储技术主要用于解决网络中存在的数据传输时延抖动的问题，使用缓冲技术可以有效利用数据缓存弥补传输延迟和抖动产生的负面影响，从而在接收端实现连续播放，不会因为网络突发性拥塞而使播放出现停顿。

在进行基于移动终端的实时视频流式播放的一般过程为：用户通过移动终端设备在浏览器或手机APP上选择某项流媒体服务，交换控制信息后检索所需的媒体数据，终端启动媒体播放器，进行初始化，媒体服务器与媒体播放器之间通过实时流控制协议交换本次实时视频传输所需的相关控制信息，媒体服务器使用相关协议将流式媒体数据传输给移动终端播放器，移动端播放器接收到数据后，经过一定的缓冲就可以开始播放实时视频。

图1：基于移动端的实时视频传输系统框架

实时流媒体视频的播放方式可以分为单播、组播、点播与广播等几种方式。单播是一种最简单的流媒体播放方式，它在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，服务器上传输出来的每个数据包只发送给一个客户机，这种方式对系统的配置要求最低，技术较简单、成熟可靠，但如果每个用户都通过单播方式观看视频会导致网络负载显著增加；组播技术也称为多播，这种方式需要构建具备组播能力的网络环境，可以一次性将数据包复制到多个通道上，这种方式需要较多的额外管理资源和设备；点播是客户端主动连接服务器端的一种播放方式，广播是客户端被动连接服务器的一种播放方式。在设计基于移动端的实时视频传输系统时可以根据需要进行选择。

4 H.264编码技术

H.264编码技术是无线网络实时视频传输的关键技术，为了使视频更加适合无线传输我们通常需要按照H.264标准先对视频数据进行压缩编码，先对视频数据进行压缩编码的原因是原始视频的数据量太大，如果不进行压缩将占用大量的存储空间和网络带宽。之所以可以对视频数据进行压缩编码主要的原因是视频数据本身存在大量的数据冗余和人眼存在视觉上的冗余，对视频进行压缩编码的目的是在保证视频质量的同时，考虑网络自适应性和容错等因素尽可能的压缩数据。

H.264编码技术充分考虑了网络适应性和容错性，H.264编码技术标准没有规定具体的编码器结构和具体的实现模式，只要码流结构符合规范就可行了，它采用句法元素分层将句法元素组织成序列、图像、片、宏块和子块五个层次。通过精心的设计，H.264构成句法的各句法元素之间既相互依赖，又相互独立，相互依赖可以减少信息冗余，提高编码的效率，相互独立可以使通信的鲁棒性更好，能够在传输发生错误时限制错误的扩散。

H.264编码技术的基本编码算法包括：预测编码算法、变换编码算法和熵编码算法等编码算法。H.264编码技术的解码过程与编码过程互逆，基本的解码算法包括：预测解码算法、变换解码算法和熵解码算法等算法。

H.264编码技术的功能分为两层：视频编码层和网络抽象层，具有以下几个方面的特点：

（1）低码流。与传统压缩编码方式相比较，H.264标准压缩编码后的数据只有MPEG-4的三分之一，可以节省大量的存储空间和下载时间。

（2）H.264标准能够提供连续流畅的质量视频。

（3）数据容错能力强。H.264标准解决了在不稳定网络环境下数据包容易丢失的问题。

（4）网络适应性强。H.264提供了网络抽象层，使得实时视频可以在不同的网络上传输。

5 RTP/RTCP协议

传输协议的设计与选择是保证视频传输的实时性和传输质量的另一个关键因素。传统的Internet应用在IP层上有两种传输协议：一种是面向连接的传输控制协议TCP，另一种是面向无连接的用户数据报协议UDP。TCP协议因为它的出错重传机制和拥塞控制、报文格式等使得视频传输时会产生比较大的额外开销和延迟，所以不适用于实时视频传输。

RTP/RTCP协议是一种应用型的数据传输协议，它由IETF为实现实时音视频传输而专门设计。RTP协议位于UDP协议之上，RTP具有简单性，它的数据流与控制流是分离的，简化了传输层的处理，提高了传输层的效率，同时RTP还具有可扩展性，RTP的算法可以作为开发应用程序代码的一部分，可以根据应用需求进行充分的扩展。

RTCP协议是RTP协议的控制部分，它主要实现信息识别、媒体间的同步控制、服务质量监测和拥塞控制等功能。与传统传输协议相比较，采用RTP/RTCP传输协议进行实时视频传输可以获得比较好的实时性和较高的传输质量，在进行基于移动端的实时视频传输时通常采用该协议。