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分类: LINUX

2013-03-06 08:54:37

1.  引言
       随 着信息产业的发展,人们对信息资源的要求已经逐渐由文字和图片过渡到音频和视频,并越来越强调获取资源的实时性和互动性。但人们又面临着另外一种不可避免 的尴尬,就是在网络上看到生动清晰的媒体演示的同时,不得不为等待传输文件而花费大量时间。为了解决这个矛盾,一种新的媒体技术应运而生,这就是流媒体技 术。流媒体由于具有启动时延小、节省客户端存储空间等优势,逐渐成为人们的首选,流媒体网络应用也在全球范围内得到不断的发展。其中实时流传输协议 RTP 详细说明了在互联网上传递音频和视频的标准数据包格式,它与传输控制协议 RTCP 配合使用,成为流媒体技术最普遍采用的协议之一。 
        H.264/AVC 是ITU-T 视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC 动态图像专家组(MPEG )联合组成的联合视频组(JVT)共同努力制订的新一代视频编码标准,它最大的优势是具有很高的数据压缩比率,在同等图像质量的条件下,H.264 的压缩比是MPEG-2 的2 倍以上,是 MPEG-4的1.5~2 倍。同时,采用视频编码层(VCL)和网络提取层(NAL )的分层设计,非常适用于流媒体技术进行实时传输。本文就是基于 RTP 协议,对 H.264 视频进行流式打包传输,实现了一个基本的流媒体服务器功能,同时利用开源播放器VLC 作为接收端,构成一个完整的H.264 视频传输系统。

2.  RTP 协议关键参数的设置
         RTP 协议是 IETF 在 1996 年提出的适合实时数据传输的新型协议。RTP 协议实际上是由实时传输协议RTP(Real-time Transport Protocol)和实时传输控制协议RTCP(Real-time Transport Control Protocol)两部分组成。RTP 协议基于多播或单播网络为用户提供连续媒体数据的实时传输服务;RTCP 协议是 RTP 协议的控制部分,用于实时监控数据传输质量,为系统提供拥塞控制和流控制。RTP 协议在RFC3550 中有详细介绍。每一个 RTP 数据包都由固定包头(Header )和载荷(Payload)两个部分组成,其中包头前12个字节的含义是固定的,而载荷则可以是音频或视频数据。RTP 固定包头的格式如图1所示: 
                                                  
       
 其中比较关键的参数设置解释如下:
      (1)标示位(M ):1 位,该标示位的含义一般由具体的媒体应用框架(profile )定义, 目的在于标记处RTP 流中的重要事件。
     (2)载荷类型(PT):7 位,用来指出RTP负载的具体格式。在RFC3551中,对常用的音视频格式的RTP 传输载荷类型做了默认的取值规定,例如,类型2 表明该RTP数据包中承载的是用ITU G.721 算法编码的语音数据,采用频率为 8000HZ,并且采用单声道。
    (3)序号:16 位,每发送一个 RTP 数据包,序号加 1。接受者可以用它来检测分组丢失和恢复分组顺序。
   (4)时间戳:32 位,时间戳表示了 RTP 数据分组中第一个字节的采样时间,反映出各RTP 包相对于时间戳初始值的偏差。对于RTP 发送端而言,采样时间必须来源于一个线性单调递增的时钟。
       从 RTP 数据包的格式不难看出,它包含了传输媒体的类型、格式、序列号、时间戳以及是否有附加数据等信息。这些都为实时的流媒体传输提供了相应的基础。而 传输控制协议RTCP为 RTP传输提供了拥塞控制和流控制,它的具体包结构和各字段的含义可参考RFC3550,此处不再赘述。
3.  H.264 基本流结构及其传输机制
3.1  H.264 基本流的结构
H.264 的基本流(elementary stream,ES)的结构分为两层,包括视频编码层(VCL)和网络适配层(NAL)。视频编码层负责高效的视频内容表示,而网络适配层负责以网络所要 求的恰当的方式对数据进行打包和传送。引入NAL并使之与VCL分离带来的好处包括两方面:其一、使信号处理和网络传输分离,VCL 和NAL 可以在不同的处理平台上实现;其二、VCL 和NAL 分离设计,使得在不同的网络环境内,网关不需要因为网络环境不同而对VCL比特流进行重构和重编码。
       H.264 的基本流由一系列NALU (Network Abstraction Layer Unit )组成,不同的NALU数据量各不相同。H.264 草案指出[2],当数据流是储存在介质上时,在每个NALU 前添加起始码:0x000001,用来指示一个 NALU的起始和终止位置。在这样的机制下,*在码流中检测起始码,作为一个NALU得起始标识,当检测到下一个起始码时,当前NALU结束。每个 NALU单元由一个字节的 NALU头(NALU Header)和若干个字节的载荷数据(RBSP)组成。其中NALU 头的格式如图2 所示:
                                                                            
