具有P2P功能的嵌入式流媒體播放器的設(shè)計(jì)

曹 潔，金保召，趙 宏

CAO Jie,JIN Baozhao,ZHAO Hong

蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，蘭州 730050

School of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和流媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻傳輸技術(shù)正被廣泛應(yīng)用于新聞發(fā)布、視頻點(diǎn)播、實(shí)時(shí)視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教育等各個(gè)領(lǐng)域?；贗P流媒體技術(shù)的嵌入式流媒體終端因其使用方便，便于攜帶而受到用戶青睞，逐漸成為研究的熱點(diǎn)，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。如文獻(xiàn)[1]基于DirectShow技術(shù)，針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、帶寬小的特點(diǎn)，采用RTCP反饋機(jī)制、緩沖區(qū)管理和音視頻同步機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)移動(dòng)流媒體播放器，但該播放器僅在Hopen手機(jī)模擬平臺(tái)上模擬運(yùn)行，其在硬件平臺(tái)上的播放性能有待進(jìn)一步測(cè)試。文獻(xiàn)[2]采用MPEG-4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)和RTP/RTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了基于3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但由于流媒體播放時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的高占有特性，使得傳統(tǒng)的C/S方式很容易導(dǎo)致服務(wù)器成為系統(tǒng)瓶頸，限制系統(tǒng)的服務(wù)能力。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于DM6446的嵌入式P2P流媒體播放器的設(shè)計(jì)模式，同時(shí)對(duì)媒體數(shù)據(jù)加載和音視頻同步作了深入的研究，但采用專用的編解碼芯片在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)帶來(lái)系統(tǒng)功能定制性不強(qiáng)、性價(jià)比較低等問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]提出利用平均速率、時(shí)延抖動(dòng)和輔助系數(shù)η三個(gè)參數(shù)進(jìn)行緩沖區(qū)長(zhǎng)度估算的簡(jiǎn)化算法，并提出了在客戶端按照數(shù)據(jù)的重要性或優(yōu)先級(jí)的不同實(shí)施主動(dòng)拋棄策略，但該方法僅進(jìn)行了軟件模擬仿真并未在硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出以S3C6410為處理器的嵌入式流媒體播放終端的設(shè)計(jì)方案，充分利用S3C6410的多媒體數(shù)據(jù)處理能力[5]，輔之以高效且可定制的多媒體數(shù)據(jù)編解碼算法，以硬件加軟件的方式實(shí)現(xiàn)一款功能穩(wěn)定、性價(jià)比高，且支持算法升級(jí)的嵌入式流媒體播放終端。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

為保證系統(tǒng)的模塊性和功能的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，從下往上依次為系統(tǒng)層、解碼層和應(yīng)用層，如圖1所示，采用層次設(shè)計(jì)方式可在各層實(shí)現(xiàn)模塊化的功能，將各層功能相分離，同時(shí)下層為上層提供服務(wù)接口，供上層調(diào)用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，第一層為系統(tǒng)層，系統(tǒng)層負(fù)責(zé)提供媒體數(shù)據(jù)傳輸、QoS（Quality of Service）控制機(jī)制、數(shù)據(jù)緩存空間管理和P2P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)。其中，媒體數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)包括本地媒體數(shù)據(jù)訪問(wèn)和接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的流媒體數(shù)據(jù)，其中，網(wǎng)絡(luò)媒體數(shù)據(jù)的獲取需要首先建立TCP連接，用于創(chuàng)建 RTSP（Real Time Streaming Protocol）會(huì)話，然后分別創(chuàng)建RTP（Real-time Transport Protocol）連接實(shí)現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)傳輸和RTCP（Real-time Transport Control Protocol）連接實(shí)現(xiàn)媒體傳輸控制、保證媒體數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量；QoS控制機(jī)制根據(jù)傳輸過(guò)程中已接收到的媒體數(shù)據(jù)信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，周期性地向服務(wù)器端發(fā)送反饋控制信息，以動(dòng)態(tài)調(diào)整媒體數(shù)據(jù)發(fā)送速率，實(shí)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)QoS控制[7]；數(shù)據(jù)緩存空間管理服務(wù)主要包括數(shù)據(jù)緩存、流內(nèi)同步以及與其他P2P節(jié)點(diǎn)交互等功能，數(shù)據(jù)緩存服務(wù)用于對(duì)接收到的媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以減少因網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動(dòng)而給媒體播放所帶來(lái)的影響，流內(nèi)同步機(jī)制采用雙向循環(huán)隊(duì)列作為其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)亂序到達(dá)的網(wǎng)絡(luò)媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以保證播放時(shí)媒體流的時(shí)基順序與原始媒體數(shù)據(jù)順序一致；P2P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的主要功能是將數(shù)據(jù)緩存空間中已播放但尚未丟棄的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)的P2P播放方式。

