基于3G網絡的節目審片系統的設計與實現

【摘要】 針對廣播電視系統中3G無線模式的節目審片這一新問題，我們設計并實現了基于3G網絡的節目審片平臺。主要由視頻轉碼模塊，節目審核模塊與傳輸控制模塊組成。

【關鍵字】 3G 節目審片 H.264 視頻轉碼 多路并發流媒體服務器

引言

當今信息社會中，人們對信息的數量、質量、速率以及環境等要求的不斷提高，隨著三網融合的進程不斷加快，手機電視，IPTV等與廣電網內容相關的流媒體應用將會有更大的發展與市場空間。3G網絡的出現為三網的融合提供了新的實現方式。與傳統2G相比，3G網絡覆蓋更寬廣，數據傳輸速度更快，內容應用更加豐富， 通過3G網絡在手機等終端上進行電視節目審片，成為三網業務融合的一個新應用。

然而目前，通過3G網絡開展視頻傳輸與節目審片，尚存在以下難點：

1.視音頻編碼格式的轉換：目前廣泛應用于電視節目制作的標清視頻編碼格式多為MPEG2-I或DVCPRO，分辨率為720X576，碼率為25M/bps或50M/bps，這樣的尺寸和碼率無法通過3G網絡進行實時傳輸。即使能夠傳輸，在較弱處理能力的移動設備上也無法流暢觀看。如何針對3G網絡以及移動設備，高效實時的將傳統的高碼率電視節目向壓縮效率更高的H.264編碼格式的轉換需要重點研究。

2. 視頻無線傳輸質量問題：3G網絡雖然提供了更高的數據傳輸速率，但與其他無線網絡一樣，但仍存在帶寬有限，網絡不穩定等問題，同時壓縮視頻對于傳輸中的丟包非常敏感。因此，如何高質量地進行視頻的無線傳輸，是目前無線通信面臨挑戰性的問題，單單使用信道糾錯編碼方式根本無法保證無線視頻數據的QoS，需要從視頻傳輸層和圖像內容編碼層來加以考慮，以保障視頻穩定的傳輸與流暢的觀看。

3. 多用戶并發訪問問題：手機電視等多媒體應用不是針對單一用戶，而是3G用戶這一群體，3G無線網絡對多路并發提出了更高的要求，傳統的多用戶視頻傳輸方式如組播，多播等，但由于自身局限，無法應用于3G網絡。因此必須探討適于3G網絡的多路并發與傳輸方式，以滿足用戶的訪問和觀看電視的需求。

針對以上問題，我們設計并完成了一整套基于3G網絡的電視節目審片系統，對于視頻轉碼與視頻傳輸控制過程中的關鍵技術進行了重點分析，并提出了適于3G網絡的視頻轉方案與傳輸方案。同時為滿足多個用戶同時觀看視頻的需求，設計了多路并發流媒體服務器，以保障新聞節目觀看的穩定性與流程。目前該系統已進入使用階段。

一.系統總體架構

系統工作流程：當有3G節目審片需求時，在制作網編輯軟件中將成片合成后發送到3G審片平臺；審片系統完成節目編碼格式的轉換；轉換后的節目存放到審片系統的中心存儲；移動終端的用戶通過審片軟件，在目錄服務器上查詢待審節目列表，并觀看待審節目，最后在軟件中將審片意見通過3G網絡返回到制作網系統。

考慮到審片流程的復雜性，采用多服務器的方式，以便進行管理，提高系統穩定性。整個系統包括目錄服務器、流媒體服務器和視頻轉碼服務器以及移動終端。系統框架如圖1所示。具體過程如下：

視頻轉碼工作由轉碼服務器完成。轉碼服務器與制作網相連接，將節目合成的成片從MPEG2-I或DVCPRO編碼的素材轉碼為適合3G網絡傳輸，且適合移動終端觀看的H.264格式的視頻節目。當制作網有新的待審節目通知時，從制作網傳輸原始節目到本地緩沖，并對節目進行實時轉碼，轉碼完成后將文件遷移至審片中心存儲，并通知目錄服務器有新審片任務。目錄服務器主要負責web方式的電視節目管理，節目審片與觀看訪問權限的驗證，填寫審片規則表單，提交審片任務業務，同時進行審片結果查詢。流媒體服務器設計為多路并發服務器，完成多用戶訪問模式下的視頻發布，為無線移動審片與觀看提供穩定，可靠的視頻傳輸。移動終端包括3G手機，3G上網筆記本等。

審片時用戶通過移動終端上的審片軟件以Web方式登錄目錄服務器，通過驗證后，目錄服務器通過查詢審片中心存儲，返回待審片節目列表，用戶選擇節目后由流媒體服務器進行視頻傳輸，審片完成后用戶填寫審片意見并傳輸至目錄服務器，目錄服務器進入下一次處理和操作流程。

二.系統實現

（1）視頻轉碼服務器設計

轉碼服務器主要目的在于降低原有節目的碼率，以便能夠在3G網絡上穩定的傳輸。同時考慮到手持終端顯示分辨率較低，處理能力弱，因此轉碼過程中，同時需要對電視節進行空間采用和時間采樣。

