浙江大學(xué)基于IPv6的高清視頻應(yīng)用

大家都熟悉標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)模擬電視，這是我們所了解并且?guī)资陙?lái)一直使用的電視。標(biāo)清電視先掃描靜止畫面的奇數(shù)行，然后掃描同一幅圖像信息的偶數(shù)行。這樣一來(lái)，兩幅畫面會(huì)同時(shí)顯示在顯示器上，這種奇/偶掃描模式被稱為隔行掃描，該技術(shù)被開發(fā)用于節(jié)約傳輸寬帶。標(biāo)清通常采用的分辨率被稱為480i，提供由240線不同信息組成的畫面。用于家用標(biāo)清的寬帶需求一般為45～90Mbit/s。對(duì)于小型視頻顯示器(小于27英寸)，標(biāo)清電視看上去相當(dāng)清晰、流暢。但是，如果屏幕超過(guò)27英寸，480i格式的圖像質(zhì)量會(huì)有明顯的下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，逐行掃描開始替代隔行掃描，將480線圖像信息行合并為一個(gè)幀，然后采用圖像自動(dòng)修正，大大提高了在大屏幕上的畫面質(zhì)量。我們把這種標(biāo)清分辨率稱為480p。

　　真正的高清視頻顯示圖像分辨率至少為1080i或者720p，低于它的分辨率則不是真正的高清晰度。高清格式提供的圖像信息量比任何標(biāo)清格式都要多。如果將屏幕分辨率轉(zhuǎn)換為像素，可以清楚地看到高清格式可以提供比480i格式高出至少4倍以上的圖像信息量。目前高清視頻一般有3種格式，分別為1080i、720p和1080p。

　　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　目前高清視頻傳輸由于壓縮編解碼方式的不同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的具體要求也不一樣。如采用業(yè)界性能最好的H.264的壓縮編碼方式，對(duì)于720p的高清質(zhì)量而言，一般也需要2M～4Mbps的物理帶寬，因此在現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)高清視頻傳輸?shù)膸挻_保，幾乎不太可能。

　　為了有效實(shí)現(xiàn)高清視頻等的特殊應(yīng)用需求，浙江大學(xué)近年來(lái)積極開展基于IPv6協(xié)議的高性能專網(wǎng)建設(shè)，力爭(zhēng)通過(guò)豐富的物理帶寬鏈路和QoS的高質(zhì)量保證為可靠傳輸提供保證。

　　目前該專網(wǎng)環(huán)境已經(jīng)基本構(gòu)建，如圖1。整網(wǎng)采用2層架構(gòu)，核心采用當(dāng)前業(yè)界最先進(jìn)核心交換機(jī)產(chǎn)品，分別連接浙江大學(xué)紫金港和玉泉校區(qū)，構(gòu)成萬(wàn)兆核心環(huán)。該核心設(shè)備具備250G的背板交換能力，當(dāng)100G技術(shù)成熟后，能夠順利升級(jí)到10萬(wàn)兆的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。接入層采用萬(wàn)兆上聯(lián)，千兆下聯(lián)，保證用戶千兆IPv6到桌面。目前專網(wǎng)主要連接了我校的多個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、會(huì)議室以及重要的機(jī)關(guān)部門，從而為學(xué)?？茖W(xué)研究和高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了一個(gè)很好的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

圖1 浙江大學(xué)IPv6專網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意
 

該網(wǎng)絡(luò)為了有效保證各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，整網(wǎng)采用嚴(yán)格的Differ-serv控制，區(qū)分服務(wù)將Diff-Serv 域劃分為不同的DS域，Diff- Serv域由邊界節(jié)點(diǎn)ER( Edge Router) 和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)IR( Interior Router) 組成。邊界節(jié)點(diǎn)具有對(duì)業(yè)務(wù)流的分類、整形、標(biāo)記和調(diào)度等功能。它將根據(jù)TCA協(xié)議( traffic condition agreement，TCA ) 對(duì)入域流或出域流進(jìn)行調(diào)節(jié), 以確保入域流或出域流符合TCA 中所規(guī)定的要求,并標(biāo)記業(yè)務(wù)流的DSCP 值。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)IR 則根據(jù)數(shù)據(jù)包的DSCP值確定對(duì)應(yīng)的每一跳行為，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
　　目前我校在專網(wǎng)范圍內(nèi)，針對(duì)流媒體、視頻會(huì)議、RTP傳輸和普通數(shù)據(jù)流類型的不同分別定義了多種區(qū)分服務(wù)，通過(guò)這種嚴(yán)格的視頻傳輸QoS控制，為各類基于IPv6的高清網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸提供了服務(wù)質(zhì)量的保證，如圖2。

圖2  區(qū)分服務(wù)結(jié)構(gòu)