第二層為解碼層，解碼層主要包括解碼器、音頻解碼庫(kù)、視頻解碼庫(kù)和音/視頻流間同步機(jī)制，該層采用解碼器和選擇解碼器組件相分離的層次結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有效地降低了層次間的耦合度，提高了解碼層的可擴(kuò)展性。首先，解碼器由系統(tǒng)層的數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀取媒體數(shù)據(jù)，并根據(jù)媒體數(shù)據(jù)頭信息判斷媒體數(shù)據(jù)編碼格式，選擇相應(yīng)的解碼庫(kù)進(jìn)行解碼[8]。然后，由于用戶對(duì)聲音的敏感程度較強(qiáng)，本文采用了基于解碼時(shí)間戳（Decoding Time Stamp）的視頻同步到音頻的同步方式來(lái)實(shí)現(xiàn)音視頻流間同步，該種流間同步機(jī)制的基本思想是以音頻流為主媒體流、視頻流為從媒體流，音頻流以正常速度播放，根據(jù)當(dāng)前播放的音頻時(shí)間戳確定當(dāng)前應(yīng)當(dāng)播放的視頻時(shí)間戳，從而達(dá)到音視頻同步播放的效果。

第三層為應(yīng)用層，即用戶界面層，作為用戶與播放器的交互界面，該層用于播放用戶請(qǐng)求的媒體文件，同時(shí)允許用戶進(jìn)行其他的操作，例如快進(jìn)、快退、靜音等操作。

2.2 緩存空間管理機(jī)制

當(dāng)前流媒體播放技術(shù)均采用緩存技術(shù)[9]，即客戶端首先從服務(wù)器端下載媒體數(shù)據(jù)到本地緩存空間，然后開(kāi)始對(duì)緩存空間內(nèi)的媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行排序、解碼、播放等操作，同時(shí)下載后續(xù)的媒體數(shù)據(jù)到本地緩存空間[10]。其緩存空間設(shè)計(jì)如圖2所示，其中 p點(diǎn)表示緩沖空間起始點(diǎn)，也是本地播放點(diǎn)，d點(diǎn)表示新下載的媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)點(diǎn)，e點(diǎn)表示緩沖空間結(jié)束點(diǎn)。

圖2 客戶端緩存空間劃分示意圖

通常情況下，客戶端會(huì)從緩存空間 p～d中不斷讀取媒體數(shù)據(jù)，解碼播放后丟棄，以提供更多的空間d～e來(lái)存儲(chǔ)后續(xù)下載的待播放的媒體數(shù)據(jù)，減少因媒體數(shù)據(jù)下載速度波動(dòng)對(duì)播放帶來(lái)的影響。傳統(tǒng)的嵌入式硬件設(shè)備由于CPU、內(nèi)存空間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍驅(qū)е露嗝襟w數(shù)據(jù)處理能力低下。隨著嵌入式終端硬件設(shè)備的迅速發(fā)展，目前主流的S3C6410微處理器主頻高達(dá)667 MHz且支持256 MB RAM內(nèi)存[11]，其內(nèi)部集成了MFC（多格式CODEC）、3D圖形引擎等硬件加速器，具有出色的多媒體數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)其外圍擴(kuò)展部件支持WIFI、藍(lán)牙、紅外等數(shù)據(jù)傳輸方式，最新的APQ8064微處理器已高達(dá)1.7 GHz、支持2 GB RAM內(nèi)存[12]。高性能的CPU處理能力、不斷增大的內(nèi)存空間和高速的數(shù)據(jù)傳輸方式為P2P技術(shù)在嵌入式流媒體終端中的應(yīng)用提供了硬件平臺(tái)。

為了能夠以P2P方式利用嵌入式流媒體終端設(shè)備中緩存的媒體數(shù)據(jù)，需要對(duì)終端設(shè)備中的緩存空間重新規(guī)劃，使緩存空間中已播放的媒體數(shù)據(jù)保留一段時(shí)間，以便為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。終端設(shè)備中緩存空間的設(shè)計(jì)規(guī)劃要綜合考慮終端設(shè)備對(duì)外提供服務(wù)的能力和自身播放的流暢性等問(wèn)題。

