貴州電視臺家有購物頻道H.264編碼與網絡傳輸技術應用

【摘要】本文介紹了貴州電視臺家有購物頻道在長途光纜傳輸中采用的H.264低碼率編碼與UDP網絡協議傳輸技術，滿足了電視臺網絡化，低成本化，安全性的要求。

【關鍵詞】 遠程傳輸 H.264編碼 UDP協議 組播

一. 業務需求與現狀分析

家有購物由貴州電視臺注資1億元人民幣成立，2008年7月25日正式運營，總部位于北京，是一家整合電視、網絡、商品目錄、手機等無店鋪銷售形式的全國性家庭購物公司。目前，家有購物已覆蓋全國23個省級行政區域，輻射超過2.2億電視觀眾，并形成以電視頻道、購物網站、商品目錄為主導的三大立體化銷售渠道，同時輔以報刊、實體店、外呼、廣播、手機、IPTV等其他渠道資源，致力于打造中國家庭購物行業最具商業價值的銷售平臺。發展至今，貴州電視臺家有購物已經與上海文廣的東方購物、湖南廣電的快樂購物一起名列中國家庭購物行業前三甲。

由于家有購物頻道的播控中心設在貴陽，而地面覆蓋是在北京歌華有線，即貴陽的播出節目傳送到北京歌華有線，而北京演播室的直播信號傳送到貴陽的播控中心播出，所以租用了運營商的光纜作為長途傳輸鏈路，之前我們采用的是E1傳輸協議（一對E1的傳輸速率為2.048Mbit/s，傳統的編碼器輸出的ASI信號一般是在6Mb/s，再加上音頻的碼率以及一些必要的包頭以及信令，所以必須得租用4對E1，即8M帶寬才能發送與接收節目，圖1、圖2是傳統的E1傳輸方式。

從圖1、2 可以看出，MPEG-2編碼再適配的模式占用的帶寬是比較大的，而且必須要適配器將ASI信號和E1信號互相適配才能進行編解碼，環節比較復雜。而且如果其中一個E1中斷就會造成整個信號的中斷。電纜線較多，特別是4對收發E1線纜，給安裝與維護帶來諸多不便。

二. 關鍵技術介紹與實現

下面著重介紹通過IP流傳輸的占用更低帶寬的H.264編碼與傳輸方式。

H.264/MPEG-4 AVC是一種面向塊的基于運動補償的編解碼器標準。由ITU-T視頻編碼專家組與ISO/IEC聯合工作組——即動態圖像專家組（MPEG）——聯合組成的聯合視頻組（JVT，Joint Video Team）開發。因ITU-T H.264標準和 ISO/IEC MPEG-4 AVC標準（正式名稱是ISO/IEC 14496-10 — MPEG-4第十部分，高級視頻編碼）有相同的技術內容，故被共同管理。H.264/AVC項目意圖創建一種視頻標準。與舊標準相比，它能夠在更低帶寬下提供優質視頻（換言之，只有MPEG-2，H.263或MPEG-4第2部分的一半帶寬或更少），也不增加太多設計復雜度使得無法實現或實現成本過高。另一目的是提供足夠的靈活性以在各種應用、網絡及系統中使用，包括高、低帶寬，高、低視頻分辨率，廣播，DVD存儲，RTP/IP網絡，以及ITU-T多媒體電話系統。

設備的選用上，我們采用了哈雷的Harmonic Ellipse1000編碼器和Harmonic ProView 7000解碼器，由于H.264在同等圖像質量上，帶寬只有MPEG-2編碼的一半甚至更小，所以經過測試，其3Mb/s的視頻編碼碼率與傳統的MPEG-2 6Mb/s編碼碼率從畫面質量上來說沒有區別。傳輸協議上，采用編碼器的UDP傳輸協議，而不是TCP方式。TCP協議是“面向連接”的一種協議，能為應用程序提供可靠地通信連接，但TCP握手通信太多，協議開銷大，傳輸效率不高。UDP具有TCP所望塵莫及的速度優勢。雖然TCP協議中植入了各種安全保障功能，但是在實際執行的過程中會占用大量的系統開銷，無疑使速度受到嚴重的影響。反觀UDP由于排除了信息可靠傳遞機制，將安全和排序等功能移交給上層應用來完成，極大降低了執行時間，使速度得到了保證。網上下載的VLC播放器可以直接在線播放UDP協議流，所以只需一臺筆記本電腦就可以監視其信號，非常方便。

