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【摘要】 针对广播电视系统中3G无线模式的节目审片这一新问题，我们设计并实现了基于3G网络的节目审片平台。主要由视频转码模块，节目审核模块与传输控制模块组成。
【关键字】 3G 节目审片 H.264 视频转码 多路并发流媒体服务器
引言
当今信息社会中，人们对信息的数量、质量、速率以及环境等要求的不断提高，随着三网融合的进程不断加快，手机电视，IPTV等与广电网内容相关的流媒体应用将会有更大的发展与市场空间。3G网络的出现为三网的融合提供了新的实现方式。与传统2G相比，3G网络覆盖更宽广，数据传输速度更快，内容应用更加丰富， 通过3G网络在手机等终端上进行电视节目审片，成为三网业务融合的一个新应用。
然而目前，通过3G网络开展视频传输与节目审片，尚存在以下难点：
1.视音频编码格式的转换：目前广泛应用于电视节目制作的标清视频编码格式多为MPEG2-I或DVCPRO，分辨率为720X576，码率为25M/bps或50M/bps，这样的尺寸和码率无法通过3G网络进行实时传输。即使能够传输，在较弱处理能力的移动设备上也无法流畅观看。如何针对3G网络以及移动设备，高效实时的将传统的高码率电视节目向压缩效率更高的H.264编码格式的转换需要重点研究。
2. 视频无线传输质量问题：3G网络虽然提供了更高的数据传输速率，但与其他无线网络一样，但仍存在带宽有限，网络不稳定等问题，同时压缩视频对于传输中的丢包非常敏感。因此，如何高质量地进行视频的无线传输，是目前无线通信面临挑战性的问题，单单使用信道纠错编码方式根本无法保证无线视频数据的QoS，需要从视频传输层和图像内容编码层来加以考虑，以保障视频稳定的传输与流畅的观看。
3. 多用户并发访问问题：手机电视等多媒体应用不是针对单一用户，而是3G用户这一群体，3G无线网络对多路并发提出了更高的要求，传统的多用户视频传输方式如组播，多播等，但由于自身局限，无法应用于3G网络。因此必须探讨适于3G网络的多路并发与传输方式，以满足用户的访问和观看电视的需求。
针对以上问题，我们设计并完成了一整套基于3G网络的电视节目审片系统，对于视频转码与视频传输控制过程中的关键技术进行了重点分析，并提出了适于3G网络的视频转方案与传输方案。同时为满足多个用户同时观看视频的需求，设计了多路并发流媒体服务器，以保障新闻节目观看的稳定性与流程。目前该系统已进入使用阶段。
一.系统总体架构
系统工作流程：当有3G节目审片需求时，在制作网编辑软件中将成片合成后发送到3G审片平台；审片系统完成节目编码格式的转换；转换后的节目存放到审片系统的中心存储；移动终端的用户通过审片软件，在目录服务器上查询待审节目列表，并观看待审节目，最后在软件中将审片意见通过3G网络返回到制作网系统。
考虑到审片流程的复杂性，采用多服务器的方式，以便进行管理，提高系统稳定性。整个系统包括目录服务器、流媒体服务器和视频转码服务器以及移动终端。系统框架如图1所示。具体过程如下：
视频转码工作由转码服务器完成。转码服务器与制作网相连接，将节目合成的成片从MPEG2-I或DVCPRO编码的素材转码为适合3G网络传输，且适合移动终端观看的H.264格式的视频节目。当制作网有新的待审节目通知时，从制作网传输原始节目到本地缓冲，并对节目进行实时转码，转码完成后将文件迁移至审片中心存储，并通知目录服务器有新审片任务。目录服务器主要负责web方式的电视节目管理，节目审片与观看访问权限的验证，填写审片规则表单，提交审片任务业务，同时进行审片结果查询。流媒体服务器设计为多路并发服务器，完成多用户访问模式下的视频发布，为无线移动审片与观看提供稳定，可靠的视频传输。移动终端包括3G手机，3G上网笔记本等。
审片时用户通过移动终端上的审片软件以Web方式登录目录服务器，通过验证后，目录服务器通过查询审片中心存储，返回待审片节目列表，用户选择节目后由流媒体服务器进行视频传输，审片完成后用户填写审片意见并传输至目录服务器，目录服务器进入下一次处理和操作流程。
二.系统实现
（1）视频转码服务器设计