根據(jù)P2P方式流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣鱗13]，在緩存空間中增加一個(gè)新的區(qū)域，以存儲(chǔ)本地已播放完成的媒體數(shù)據(jù)，如圖3所示。其中，s表示緩存空間起始點(diǎn)；p表示本地播放點(diǎn)；d表示新下載媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)點(diǎn)；e表示緩存空間結(jié)束點(diǎn)。s～p之間存儲(chǔ)的是本地已經(jīng)播放完畢、能夠向其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)的媒體數(shù)據(jù)；p～d之間存儲(chǔ)本地待播放的媒體數(shù)據(jù)；由于可用網(wǎng)絡(luò)帶寬波動(dòng)使得媒體數(shù)據(jù)下載速度隨之波動(dòng)，導(dǎo)致d點(diǎn)經(jīng)常左右移動(dòng)，因此，此區(qū)間的媒體數(shù)據(jù)不作為服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)提供；d～e之間為存儲(chǔ)新下載數(shù)據(jù)的預(yù)留空間。

圖3 具有P2P功能的客戶端緩存空間劃分示意圖

2.3 媒體數(shù)據(jù)下載速度調(diào)整策略

正常情況下，新下載的媒體數(shù)據(jù)以媒體播放速度進(jìn)入緩存空間d～e，同時(shí)，緩存空間s～p中的媒體數(shù)據(jù)以媒體播放速度被丟棄，使得各點(diǎn)位置相對(duì)固定。當(dāng)媒體數(shù)據(jù)下載速度大于播放速度時(shí)，點(diǎn)d將右移，使得d～e區(qū)間變小，緩存預(yù)留空間減小，p～d區(qū)間變大，本地待播放媒體數(shù)據(jù)增多；當(dāng)媒體數(shù)據(jù)下載速度小于播放速度時(shí)，點(diǎn)d將左移，使得d～e區(qū)間變大，緩存預(yù)留空間增大，p～d區(qū)間變小，本地待播放數(shù)據(jù)減少。

網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的波動(dòng)會(huì)引起d點(diǎn)的移動(dòng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)播放速度較長(zhǎng)時(shí)間低于媒體數(shù)據(jù)下載速度時(shí)，使得d點(diǎn)右移，最終與e點(diǎn)重合，從而導(dǎo)致新下載的媒體數(shù)據(jù)溢出而被丟棄，浪費(fèi)系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬；當(dāng)節(jié)點(diǎn)播放速度超過(guò)媒體數(shù)據(jù)下載速度較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，使得d點(diǎn)左移，最終使得d點(diǎn)與 p點(diǎn)重合，導(dǎo)致因待播放媒體數(shù)據(jù)供應(yīng)不足出現(xiàn)“播放暫停，等待緩沖”的現(xiàn)象[14]。綜合考慮以上兩種情況，媒體數(shù)據(jù)的下載速度應(yīng)該隨 p～d區(qū)間和d～e區(qū)間比值的變化而變化，如公式（1）所示。

其中，speeddownload表示媒體數(shù)據(jù)下載速度，d-e表示存儲(chǔ)新下載數(shù)據(jù)的預(yù)留空間大小，p-d表示存儲(chǔ)已下載待播放媒體數(shù)據(jù)的空間大小，speedplay表示媒體播放速度。由公式（1）可知，當(dāng)已下載待播放媒體數(shù)據(jù)較多時(shí)，媒體下載速度speeddownload的值將會(huì)減??；當(dāng) p點(diǎn)與d點(diǎn)距離很近時(shí)，speeddownload的值將會(huì)很大，表示本地因待播放媒體數(shù)據(jù)供應(yīng)不足而采用盡可能的下載方式獲取數(shù)據(jù)；當(dāng)媒體數(shù)據(jù)的實(shí)際下載速度長(zhǎng)期達(dá)不到speeddownload的值時(shí)，表示客戶端應(yīng)該更換服務(wù)端，以改善媒體數(shù)據(jù)的下載速度。

3 播放流程設(shè)計(jì)

該嵌入式流媒體播放終端將播放過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)劃分為不同的功能模塊，并使用線程實(shí)現(xiàn)，采用模塊化線程設(shè)計(jì)充分利用了Linux多線程、多任務(wù)機(jī)制[15]，保證了系統(tǒng)的靈活性和易升級(jí)性，提高了播放器的響應(yīng)速度和性能，播放器軟件流程如圖4所示。

圖4 播放器軟件流程圖

圖4為播放器軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程圖，可劃分為以下幾個(gè)主要階段：

（1）系統(tǒng)初始化，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

（2）創(chuàng)建會(huì)話，主要包括初始化會(huì)話描述信息、RTSP客戶端標(biāo)示符、同步線程標(biāo)示符和顯示屏參數(shù)等系統(tǒng)變量，如果初始化失敗，則系統(tǒng)退出。

