基于校園網(wǎng)的流媒體視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

☆ 饒宇珊

（北京師范大學(xué)南山附屬學(xué)校，廣東深圳 518054）

利用學(xué)?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和資源，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)，利用流媒體技術(shù)有效率地實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播、電視網(wǎng)絡(luò)直播、文件上傳等功能，實(shí)現(xiàn)資源分類(lèi)管理，不但為在校師生提供了基于流媒體技術(shù)的資源服務(wù)，極大地提高教師教研的技術(shù)水準(zhǔn)，為教師專(zhuān)業(yè)成長(zhǎng)提供資源上的保障，也為學(xué)校資源建設(shè)提供了很好的平臺(tái)，使教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)特色化管理，促進(jìn)了數(shù)字化校園的建設(shè)。這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案花費(fèi)極少，具有技術(shù)先進(jìn)、性能良好、成本低廉的特點(diǎn)，非常適合校園環(huán)境，使用價(jià)值高。只要有校園網(wǎng)絡(luò)的學(xué)校都可以比較容易地實(shí)現(xiàn)。

一、系統(tǒng)的架構(gòu)與設(shè)計(jì)

運(yùn)用于校園的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)采用瀏覽器／服務(wù)器模式會(huì)比較適合，即B／S模式?？蛻?hù)端只要能上網(wǎng)即可以觀(guān)看視頻，系統(tǒng)靈活開(kāi)放。這樣處理，既可以充分發(fā)揮視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的優(yōu)越性，又不需要使用者有專(zhuān)業(yè)的知識(shí)或者特定的操作技能。

流媒體服務(wù)器、WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的三大組成部分?；贐／S結(jié)構(gòu)的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的工作原理是：

（1）當(dāng)客戶(hù)需要點(diǎn)播節(jié)目時(shí)，首先使用瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)WEB服務(wù)器。

（2）由WEB服務(wù)器查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，返回節(jié)目的URL給客戶(hù)機(jī)。

（3）客戶(hù)機(jī)啟動(dòng)流媒體播放器。

（4）客戶(hù)機(jī)根據(jù)獲得的節(jié)目URL向流媒體服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求。

（5）流媒體服務(wù)器接受請(qǐng)求并查詢(xún)存儲(chǔ)系統(tǒng)，發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)給客戶(hù)機(jī)。

（6）在客戶(hù)機(jī)的媒體播放器上進(jìn)行播放，完成一次視頻點(diǎn)播過(guò)程。

流媒體視頻點(diǎn)播系統(tǒng)在校園網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的核心組成部分是安裝了WMS（Windows Media Server）流媒體服務(wù)軟件的流媒體服務(wù)器、用ASP．NET開(kāi)發(fā)的WEB服務(wù)器和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器這三大部分。視頻來(lái)源有兩大部分：一是原有的音、視頻文件和不斷增加的錄像資源，通過(guò)采編工作，通過(guò)WEB服務(wù)器上傳到流媒體服務(wù)器存儲(chǔ)系統(tǒng)；二是由電視機(jī)頂盒接收模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)編碼器和編碼軟件，利用WMS實(shí)現(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)直播。

圖1 視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)總圖

（一）流媒體服務(wù)器的架構(gòu)設(shè)計(jì)

流媒體服務(wù)器是流媒體應(yīng)用的核心系統(tǒng)，是運(yùn)營(yíng)商向用戶(hù)提供視頻服務(wù)的關(guān)鍵平臺(tái)。其主要功能是對(duì)媒體內(nèi)容進(jìn)行采集、緩存、調(diào)度和傳輸播放，流媒體應(yīng)用系統(tǒng)的主要性能體現(xiàn)都取決于媒體服務(wù)器的性能和服務(wù)質(zhì)量。因此，流媒體服務(wù)器是流媒體應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是最主要的組成部分。

服 務(wù) 器 性 能 ：IBM X36507979 (IntelXeon2．0 GHz)2U機(jī)架服務(wù)器；2個(gè)英特爾至強(qiáng)雙核DP 2．0GHz CPU，4MB二級(jí)緩存，最大支持2路處理器，4GB PC2－5300 DDR2 ECC Chipkill SDRAM內(nèi)存（12個(gè)內(nèi)存插槽＼最大擴(kuò)展到48GB）；SAS磁盤(pán)控制器等。