转码服务器主要目的在于降低原有节目的码率，以便能够在3G网络上稳定的传输。同时考虑到手持终端显示分辨率较低，处理能力弱，因此转码过程中，同时需要对电视节进行空间采用和时间采样。
目前基于H.264的视频转码算法多样，但常用的主要分为两种：像素域转码（PDT）和变换域转码（DDT）。PDT是先完全解码，在像素域进行空间或时间的重采样，再重新编码。由于二次编码时对运动矢量和编码模式都进行了重新计算，因此输出图像质量高，实现灵活，但是转码效率低，系统负载大。DDT则直接在DCT域进行转码，处理DCT系数，其计算复杂度低，转码效率高，但其不够灵活，转码质量下降较大。
针对3G网络实际情况与不同的转码需求，需要根据网络与用户的不同，实时进行调整转码参数，以保证视频流畅的传输和观看，同时兼顾转码计算的复杂度，本系统采用PDT转码算法，并对重要算法进行改进，实现多种节目格式到H.264的视频转换。
转码实现框架如图2所示，可完成文件与视频流的两种方式的实时视频转码，并将实时转码后的H.264视频流发送到视频发布模块。针对不同的应用场合，可以调整输出H.264流的码率，空间分辨率，时间分辨率。
（2）多路并发流媒体服务器
多路并发流媒体服务器流程图如图3所示，采用多进程方式，以防止有一路用户出现网络阻塞时导致系统整体瘫痪。有新用户视频请求时，主进程完成新用户的对话与交互，之后为新用户创建进程，新子进程负责从审片存储中心读取待审片的新闻节目，与新用户建立网络链接，传输视频数据。
视音频的3G传输过程采用了RTP/RTSP协议。目录服务器负责用户认证以及RSTP对话连接的创建，流媒体服务器完成实际的RTP视频传输。传统方式采用TCP传输RTSP协议数据，使用UDP传输RTP数据包。使用UDP的优点是低延时，但由于UDP并不确认数据包是否收到，不适合在3G网络传输，系统使用TCP的方式传输RTSP协议与RTP包。
接收端根据RTP数据包的接收情况，周期性地向发送端发送反馈信息。发送端根据反馈的信息分析当前的网络状况，采取相应的控制策略。当网络状况变化很大时，调整转码模块的输出码率, 编码参数选择量化参数QP来进行动态调整输出码率，实现视频流速率不超过可用带宽的拥塞控制，如图4所示。同时H.264 编码采用恒定码率的方式,虽然视频数据的码率在时间统计上是一个恒定的值,但是它的瞬间码率存在较大的波动,若不附加任何限制而直接发送,则会导致视频图像不连续或抖动。
三.系统测试
MPEG-2至H.264转码性能测试包括转码的码率、分辨率、帧率的控制，转码的实时性，转码前后的图像质量等等。我们采用DELL2950服务器,配置为：CPU为4核Intel（R）Xeon（R） E5400 @ 2.00GHz，二级cache 6MB*2，支持指令集MMX、MMXEXT、SSE、SSE2、SSSE3，内存大小DDR2 667 4G 。在该转码服务器上，对标准测试序列进行转码，包括不同码率、帧率、分辨率之间的转换，测试素材采用我台各频道实际制作的节目，目标码率为196kbps，通过流媒体服务器在3G网络上发布，手机终端审片观看，对延时及播放效果进行测试，其结果表1，表2所示。
从测试结果可以看出，系统转码效率较高，网络传输延时较低。能够满足审片需求。
手机和移动终端上安装相应的审片软件，完成3G审片工作。系统演示如图5，图6所示：
本文提出的基于3G的新闻审片系统发布系统，已经成功应用我台教科频道节目审片系统中，工作于WCDMA网络环境下，工作人员可以通过3G手机进行无线审片，并在审片结束后提交审片意见。编辑根据审片意见对节目进行下一步处理和操作，同时其它用户可以通过手机在线观看新闻节目。本系统目前运行良好，客户端进行审片时的视频图像和字幕清晰、流畅，使用效果良好。
四.结论
本文论述的南京广播电视集团3G节目审片与发布系统具有以下创新点：
（1）针对3G网络设计转码平台，将传统新闻视频格式转码为H.264格式，在保证图像质量的前提下，大大节省了网络带宽，适合3G无线网络传输。
（2）多路并发流媒体服务器解决了3G网络环境下多用户同时访问、观看视频节目的问题，同时对视频传输QoS进行控制，保证了视频传输质量。