（3）初始化數(shù)據(jù)緩存空間，申請(qǐng)一定大小的內(nèi)存空間作為數(shù)據(jù)緩存空間，并初始化其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（4）媒體數(shù)據(jù)獲取，根據(jù)初始化會(huì)話信息判定服務(wù)類型，若為服務(wù)器播放模式，則建立RTSP會(huì)話，創(chuàng)建RTSP客戶端，建立與服務(wù)器之間的連接，通過(guò)RTP/RTCP協(xié)議傳輸流媒體數(shù)據(jù)；若為P2P播放模式，則創(chuàng)建socket（）套接字，建立與指定P2P節(jié)點(diǎn)之間的連接，通過(guò)UDP協(xié)議傳輸流媒體數(shù)據(jù)。

（5）流內(nèi)排序，將亂序到達(dá)的網(wǎng)絡(luò)媒體數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，使得播放時(shí)媒體流的時(shí)基順序與原始媒體流的順序一致，同時(shí)將已排序的媒體數(shù)據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)交互。

（6）解碼器解碼，解碼選擇器根據(jù)媒體數(shù)據(jù)頭信息選擇相應(yīng)的解碼器，對(duì)已排序的媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。

（7）流間同步，將不同媒體流之間的基于時(shí)序的對(duì)應(yīng)，即保證對(duì)各媒體流（音頻、視頻）的播放是同步的，與流內(nèi)同步相比，其過(guò)程更加復(fù)雜也更為關(guān)鍵。

（8）啟動(dòng)解碼播放線程，主要是初始化硬件設(shè)備，以保證音視頻同步播放。

（9）判斷媒體播放是否結(jié)束，如果結(jié)束則系統(tǒng)退出，否則，繼續(xù)獲取媒體數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試中流媒體服務(wù)器采用的是Apple公司提供的開(kāi)源實(shí)時(shí)流媒體服務(wù)器Darwin Streaming Server（簡(jiǎn)稱DSS），由DSS后臺(tái)管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)觀測(cè)服務(wù)器狀態(tài)，如 CPU Load、Current Throughput、Total Bytes Served等參數(shù)狀態(tài)，通過(guò)DSS服務(wù)器狀態(tài)參數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境的對(duì)比分析。

系統(tǒng)測(cè)試分為兩部分，首先是不具有P2P功能的嵌入式流媒體播放器的播放測(cè)試，本文實(shí)驗(yàn)中采用的是開(kāi)源的MPlayer，通過(guò)編譯移植到UP-Magic6410開(kāi)發(fā)板上，DSS服務(wù)器主機(jī)IP地址為192.168.1.100，嵌入式流媒體播放器終端設(shè)備IP地址為192.168.1.101/102，分別在播放器地址欄中輸入傳輸協(xié)議、服務(wù)器IP地址和視頻名稱rtsp：//192.168.1.100/daomeixiong.mp4，觀察記錄DSS服務(wù)器狀態(tài)參數(shù)；然后是本文設(shè)計(jì)的具有P2P功能的嵌入式流媒體播放器的播放測(cè)試，步驟同上。兩種不同播放環(huán)境下DSS狀態(tài)參數(shù)如圖5所示。

圖5 DSS服務(wù)器狀態(tài)參數(shù)對(duì)比圖

在圖5中，左圖為不具有P2P功能的嵌入式流媒體播放時(shí)DSS服務(wù)器狀態(tài)參數(shù)示意圖，右圖為具有P2P功能的嵌入式流媒體播放器播放時(shí)DSS服務(wù)器狀態(tài)參數(shù)示意圖。通過(guò)對(duì)比證明，當(dāng)采用具有P2P功能的嵌入式流媒體播放器訪問(wèn)DSS服務(wù)器時(shí)，CPU Load有效降低，整體媒體數(shù)據(jù)傳輸量Total Bytes顯著減少，媒體下載速率也有一定的提升，且當(dāng)以具有P2P功能的嵌入式流媒體播放器播放時(shí)，其效果圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)模式能夠提供穩(wěn)定、流暢的播放服務(wù)，且能夠有效降低流媒體服務(wù)器負(fù)載。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖6 具有P2P功能的嵌入式流媒體播放器播放效果圖

本文提出的具有P2P功能的嵌入式流媒體終端設(shè)計(jì)方案，采用層次化設(shè)計(jì)方式，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分層，實(shí)現(xiàn)上層的軟件模塊調(diào)用下層硬件提供的功能，充分利用了硬件的處理能力，并保證了軟件的可升級(jí)性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，所引入的P2P播放模式，有效減輕了服務(wù)器負(fù)載，提高了系統(tǒng)的服務(wù)能力。

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