存儲(chǔ)系統(tǒng)的配置：服務(wù)器主機(jī)的相關(guān)配置，Serve RAID 8K 陣列卡和 5塊 146．8GB 15K 3．5″SAS熱插拔硬盤(pán)可以滿(mǎn)足當(dāng)前大數(shù)量的視頻資源的存儲(chǔ)需求，6個(gè)熱插拔薄型硬盤(pán)托架可以擴(kuò)展未來(lái)一段時(shí)間的新視頻資源的存儲(chǔ)需求。

流媒體服務(wù)軟件的選擇：使用Windows 2003 server操作系統(tǒng)，啟用IIS和Windows media services服務(wù)。微軟的Windows Media Service（WMS）是最典型的流媒體服務(wù)器，它采用MMS協(xié)議接收、傳輸視頻，采用Windows Media Player（WMP）作為前端播放器。

（二）WEN服務(wù)器的功能設(shè)計(jì)

流媒體服務(wù)器建好以后，并不能提供用戶(hù)較友好的訪(fǎng)問(wèn)方式，一般都會(huì)提供一個(gè)視頻資源的路徑，如何找到一個(gè)更友好的方式？讓很多視頻資源都集結(jié)在一個(gè)資源網(wǎng)站上。

我們采用基于 Windows的 ASP．NET和 VB．NET作為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，自己開(kāi)發(fā)視頻網(wǎng)站作為VOD系統(tǒng)的WEB服務(wù)器，其作用是為用戶(hù)和管理員提供一個(gè)良好的交互平臺(tái)，方便對(duì)視頻資源進(jìn)行操作和管理。另外，也方便了管理員對(duì)用戶(hù)進(jìn)行管理。

圖2 視頻點(diǎn)播網(wǎng)站系統(tǒng)的總體功能圖

校園網(wǎng)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的總體功能如圖2所示，包括后臺(tái)管理(包括用戶(hù)管理模塊、視頻管理模塊、目錄管理模塊和評(píng)論管理模塊)、視頻點(diǎn)播（包括視頻點(diǎn)播模塊和發(fā)表評(píng)論模塊）、電視直播三個(gè)子系統(tǒng)。視頻點(diǎn)播網(wǎng)站系統(tǒng)的各模塊功能介紹如下：

用戶(hù)管理模塊：在此功能模塊中管理員對(duì)用戶(hù)的信息進(jìn)行管理，包括添加、刪除用戶(hù)信息和對(duì)用戶(hù)的信息進(jìn)行修改等。

視頻管理模塊：在此功能模塊中管理員可以上傳視頻、刪除視頻。

目錄管理模塊：在此功能模塊中管理員管理視頻目錄，可以添加、修改、刪除視頻信息。本功能模塊的系統(tǒng)工作流程與用戶(hù)管理模塊相同。

發(fā)表評(píng)論模塊：在此功能模塊中用戶(hù)可以對(duì)所觀(guān)看的視頻進(jìn)行評(píng)價(jià)。

評(píng)論管理模塊：在此功能模塊中管理員管理用戶(hù)對(duì)視頻的評(píng)價(jià)信息，可刪除評(píng)價(jià)信息。

視頻點(diǎn)播模塊：在此功能模塊中用戶(hù)可以點(diǎn)播自己想看的視頻。

客戶(hù)完成一次視頻點(diǎn)播的系統(tǒng)工作流程如圖3所示，客戶(hù)通過(guò)WEB服務(wù)器提出某一文件的點(diǎn)播請(qǐng)求，由WEB服務(wù)器查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，如果片源的信息在數(shù)據(jù)庫(kù)存在，由WEB服務(wù)器向流媒體服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，流媒體服務(wù)器向客戶(hù)機(jī)以媒體流的形式發(fā)送音視頻文件?？蛻?hù)端啟動(dòng)流媒體播放軟件，接收媒體流。這樣，用戶(hù)就完成了一次視頻點(diǎn)播過(guò)程。

圖3 視頻點(diǎn)播工作流程圖

用戶(hù)工作的總流程如圖4所示，用戶(hù)在登錄界面按要求輸入用戶(hù)名和密碼，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶(hù)的輸入信息訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表User，確定是否為合法用戶(hù)，條件符合則進(jìn)入系統(tǒng)界面。用戶(hù)和管理員在視頻網(wǎng)頁(yè)上可以做相應(yīng)權(quán)限的行為。系統(tǒng)再根據(jù)表User中的權(quán)限字段判斷用戶(hù)的身份是管理員還是普通用戶(hù)，管理員用戶(hù)還要經(jīng)系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)另一張數(shù)據(jù)表Admin，判斷是系統(tǒng)管理員還是普通管理員。普通管理員的所有行為權(quán)限系統(tǒng)管理員都有，而系統(tǒng)管理員的部分權(quán)限普通管理員沒(méi)有。