目前基于H.264的視頻轉碼算法多樣，但常用的主要分為兩種：像素域轉碼（PDT）和變換域轉碼（DDT）。PDT是先完全解碼，在像素域進行空間或時間的重采樣，再重新編碼。由于二次編碼時對運動矢量和編碼模式都進行了重新計算，因此輸出圖像質量高，實現靈活，但是轉碼效率低，系統負載大。DDT則直接在DCT域進行轉碼，處理DCT系數，其計算復雜度低，轉碼效率高，但其不夠靈活，轉碼質量下降較大。

針對3G網絡實際情況與不同的轉碼需求，需要根據網絡與用戶的不同，實時進行調整轉碼參數，以保證視頻流暢的傳輸和觀看，同時兼顧轉碼計算的復雜度，本系統采用PDT轉碼算法，并對重要算法進行改進，實現多種節目格式到H.264的視頻轉換。

轉碼實現框架如圖2所示，可完成文件與視頻流的兩種方式的實時視頻轉碼，并將實時轉碼后的H.264視頻流發送到視頻發布模塊。針對不同的應用場合，可以調整輸出H.264流的碼率，空間分辨率，時間分辨率。

（2）多路并發流媒體服務器

多路并發流媒體服務器流程圖如圖3所示，采用多進程方式，以防止有一路用戶出現網絡阻塞時導致系統整體癱瘓。有新用戶視頻請求時，主進程完成新用戶的對話與交互，之后為新用戶創建進程，新子進程負責從審片存儲中心讀取待審片的新聞節目，與新用戶建立網絡鏈接，傳輸視頻數據。

視音頻的3G傳輸過程采用了RTP/RTSP協議。目錄服務器負責用戶認證以及RSTP對話連接的創建，流媒體服務器完成實際的RTP視頻傳輸。傳統方式采用TCP傳輸RTSP協議數據，使用UDP傳輸RTP數據包。使用UDP的優點是低延時，但由于UDP并不確認數據包是否收到，不適合在3G網絡傳輸，系統使用TCP的方式傳輸RTSP協議與RTP包。

接收端根據RTP數據包的接收情況，周期性地向發送端發送反饋信息。發送端根據反饋的信息分析當前的網絡狀況，采取相應的控制策略。當網絡狀況變化很大時，調整轉碼模塊的輸出碼率， 編碼參數選擇量化參數QP來進行動態調整輸出碼率，實現視頻流速率不超過可用帶寬的擁塞控制，如圖4所示。同時H.264 編碼采用恒定碼率的方式，雖然視頻數據的碼率在時間統計上是一個恒定的值，但是它的瞬間碼率存在較大的波動，若不附加任何限制而直接發送，則會導致視頻圖像不連續或抖動。

三.系統測試

MPEG-2至H.264轉碼性能測試包括轉碼的碼率、分辨率、幀率的控制，轉碼的實時性，轉碼前后的圖像質量等等。我們采用DELL2950服務器，配置為：CPU為4核Intel（R）Xeon（R） E5400 @ 2.00GHz，二級cache 6MB*2，支持指令集MMX、MMXEXT、SSE、SSE2、SSSE3，內存大小DDR2 667 4G 。在該轉碼服務器上，對標準測試序列進行轉碼，包括不同碼率、幀率、分辨率之間的轉換，測試素材采用我臺各頻道實際制作的節目，目標碼率為196kbps，通過流媒體服務器在3G網絡上發布，手機終端審片觀看，對延時及播放效果進行測試，其結果表1，表2所示。

從測試結果可以看出，系統轉碼效率較高，網絡傳輸延時較低。能夠滿足審片需求。

手機和移動終端上安裝相應的審片軟件，完成3G審片工作。系統演示如圖5，圖6所示：

本文提出的基于3G的新聞審片系統發布系統，已經成功應用我臺教科頻道節目審片系統中，工作于WCDMA網絡環境下，工作人員可以通過3G手機進行無線審片，并在審片結束后提交審片意見。編輯根據審片意見對節目進行下一步處理和操作，同時其它用戶可以通過手機在線觀看新聞節目。本系統目前運行良好，客戶端進行審片時的視頻圖像和字幕清晰、流暢，使用效果良好。

四.結論

本文論述的南京廣播電視集團3G節目審片與發布系統具有以下創新點：

（1）針對3G網絡設計轉碼平臺，將傳統新聞視頻格式轉碼為H.264格式，在保證圖像質量的前提下，大大節省了網絡帶寬，適合3G無線網絡傳輸。

（2）多路并發流媒體服務器解決了3G網絡環境下多用戶同時訪問、觀看視頻節目的問題，同時對視頻傳輸QoS進行控制，保證了視頻傳輸質量。

文中論述的3G新聞節目審核與發布平臺在我臺教科頻道的新聞審片中的應用只是初步嘗試，文章提及的設計思路對基于3G網絡的數字視頻廣播系統、視頻點播系統，以及手機IPTV等實時多媒體應用系統都有借鑒意義。