船用IPTV關(guān)鍵技術(shù)分析

張寧

（駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍代表室 上海 200011）

船用IPTV關(guān)鍵技術(shù)分析

張寧

（駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍代表室 上海 200011）

隨著電視技術(shù)的發(fā)展，IPTV技術(shù)在遠(yuǎn)洋艦船的閉路電視系統(tǒng)中已開始普及。文章對船用IPTV關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的H.264視頻編碼技術(shù)、流媒體傳輸技術(shù)、IP組播技術(shù)以及數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。

艦船；IPTV技術(shù)；應(yīng)用特點(diǎn)；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

隨著電視技術(shù)的發(fā)展，艦船電視也不斷發(fā)展，從早期的模擬電視技術(shù)發(fā)展為數(shù)字電視。目前，隨著網(wǎng)絡(luò)、流媒體、存儲、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)發(fā)展，交互性的網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）也開始愈來愈多的應(yīng)用在艦船上。

1 IPTV在艦船上的應(yīng)用特點(diǎn)

IPTV（Internet Protocol TV）其意是互聯(lián)協(xié)議電視，簡稱網(wǎng)絡(luò)電視。它集互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、通信等多種技術(shù)為一體，用戶終端可以是IP機(jī)頂盒＋電視機(jī)，也可以是單臺計(jì)算機(jī)，通過互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議向用戶終端實(shí)時(shí)提供包括數(shù)字電視在內(nèi)的多種交互式數(shù)字媒體服務(wù)的寬帶增值業(yè)務(wù)［1］。

艦船上應(yīng)用的IPTV系統(tǒng)與陸地上的IPTV系統(tǒng)相比，有自己的特點(diǎn)。一般船用閉路電視系統(tǒng)相對封閉，靠碼頭時(shí)主要靠拉岸線，接入碼頭附近的閉路電視信號。出海航行時(shí)外部節(jié)目來源很有限，主要靠傳統(tǒng)的室外電視天線和衛(wèi)星電視接收天線。但艦船航行區(qū)域及航向經(jīng)常發(fā)生變化常導(dǎo)致接收信號變差甚至信號丟失的嚴(yán)重后果，電視信號的質(zhì)量和節(jié)目的收視效果難以進(jìn)一步提高［2］。對于遠(yuǎn)洋船只來說，由于無法做到中文衛(wèi)星信號的全球覆蓋，只有靠自辦節(jié)目來看電視［3］。這就為IPTV技術(shù)帶來了很大的應(yīng)用空間。

考慮到艦船的特殊環(huán)境，應(yīng)該設(shè)計(jì)適合艦船使用的基于IPTV體制的閉路電視系統(tǒng)。由于無法穩(wěn)定地接入國際互聯(lián)網(wǎng)，艦船閉路電視系統(tǒng)的功能主要側(cè)重于VOD點(diǎn)播業(yè)務(wù)，音視頻信號的傳輸基于艦船內(nèi)的IP協(xié)議傳輸網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的交互性，能靈活地實(shí)現(xiàn)電子菜單、節(jié)目預(yù)約、實(shí)時(shí)快進(jìn)、快退以及節(jié)目編排等多種功能。圖1為一個(gè)基于IPTV體制的艦船閉路電視系統(tǒng)框圖。

圖1 艦船IPTV系統(tǒng)框圖

2 艦船IPTV關(guān)鍵技術(shù)分析

基于IPTV體制的艦船閉路電視系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)為H.264視頻編碼技術(shù)，流媒體傳輸技術(shù)，IP組播技術(shù)與數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。

2.1 H.264技術(shù)

由于艦船網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制，傳輸?shù)囊粢曨l節(jié)目需采用先進(jìn)的視頻編碼技術(shù)，使其占用帶寬較少，傳輸?shù)囊曨l節(jié)目較多。目前被市場認(rèn)可的主要編解碼技術(shù)有WMV標(biāo)準(zhǔn)、MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)和H.264標(biāo)準(zhǔn)，IPTV技術(shù)也支持第三方編碼器。