文中论述的3G新闻节目审核与发布平台在我台教科频道的新闻审片中的应用只是初步尝试，文章提及的设计思路对基于3G网络的数字视频广播系统、视频点播系统，以及手机IPTV等实时多媒体应用系统都有借鉴意义。
【关键字】 3G 节目审片 H.264 视频转码 多路并发流媒体服务器
引言
当今信息社会中，人们对信息的数量、质量、速率以及环境等要求的不断提高，随着三网融合的进程不断加快，手机电视，IPTV等与广电网内容相关的流媒体应用将会有更大的发展与市场空间。3G网络的出现为三网的融合提供了新的实现方式。与传统2G相比，3G网络覆盖更宽广，数据传输速度更快，内容应用更加丰富， 通过3G网络在手机等终端上进行电视节目审片，成为三网业务融合的一个新应用。
然而目前，通过3G网络开展视频传输与节目审片，尚存在以下难点：
1.视音频编码格式的转换：目前广泛应用于电视节目制作的标清视频编码格式多为MPEG2-I或DVCPRO，分辨率为720X576，码率为25M/bps或50M/bps，这样的尺寸和码率无法通过3G网络进行实时传输。即使能够传输，在较弱处理能力的移动设备上也无法流畅观看。如何针对3G网络以及移动设备，高效实时的将传统的高码率电视节目向压缩效率更高的H.264编码格式的转换需要重点研究。
2. 视频无线传输质量问题：3G网络虽然提供了更高的数据传输速率，但与其他无线网络一样，但仍存在带宽有限，网络不稳定等问题，同时压缩视频对于传输中的丢包非常敏感。因此，如何高质量地进行视频的无线传输，是目前无线通信面临挑战性的问题，单单使用信道纠错编码方式根本无法保证无线视频数据的QoS，需要从视频传输层和图像内容编码层来加以考虑，以保障视频稳定的传输与流畅的观看。
3. 多用户并发访问问题：手机电视等多媒体应用不是针对单一用户，而是3G用户这一群体，3G无线网络对多路并发提出了更高的要求，传统的多用户视频传输方式如组播，多播等，但由于自身局限，无法应用于3G网络。因此必须探讨适于3G网络的多路并发与传输方式，以满足用户的访问和观看电视的需求。
针对以上问题，我们设计并完成了一整套基于3G网络的电视节目审片系统，对于视频转码与视频传输控制过程中的关键技术进行了重点分析，并提出了适于3G网络的视频转方案与传输方案。同时为满足多个用户同时观看视频的需求，设计了多路并发流媒体服务器，以保障新闻节目观看的稳定性与流程。目前该系统已进入使用阶段。
一.系统总体架构
系统工作流程：当有3G节目审片需求时，在制作网编辑软件中将成片合成后发送到3G审片平台；审片系统完成节目编码格式的转换；转换后的节目存放到审片系统的中心存储；移动终端的用户通过审片软件，在目录服务器上查询待审节目列表，并观看待审节目，最后在软件中将审片意见通过3G网络返回到制作网系统。
考虑到审片流程的复杂性，采用多服务器的方式，以便进行管理，提高系统稳定性。整个系统包括目录服务器、流媒体服务器和视频转码服务器以及移动终端。系统框架如图1所示。具体过程如下：
视频转码工作由转码服务器完成。转码服务器与制作网相连接，将节目合成的成片从MPEG2-I或DVCPRO编码的素材转码为适合3G网络传输，且适合移动终端观看的H.264格式的视频节目。当制作网有新的待审节目通知时，从制作网传输原始节目到本地缓冲，并对节目进行实时转码，转码完成后将文件迁移至审片中心存储，并通知目录服务器有新审片任务。目录服务器主要负责web方式的电视节目管理，节目审片与观看访问权限的验证，填写审片规则表单，提交审片任务业务，同时进行审片结果查询。流媒体服务器设计为多路并发服务器，完成多用户访问模式下的视频发布，为无线移动审片与观看提供稳定，可靠的视频传输。移动终端包括3G手机，3G上网笔记本等。
审片时用户通过移动终端上的审片软件以Web方式登录目录服务器，通过验证后，目录服务器通过查询审片中心存储，返回待审片节目列表，用户选择节目后由流媒体服务器进行视频传输，审片完成后用户填写审片意见并传输至目录服务器，目录服务器进入下一次处理和操作流程。
二.系统实现
（1）视频转码服务器设计
转码服务器主要目的在于降低原有节目的码率，以便能够在3G网络上稳定的传输。同时考虑到手持终端显示分辨率较低，处理能力弱，因此转码过程中，同时需要对电视节进行空间采用和时间采样。