圖4 用戶(hù)工作流程圖

（三）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器執(zhí)行WEB服務(wù)器發(fā)送的對(duì)節(jié)目信息和用戶(hù)信息的查詢(xún)、存取、刪除等命令。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和WEB服務(wù)器協(xié)作，讓W(xué)EB服務(wù)器的響應(yīng)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)操作分開(kāi)，降低WEB服務(wù)器的壓力，對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器的性能和穩(wěn)定性有一定的要求。

本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是SQL Server 2005。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)包括用E－R圖設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)字典的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯關(guān)系圖等。視頻點(diǎn)播網(wǎng)上系統(tǒng)用戶(hù)、管理員和視頻資源之間的聯(lián)系圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)E－R圖

（四）電視直播的架構(gòu)設(shè)計(jì)

電視直播的工作原理是：將電視（模擬）信號(hào)通過(guò)采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，應(yīng)用流媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行直播，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)指定的直播網(wǎng)站頁(yè)面，其訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求導(dǎo)向發(fā)布服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，獲得流媒體數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器自帶的播放器觀(guān)看直播視頻內(nèi)容。

我校實(shí)現(xiàn)電視直播，需要配備HVC400編碼器和Nowstream編碼軟件作為采集編碼模塊。在服務(wù)器上安裝HVC400編碼器和Nowstream編碼軟件,來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)況流的直播或定時(shí)直播、實(shí)況流的拉傳遞功能、實(shí)況流的推傳遞功能、文件保存或定時(shí)保存等。

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

我們采用基于 Windows的 ASP．NET和 VB．NET作為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，結(jié)合MS SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，完成網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)運(yùn)用。

（一）點(diǎn)播平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

圖6 點(diǎn)播平臺(tái)首頁(yè)面

點(diǎn)播平臺(tái)的首頁(yè)面如圖6所示，根據(jù)我校教學(xué)資源建設(shè)的要求，分欄目為：

（1）視頻直播：在該頁(yè)面，用戶(hù)可以直接同步觀(guān)看各頻道電視節(jié)目。

（2）視頻新聞：該頁(yè)面展示當(dāng)今發(fā)生的重要新聞事件和學(xué)校新聞視頻。

（3）示范課例：在該頁(yè)面，教師上公開(kāi)課的視頻分學(xué)科分組展示。

（4）教師培訓(xùn)：該頁(yè)面展示針對(duì)教師技能、素質(zhì)培訓(xùn)的視頻資料。

（5）教學(xué)資源：該頁(yè)面展示優(yōu)秀教學(xué)示范的視頻資料。

（6）電影：該頁(yè)面展示一些電影資料。

（7）音樂(lè)：該頁(yè)面展示一些音頻資料。

（二）管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

后臺(tái)的管理目前有三塊功能，分別為目錄管理、視頻添加及用戶(hù)管理。

1．目錄管理功能

該視頻網(wǎng)站的目錄非常靈活，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限級(jí)目錄的動(dòng)態(tài)管理，添加、修改、刪除都很方便，是用 Asp．net里自帶的Treeview組件實(shí)現(xiàn)，效果如圖7所示。

圖7 目錄管理

2．視頻添加功能

在視頻添加模塊里，“視頻介紹”部分采用Word編輯器的功能，方便內(nèi)容的添加編輯，如圖8所示。

圖8 視頻添加

我校的視頻網(wǎng)站支持三種方式上傳：第一種是直接以wmv格式上傳，優(yōu)勢(shì)在于視頻比較清晰，但公網(wǎng)瀏覽不順暢，應(yīng)用于追求清晰度的情況。第二種是直接以flv格式上傳，對(duì)于從網(wǎng)上找到的資源，如果是flv格式可以直接上傳。第三種是由其它格式轉(zhuǎn)化為flv格式方式上傳，這就借助于我們 ASP．Net的ffmpeg和mencoder組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖9所示。