H.264技術(shù)引入了新的編碼方法，能在相同的網(wǎng)絡(luò)帶寬下傳輸質(zhì)量更好的圖像。測試結(jié)果表明：H.264平均編碼比特率比H.263++低48.8%、比MPEG4ASP低38.2%。其壓縮效率比H.263提高約1倍，是MPEG-2的2～4倍［4］。

圖2是H.263、H.264、MPEG-2和MPEG-4的編碼效率比較。圖中橫坐標(biāo)代表碼率，縱坐標(biāo)代表視頻亮度分量的信噪比（單位：dB，越高表示視頻質(zhì)量越好）。使用的測試序列是標(biāo)準(zhǔn)測試序列Tempete（CIF，30幀/s）。由該圖可以看出，編碼效率從高到低的順序是：H.264，MPEG-4，H.263，MPEG-2。從視頻質(zhì)量上看，當(dāng)圖像客觀質(zhì)量達(dá)到31 dB時(shí)，H.264、MPEG-4、H.263、MPEG-2產(chǎn)生碼率分別是350 kbps，510 kbps，625 kbps，1 Mbps。

圖2 H.263，MPEG-2，MPEG-4和H.264的比較

圖3是H.264和WMV9的編碼效率比較。圖中橫坐標(biāo)代表碼率，縱坐標(biāo)代表主觀評測的圖像質(zhì)量。圖中的結(jié)論是：H.264的壓縮效率要高于WMV9。

圖3 H.264和WMV9的比較

H.264比其他標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的編碼效率更高，能夠在相對低的網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下，提供質(zhì)量更高的音視頻信號。同時(shí)H.264具有較強(qiáng)的抗丟包和抗誤碼性能，容易獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。其視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡(luò)適配層（NAL）兩層結(jié)構(gòu)的分層處理，對于復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用場合更具優(yōu)勢。其碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了糾錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP協(xié)議［4］，因此在船用IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

但是H.264的高效性是建立在其軟件編碼高度復(fù)雜的基礎(chǔ)上，解碼器軟件復(fù)雜度是H.263的3倍左右。由于采用了多幀參考技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)和RD算法進(jìn)行模式選擇，對處理器的數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制以及片內(nèi)外存儲器的組織提出了新的要求，因此H.264芯片的軟件工作難度將會提高其商業(yè)成本。目前不斷提高的硬件處理能力和不斷優(yōu)化的軟件算法，是H.264標(biāo)準(zhǔn)在船用IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到普及的基礎(chǔ)。

2.2 流媒體傳輸技術(shù)

流媒體在艦船局域網(wǎng)上的有效傳輸對于船用IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的問題。艦船局域網(wǎng)的環(huán)境比較復(fù)雜，為了解決電磁兼容和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，船上多個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)一般共用一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。由于每個(gè)系統(tǒng)都有一定的信息量，共用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不易保證流媒體文件能及時(shí)、有效地傳輸。雖然數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)可以緩解數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膲毫Γ菃渭円揽繑?shù)據(jù)緩沖技術(shù)無法滿足流暢傳輸流媒體文件的要求。

在艦船局域網(wǎng)上傳輸流媒體文件需要合適的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。目前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，只有采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的流媒體文件才能在各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中運(yùn)行傳輸。TCP/IP協(xié)議原本是為數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的，可以保證傳輸?shù)目煽啃裕荒鼙ＷC流媒體文件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)用戶終端。而流媒體傳輸?shù)囊粋€(gè)重要特征是對時(shí)間的要求很高，必須確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和同步性。

為此，船用IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）來解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。RTP是基于IP的應(yīng)用層協(xié)議，為實(shí)時(shí)音視頻數(shù)據(jù)提供端到端的傳送服務(wù)，包括有效載荷類型標(biāo)識、序列標(biāo)號、時(shí)間標(biāo)簽和源標(biāo)識，可以提供時(shí)間信息和實(shí)現(xiàn)流同步。由于TCP中重傳機(jī)制會引起時(shí)延，所以一般運(yùn)行在用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議層（UDP）上［5］。