目前基于H.264的视频转码算法多样，但常用的主要分为两种：像素域转码（PDT）和变换域转码（DDT）。PDT是先完全解码，在像素域进行空间或时间的重采样，再重新编码。由于二次编码时对运动矢量和编码模式都进行了重新计算，因此输出图像质量高，实现灵活，但是转码效率低，系统负载大。DDT则直接在DCT域进行转码，处理DCT系数，其计算复杂度低，转码效率高，但其不够灵活，转码质量下降较大。
针对3G网络实际情况与不同的转码需求，需要根据网络与用户的不同，实时进行调整转码参数，以保证视频流畅的传输和观看，同时兼顾转码计算的复杂度，本系统采用PDT转码算法，并对重要算法进行改进，实现多种节目格式到H.264的视频转换。
转码实现框架如图2所示，可完成文件与视频流的两种方式的实时视频转码，并将实时转码后的H.264视频流发送到视频发布模块。针对不同的应用场合，可以调整输出H.264流的码率，空间分辨率，时间分辨率。
（2）多路并发流媒体服务器
多路并发流媒体服务器流程图如图3所示，采用多进程方式，以防止有一路用户出现网络阻塞时导致系统整体瘫痪。有新用户视频请求时，主进程完成新用户的对话与交互，之后为新用户创建进程，新子进程负责从审片存储中心读取待审片的新闻节目，与新用户建立网络链接，传输视频数据。
视音频的3G传输过程采用了RTP/RTSP协议。目录服务器负责用户认证以及RSTP对话连接的创建，流媒体服务器完成实际的RTP视频传输。传统方式采用TCP传输RTSP协议数据，使用UDP传输RTP数据包。使用UDP的优点是低延时，但由于UDP并不确认数据包是否收到，不适合在3G网络传输，系统使用TCP的方式传输RTSP协议与RTP包。
接收端根据RTP数据包的接收情况，周期性地向发送端发送反馈信息。发送端根据反馈的信息分析当前的网络状况，采取相应的控制策略。当网络状况变化很大时，调整转码模块的输出码率, 编码参数选择量化参数QP来进行动态调整输出码率，实现视频流速率不超过可用带宽的拥塞控制，如图4所示。同时H.264 编码采用恒定码率的方式,虽然视频数据的码率在时间统计上是一个恒定的值,但是它的瞬间码率存在较大的波动,若不附加任何限制而直接发送,则会导致视频图像不连续或抖动。
三.系统测试
MPEG-2至H.264转码性能测试包括转码的码率、分辨率、帧率的控制，转码的实时性，转码前后的图像质量等等。我们采用DELL2950服务器,配置为：CPU为4核Intel（R）Xeon（R） E5400 @ 2.00GHz，二级cache 6MB*2，支持指令集MMX、MMXEXT、SSE、SSE2、SSSE3，内存大小DDR2 667 4G 。在该转码服务器上，对标准测试序列进行转码，包括不同码率、帧率、分辨率之间的转换，测试素材采用我台各频道实际制作的节目，目标码率为196kbps，通过流媒体服务器在3G网络上发布，手机终端审片观看，对延时及播放效果进行测试，其结果表1，表2所示。
从测试结果可以看出，系统转码效率较高，网络传输延时较低。能够满足审片需求。
手机和移动终端上安装相应的审片软件，完成3G审片工作。系统演示如图5，图6所示：
本文提出的基于3G的新闻审片系统发布系统，已经成功应用我台教科频道节目审片系统中，工作于WCDMA网络环境下，工作人员可以通过3G手机进行无线审片，并在审片结束后提交审片意见。编辑根据审片意见对节目进行下一步处理和操作，同时其它用户可以通过手机在线观看新闻节目。本系统目前运行良好，客户端进行审片时的视频图像和字幕清晰、流畅，使用效果良好。
四.结论
本文论述的南京广播电视集团3G节目审片与发布系统具有以下创新点：
（1）针对3G网络设计转码平台，将传统新闻视频格式转码为H.264格式，在保证图像质量的前提下，大大节省了网络带宽，适合3G无线网络传输。
（2）多路并发流媒体服务器解决了3G网络环境下多用户同时访问、观看视频节目的问题，同时对视频传输QoS进行控制，保证了视频传输质量。
文中论述的3G新闻节目审核与发布平台在我台教科频道的新闻审片中的应用只是初步尝试，文章提及的设计思路对基于3G网络的数字视频广播系统、视频点播系统，以及手机IPTV等实时多媒体应用系统都有借鉴意义。