                                                                                                                  
        F:forbidden_zero_bit.1 位,如果有语法冲突,则为 1。当网络识别此单元存在比特错误时,可将其设为 1,以便接收方丢掉该单元。 
        NRI:nal_ref_idc.2 位,用来指示该NALU 的重要性等级。值越大,表示当前NALU越重要。具体大于0 时取何值,没有具体规定。
 Type:5 位,指出NALU 的类型。具体如表1 所示:
                                                                        
                                                                                   
      需要特别指出的是,NRI 值为 7 和 8 的NALU 分别为序列参数集(sps)和图像参数集(pps)。参数集是一组很少改变的,为大量VCL NALU 提供解码信息的数据。其中序列参数集作用于一系列连续的编码图像,而图像参数集作用于编码视频序列中一个或多个独立的图像。如果*没能正确接收到这两个参 数集,那么其他NALU 也是无法解码的。因此它们一般在发送其它 NALU 之前发送,并且使用不同的信道或者更加可靠的传输协议(如TCP)进行传输,也可以重复传输。
 
3.2  适用于 H.264 视频的传输机制
       前 面分别讨论了RTP 协议及H.264基本流的结构,那么如何使用RTP协议来传输H.264视频了?一个有效的办法就是从H.264视频中剥离出每个NALU,在每个 NALU前添加相应的RTP包头,然后将包含RTP 包头和NALU 的数据包发送出去。下面就从RTP包头和NALU两方面分别阐述。
      完整的 RTP 固定包头的格式在前面图 1 中已经指出,根据RFC3984[3],这里详细给出各个位的具体设置。
      V:版本号,2 位。根据RFC3984,目前使用的RTP 版本号应设为0x10。
      P:填充位,1 位。当前不使用特殊的加密算法,因此该位设为 0。
      X:扩展位,1 位。当前固定头后面不跟随头扩展,因此该位也为 0。
      CC:CSRC 计数,4 位。表示跟在 RTP 固定包头后面CSRC 的数目,对于本文所要实现的基本的流媒体服务器来说,没有用到混合器,该位也设为 0x0。
       M:标示位,1 位。如果当前 NALU为一个接入单元最后的那个NALU,那么将M位置 1;或者当前RTP 数据包为一个NALU 的最后的那个分片时(NALU 的分片在后面讲述),M位置 1。其余情况下M 位保持为 0。 
       PT:载荷类型,7 位。对于H.264 视频格式,当前并没有规定一个默认的PT 值。因此选用大于 95 的值可以。此处设为0x60(十进制96)。
      SQ:序号,16 位。序号的起始值为随机值,此处设为 0,每发送一个RTP 数据包,序号值加 1。
      TS:时间戳,32 位。同序号一样,时间戳的起始值也为随机值,此处设为0。根据RFC3984, 与时间戳相应的时钟频率必须为90000HZ。
      SSRC:同步源标示,32 位。SSRC应该被随机生成,以使在同一个RTP会话期中没有任何两个同步源具有相同的SSRC 识别符。此处仅有一个同步源,因此将其设为0x12345678。
      对于每一个NALU,根据其包含的数据量的不同,其大小也有差异。在IP网络中,当要传输的IP 报文大小超过最大传输单元MTU(Maximum Transmission Unit )时就会产生IP分片情况。在以太网环境中可传输的最大 IP 报文(MTU)的大小为 1500 字节。如果发送的IP数据包大于MTU,数据包就会被拆开来传送,这样就会产生很多数据包碎片,增加丢包率,降低网络速度。对于视频传输而言,若RTP 包大于MTU 而由底层协议任意拆包,可能会导致接收端播放器的延时播放甚至无法正常播放。因此对于大于MTU 的NALU 单元,必须进行拆包处理。
RFC3984 给出了3 中不同的RTP 打包方案:
(1)Single NALU Packet:在一个RTP 包中只封装一个NALU,在本文中对于小于 1400字节的NALU 便采用这种打包方案。
       (2)Aggregation Packet:在一个RTP 包中封装多个NALU,对于较小的NALU 可以采用这种打包方案,从而提高传输效率。
       (3)Fragmentation Unit:一个NALU 封装在多个RTP包中,在本文中,对于大于1400字节的NALU 便采用这种方案进行拆包处理。
4.  H.264 流媒体传输系统的实现
       一个完整的流媒体传输系统包含服务器端和客户端两个部分[5][6]。对于服务器端,其主要任 务是读取H.264 视频,从码流中分离出每个NALU 单元,分析NALU 的类型,设置相应的 RTP 包头,封装 RTP 数据包并发送。而对于客户端来说,其主要任务则是接收 RTP数据包,从RTP 包中解析出NALU 单元,然后送至*进行解码播放。该流媒体传输系统的框架如图3 所示。

                                                    

                                                                                                
5. 结论
本 文所设计的流媒体传输系统服务器端运行在Windows XP 系统,用VLC 播放器作为客户端接收H.264 视频RTP 数据包。经测试,客户端在经过2 秒的缓冲过后即能流畅播放,传输速度设为 30 帧每秒的情况下,未出现丢包拖影等现象,视频主观质量良好,与本地播放该H.264 视频无明显区别。
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