　　各種高清視頻應(yīng)用

　　高清直播系統(tǒng)
　　浙江大學(xué)目前在IPv6專網(wǎng)環(huán)境中已經(jīng)構(gòu)建了高清視頻直播服務(wù)，其中高清現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)的構(gòu)建充分利用了Media Server 系統(tǒng)予以構(gòu)建，而高清電視視頻直播的構(gòu)建則采用了開源VLC系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)。
　　1.IPv6高清現(xiàn)場(chǎng)直播服務(wù)的建設(shè)
　　我校在高清現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)的構(gòu)建中，為了節(jié)省高清攝像機(jī)的經(jīng)費(fèi)投入，充分結(jié)合了高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的建設(shè)(該建設(shè)見(jiàn)后續(xù)內(nèi)容)，利用了Tandberg公司的高清視頻會(huì)議終端Edge 95 MXP產(chǎn)品。該產(chǎn)品是目前業(yè)界能較好支持IPv6高清視頻傳輸?shù)臅?huì)議終端之一，它具有一個(gè)高清的主攝像機(jī)，可以提供720p的高清拍攝分辨率，同時(shí)該攝像機(jī)具備一個(gè)HDMI口，可以進(jìn)行高清視頻信號(hào)的外接采集。因此完全可以利用該高清攝像機(jī)進(jìn)行高質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)視頻直播。 #p#page_title#e#
　　在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有幾個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)是必須關(guān)注的。首先需要采用一塊較高性能的HDMI硬件采集卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)1280×720視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。其次由于是采用高清的軟件實(shí)時(shí)性壓縮，所以對(duì)壓縮編碼服務(wù)器的性能要求很高，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，我們通過(guò)大量的嘗試，最終采用了一臺(tái)配有Inte酷睿饉暮薗9550CPU，4G內(nèi)存的高性能PC機(jī)，安裝了Windows 2003 64位的操作系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了720p信號(hào)的實(shí)時(shí)性MPEG2壓縮。壓縮完成后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將encoder的信號(hào)發(fā)送給Media server 9視頻發(fā)布服務(wù)器，利用專網(wǎng)的組播服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)直播信號(hào)的IPv6組播發(fā)送，如圖3。

圖3 高清現(xiàn)場(chǎng)直播服務(wù)建設(shè)示意
 

2.IPv6高清電視直播服務(wù)的建設(shè)
　　浙江大學(xué)在IPv6高清電視直播服務(wù)的建設(shè)中，充分利用了3Tnet項(xiàng)目的節(jié)目視頻源。浙江大學(xué)是國(guó)家3T項(xiàng)目的應(yīng)用示范單位之一，能夠接收20余套3T信號(hào)電視節(jié)目，其中就有高清視頻信號(hào)節(jié)目。我們利用開源的VLC成熟軟件對(duì)3T的高清視頻信號(hào)進(jìn)行了同步轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)了IPv6環(huán)境下的高清電視的信號(hào)的實(shí)時(shí)直播。
　　VLC是一個(gè)開放源代碼的、跨平臺(tái)的多媒體播放器,它可以播放多種音頻和視頻格式，如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、Dix等以及DVD、VCD、CD音頻以及各種流媒體協(xié)議，同時(shí)VLC可以支持視頻信號(hào)采集、壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)。
　　我們使用VLC對(duì)3TNET節(jié)目視頻源的MPEG2節(jié)目信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)代碼實(shí)例如下：vlc -vvv udp://@[ff18::0101:5%4]:8000—sout http/ts:vlc1.zju6.edu.cn:9005 —ttl=128
　　在客戶端，試用VLC軟件實(shí)現(xiàn)高清視頻流的解碼和回訪，效果如圖4所示。

圖４ 高清視頻點(diǎn)播效果截圖

　　高清視頻會(huì)議系統(tǒng)
　　高清視頻會(huì)議系統(tǒng)與高清電視不同，高清電視是單向廣播的，而高清視頻會(huì)議則是雙向、互動(dòng)、實(shí)時(shí)的傳輸過(guò)程。高清電視廣播僅需要保持固定的信號(hào)質(zhì)量，對(duì)延時(shí)并不敏感，而視頻會(huì)議由于需要雙向交互，而過(guò)多的延時(shí)和抖動(dòng)會(huì)增加語(yǔ)音重疊、視音頻不同步、交互等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題的出現(xiàn)。因此在專網(wǎng)的QoS控制中，我們對(duì)視頻會(huì)議類型的數(shù)據(jù)流定義了最高的優(yōu)先級(jí)別，以保證視頻會(huì)議信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。
　　目前我校的高清視頻會(huì)議系統(tǒng)普遍采用硬件方式予以實(shí)現(xiàn)。在我校專網(wǎng)的各個(gè)重要接入點(diǎn)，我們均配備了Tandberg公司的Edge系列產(chǎn)品，并專門配備了Tandberg的Codian 4500 MCU，從而有效實(shí)現(xiàn)了基于IPv6環(huán)境高清的多點(diǎn)視頻會(huì)議的召開，為學(xué)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)的及時(shí)溝通和大型網(wǎng)絡(luò)會(huì)議的召開提供了可能，如圖5。

圖5 基于專網(wǎng)的視頻會(huì)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　超高清遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)
　　除了上述建設(shè)內(nèi)容外，目前浙江大學(xué)還和日本KOEI大學(xué)積極合作，開展基于國(guó)際專線的超級(jí)高清視頻信號(hào)傳輸，分別率高達(dá)4096×2160。現(xiàn)在該傳輸研究項(xiàng)目正在積極開展之中，計(jì)劃將于明年完成并在明年7月下旬開展示范，屆時(shí)將通過(guò)IPv6國(guó)際傳輸專用鏈路將我國(guó)杭州發(fā)生的日全食天文現(xiàn)象實(shí)時(shí)傳送到香港和日本等地區(qū)，實(shí)現(xiàn)超高清全景播放。