圖9 文件格式直接轉(zhuǎn)換頁(yè)面

3．用戶(hù)管理

為了實(shí)現(xiàn)視頻的分級(jí)管理，不同級(jí)別的用戶(hù)只能看到相應(yīng)級(jí)別的視頻，管理員在審核會(huì)員的時(shí)候，可以對(duì)用戶(hù)進(jìn)行分級(jí)，功能如圖10所示。

圖10 用戶(hù)管理

（三）關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1．使用Treeview部署目錄樹(shù)實(shí)現(xiàn)視頻目錄管理

TreeView控件用來(lái)顯示信息的分級(jí)視圖，如同Windows里的資源管理器的目錄。TreeView控件顯示Node對(duì)象的分層列表，每個(gè) Node對(duì)象均由一個(gè)標(biāo)簽和一個(gè)可選的位圖組成。TreeView一般用于顯示文檔標(biāo)題、索引入口、磁盤(pán)上的文件和目錄、或能被有效地分層顯示的其它種類(lèi)信息。創(chuàng)建了TreeView控件之后，可以通過(guò)設(shè)置屬性與調(diào)用方法對(duì)各Node對(duì)象進(jìn)行操作，這些操作包括添加、刪除、對(duì)齊和其它操作。

2．用NeatUpload組件完成視頻的上傳工作，上傳速度快，有進(jìn)度顯示

3．借助Ffmpeg和Mencoder組件來(lái)完成視頻轉(zhuǎn)換和截圖工作

我們用Asp．net開(kāi)發(fā)一個(gè)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)上傳和轉(zhuǎn)換的網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)，通過(guò)使用免費(fèi)的ffmpeg和mencoder組件，基本上可以實(shí)現(xiàn)把所有視頻文件格式轉(zhuǎn)為flv格式。在這個(gè)平臺(tái)中，ffmpeg組件和mencoder組件是有具體分工的，對(duì)于 asf、avi、mpg、3gp、mov 等格式文件采用 ffmpeg 組件來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而 wmv、rmvb、rm等格式的文件采用mencoder組件來(lái)轉(zhuǎn)換，另外，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以自動(dòng)截圖，截圖都是靠ffmpeg組件來(lái)完成的。這樣，運(yùn)用這個(gè)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)就可以完整實(shí)現(xiàn)視頻的上傳和轉(zhuǎn)換。

（四）系統(tǒng)測(cè)試

截取一段60秒時(shí)間長(zhǎng)度的視頻文件，將文件存儲(chǔ)為wmv（352*288,30fps）格式。存儲(chǔ)容量大小是 4．96M。將wmv格式文件直接上傳的網(wǎng)絡(luò)速度數(shù)據(jù)如圖11，是69．5KB ／s。

圖11 wmv格式文件上傳進(jìn)度

將文件以flv格式上傳的網(wǎng)絡(luò)速度數(shù)據(jù)如圖12，是89．1KB ／s。

圖12 wmv文件轉(zhuǎn)化為FLV格式上傳進(jìn)度

測(cè)試結(jié)果是同時(shí)間段視頻以wmv格式直接上傳的網(wǎng)絡(luò)速度比轉(zhuǎn)化為flv格式上傳網(wǎng)絡(luò)速度要慢。

wmv格式的視頻在局域網(wǎng)內(nèi)完成一次完整的點(diǎn)播需要時(shí)間是60．03s,flv格式的視頻在局域網(wǎng)內(nèi)完成一次完整的點(diǎn)播需要時(shí)間是60．03s。結(jié)論是：在局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)，同時(shí)間段視頻wmv格式視頻和flv格式視頻完整的點(diǎn)播需要時(shí)間沒(méi)有測(cè)試出時(shí)間差。

三、總結(jié)

本文對(duì)流媒體視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和構(gòu)架做出了詳細(xì)描述，敘述了系統(tǒng)三大組成部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)包括：（1）流媒體服務(wù)軟件選擇最典型的WMV，兼容性強(qiáng)。（2）自己開(kāi)發(fā)交互平臺(tái)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的喜好定制自己所需的資源管理方案，對(duì)往后的維護(hù)也沒(méi)有技術(shù)顧慮。（3）這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案花費(fèi)極少，具有性能良好，使用價(jià)值高，成本低廉的特點(diǎn)。只要有校園網(wǎng)絡(luò)的學(xué)校都可以比較容易地實(shí)現(xiàn)。

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