因此，在船用IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用HTTP/TCP來傳輸控制信息，而用RTP/UDP來傳輸實(shí)時(shí)音/視頻數(shù)據(jù)。

2.3 IP組播技術(shù)

IP組播技術(shù)是允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者（組播源）同時(shí)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包給多個(gè)接收者的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳輸，可以有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。組播將流媒體文件復(fù)制到多個(gè)通道上，這樣單臺服務(wù)器能夠?qū)Χ嗯_客戶機(jī)同時(shí)連續(xù)發(fā)送流媒體文件而無延時(shí)，因此成為當(dāng)前大流量視頻業(yè)務(wù)的首選方案。在系統(tǒng)的直播業(yè)務(wù)應(yīng)用中，利用IP組播技術(shù)，可以有效地分發(fā)媒體流，減少網(wǎng)絡(luò)流量。

目前，在基于IPTV技術(shù)的艦船閉路電視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，已逐步采用IP組播技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在中小型局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星電視直播的功能。

2.4 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

由于艦船空間有限，不可能占用許多艙室，所以目前比較成熟的存儲器磁盤陣列是必須要考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。存儲器磁盤陣列是由多臺存儲器磁盤按一定的規(guī)則組成的一個(gè)快速、超大容量的外存儲器系統(tǒng)，它在陣列控制器的管理下，實(shí)現(xiàn)快速、并行或交叉存取，并有較強(qiáng)的容錯能力。從船員的觀點(diǎn)看，磁盤陣列雖然由多個(gè)組成的，但仍可認(rèn)為是一個(gè)單一磁盤，其容量疊加后可以高達(dá)數(shù)千萬兆字節(jié)。因此這一技術(shù)可以完美地解決船用IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)存儲問題。

3 結(jié)論

船用IPTV的關(guān)鍵技術(shù)主要是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的視頻編碼技術(shù)，流媒體傳輸技術(shù)，IP組播技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等。隨著網(wǎng)絡(luò)、流媒體等相應(yīng)技術(shù)的成熟，IPTV技術(shù)在艦船閉路電視系統(tǒng)上已得到廣泛的應(yīng)用。

IPTV技術(shù)體系簡單、交互性好、占用帶寬少等特點(diǎn)，使其已由傳統(tǒng)的直播電視節(jié)目逐漸發(fā)展到了直播、點(diǎn)播、教育培訓(xùn)、通知、娛樂、圖文信息、電子郵件、節(jié)目錄制等多樣化的交互手段。目前IPTV的前端設(shè)備和承載網(wǎng)絡(luò)成本較高。但在終端數(shù)量較多的情況下，整個(gè)系統(tǒng)成本會相應(yīng)降低，因此比較適合大型遠(yuǎn)海航行艦船。相信隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本的不斷降低和節(jié)目源的進(jìn)一步豐富，IPTV技術(shù)將在艦船閉路電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)中逐漸普及。

［1］胡智斌，黃煜劍.IPTV技術(shù)研究［J］.科技廣場，2011（3）：67-69.

［2］廖貴成，韋劍華.船用數(shù)字廣播電視系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.數(shù)字電視，2011（9）：3-5.

［3］張寧.遠(yuǎn)海航行衛(wèi)星電視接收問題的分析及解決方案［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：綜合版，2009（4）：90-92.

［4］戚鵬.H.264標(biāo)準(zhǔn)介紹及其在IPTV中的應(yīng)用［J］.電腦知識與技術(shù)，2010（6）：4931-4932.

［5］朱文平.IPTV的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.數(shù)據(jù)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

張寧（1968-），男，漢族，碩士，工程師，主要從事艦船設(shè)計(jì)審查工作。