由于每臺編碼器解碼器都有自己的IP地址，在判斷線路故障方面，只需要使用Ping命令就可以判斷傳輸鏈路的情況，這也是網絡傳輸的一大優勢所在。

通訊模式上，采用組播方式（224.0.0.0--239.255.255.255）。組播主機之間“一對一組”的通訊模式，也就是加入了同一個組的主機可以接受到此組內的所有數據，網絡中的交換機和路由器只向有需求者復制并轉發其所需數據。主機可以向路由器請求加入或退出某個組，網絡中的路由器和交換機有選擇的復制并傳輸數據，即只將組內數據傳輸給那些加入組的主機。這樣既能一次將數據傳輸給多個有需要（加入組）的主機，又能保證不影響其他不需要（未加入組）的主機的其他通訊。

組播的優點：

1. 需要相同數據流的客戶端加入相同的組共享一條數據流，節省了服務器的負載。具備廣播所具備的優點。

2. 由于組播協議是根據接受者的需要對數據流進行復制轉發，所以服務端的服務總帶寬不受客戶接入端帶寬的限制。IP協議允許有2億6千多萬個（268435456）組播，所以其提供的服務可以非常豐富。

圖3為貴陽機房傳輸示意圖（北京機房與貴陽一樣，只是一個相反的傳輸方向），貴陽與北京的雙向傳輸都通過一個收發器實現，北京的編碼器設置組播（Multicast）地址與端口號，輸出的IP流通過貴陽端的解碼器解碼成SDI信號送進播控中心，播控中心的SDI信號經過編碼器編碼成為IP流通過光纖收發器發往北京。在維護方面，只需攜帶一臺裝有VLC播放器的筆記本電腦就可以在線播放UDP協議的視頻流，非常方便。

圖4可以看出，Harmonic Ellipse1000編碼器支持標清和高清輸入，便于將來的升級，由于H.264編碼的帶寬占用只有MPEG-2的一半甚至更低，所以視頻碼率設置范圍從0.1Mb/s—30Mb/s。綜合考慮我們租用的帶寬和要求，最終設置視頻碼率為3Mb/s，比起以前使用的4×E1傳輸方式的8M來說，已經大大節省了帶寬資源。

從圖5可以看到，傳輸協議采用UDP協議，Dst IP只需要設置成組播地址或者單播地址就可以更改通訊模式，只需要在解碼器上進行相應的設置即可解碼，非常方便。

三. 總結與應用前景

H.264/MPEG-4的應用范圍是非常廣闊的，它可以適用于多種網絡，其高效的編碼性能，H.264/MPEG-4可滿足多種應用的需求，目前主要應用在以下領域；基于電纜、衛星、Modem、DST等信道的廣播；視頻數據在光學或磁性設備上的存儲，基于ISDN、以太網、DSL無線及移動網絡的公話服務、視頻流服務、彩信服務等，除了以上介紹的應用，基于H.264/MPEG-4的平臺，還會擁現很多新的應用。

目前電視臺的長途傳輸一般都采用長途干線光纜，當租用電信運營商的光纜時，IP流的傳輸協議與運營商的協議一致，而且碼率可以靈活設置，便于組網。H.264低帶寬編碼與IP傳輸在電視臺的長途信號傳輸方面比較實用，節約了帶寬，降低了成本，減少了傳輸鏈路設備，提高了安全性。同時該編碼方式支持高清格式，將來可以直接升級到高清播出而不需要另行更換設備。BP

參考資料

吳峰 張珂 高遠航 《有線電視技術》 2006 第2期