校園網(wǎng)絡電視媒體直播系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

黃照翠，陳 暉，王海濤，劉 娟，敖江帆

（中國人民解放軍理工大學 訓練部，江蘇 南京210000）

校園網(wǎng)絡電視媒體直播系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

黃照翠，陳 暉，王海濤，劉 娟，敖江帆

（中國人民解放軍理工大學 訓練部，江蘇 南京210000）

校園信息化建設正處于數(shù)字校園向智慧校園的轉型期，校園服務將更加智慧。媒體直播系統(tǒng)在校園中的應用越來越廣，用戶的要求也越來越高，建設一套具備網(wǎng)絡視頻直播、點播功能，互動性強、傳播性廣，能夠為用戶提供媒體資源共享便捷的綜合性個性化媒體直播系統(tǒng)十分必要而有重要意義。筆者依據(jù)本校媒體直播系統(tǒng)的建設過程和試運行情況，基于校園用戶的需求，進行系統(tǒng)架構，介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術和主要功能與服務，并論述了系統(tǒng)信息分發(fā)傳輸方案，最后進行了系統(tǒng)運行評測，滿足校園各種活動不同的視頻服務需求。

媒體直播系統(tǒng)；信息分發(fā)傳輸；功能與服務；設計與實現(xiàn)

引言

校園信息化建設正處于數(shù)字校園向智慧校園的轉型期，校園服務將更加智慧。近年來，隨著計算機網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)合而為一、融會貫通，促進了數(shù)據(jù)、音頻、視頻以及圖像的全面業(yè)務開展。校園網(wǎng)用戶不再滿足數(shù)字校園時代簡單圖文及視頻服務，而有了更高需求。特別受優(yōu)酷、土豆、CNTV、芒果TV、奇藝、百度視頻、搜狐視頻、Youtube、PPTV網(wǎng)絡電視、PPS網(wǎng)絡電視等視頻網(wǎng)站影響，用戶更加注重視頻信息資源的內容、速度、界面和交互等。

筆者通過文獻調查和以 “網(wǎng)絡電視”、“網(wǎng)絡電視臺”、“IPTV”、“網(wǎng)絡轉播平臺”、“網(wǎng)絡直播平臺”、“媒體直播”等為關鍵詞搜索了我國高校網(wǎng)絡電視媒體直播系統(tǒng)”（以下簡稱：媒體直播系統(tǒng)）的相關建設情況，調查發(fā)現(xiàn)，部分高校媒體直播系統(tǒng)一改往日內容的單調，提供了內容分類齊全的視頻信息瀏覽，用戶原創(chuàng)作品發(fā)布、實時播報、網(wǎng)絡直播室等服務，用戶界面友好，導航清晰，旨在打造一個全方位、多維度的綜合性網(wǎng)絡電視平臺，但交互性不夠，評價受限，網(wǎng)絡社區(qū)功能匱乏，信息資源共享欠缺，系統(tǒng)應用視界狹隘，大多還存在信息資源匱乏、數(shù)據(jù)編解碼、付費認證、安全性、視頻時延、清晰度、存儲與管理等問題。文章依據(jù)筆者單位媒體直播系統(tǒng)的設計實現(xiàn)及應用情況，概述了媒體直播系統(tǒng)，根據(jù)多元需求分析進行系統(tǒng)架構，介紹了系統(tǒng)特點、采用的關鍵技術和主要功能等，并進行了運行評測，旨在交流和提供參考，更好發(fā)揮媒體直播系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢。

一、系統(tǒng)概述

媒體直播系統(tǒng)發(fā)展日新月異，技術、資源和服務都在一定程度上得以提升，本文所探討的媒體直播系統(tǒng)是基于寬帶高速IP網(wǎng)，以網(wǎng)絡視頻信息資源為主體，將電視機、個人電腦及手機設備作為顯示終端，通過機頂盒或計算機接入寬帶網(wǎng)絡，是一種為用戶提供多種交互式服務為目的的全新技術，以互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和有線電視網(wǎng)等多種網(wǎng)絡為媒介，利用數(shù)據(jù)包的方式向用戶傳輸圖片、文本、視頻、音頻等信號，向用戶提供電視節(jié)目收看、視頻點播為基礎，實現(xiàn)數(shù)字電視、時移電視、互動電視等服務，包括電子商務、網(wǎng)上社區(qū)等綜合性服務的網(wǎng)絡平臺。

二、系統(tǒng)設計

校園媒體直播系統(tǒng)設計出發(fā)點主要針對學校教育教學、學術研究、思想政治、行管后勤、日常生活、校園文化建設以及師生實際需要進行需求分析，同時考慮功能模塊技術實現(xiàn)的可行性進行系統(tǒng)架構。

1.需求分析

近年來，一方面受新媒體技術發(fā)展和人們日益增長、要求更高的收視與互動需求以及受我國視頻分享類網(wǎng)站異軍突起的刺激；另一方面，媒體直播系統(tǒng)在校園中的應用和效果日益突顯，得到更多研究人員和師生的關注，校園媒體直播系統(tǒng)建設需求更加多元化。

（1）收看高清晰流暢的電視節(jié)目視頻直播和點播的需求；

（2）了解校園新聞的需求；

（3）課堂直播教學和點播的需求；

（4）學術講座、網(wǎng)上推演等重大活動直播與規(guī)?；男枨?；

（5）互動教學的需求；

（6）分類視頻點播的需求，如電影電視劇、課堂實錄、專家視頻、微課、唯美校園等；

（7）原創(chuàng)視頻發(fā)布的需求；

（8）校園電子商務、網(wǎng)上社區(qū)等需求。

2.系統(tǒng)架構

如圖1所示，通過H.264編碼方式生成FLV、MP4、WMV、TS標準的視頻流，可以根據(jù)需求自定義不同碼流大小、分辨率、幀率、窗口大小等配置參數(shù)設置，將多種視頻傳輸協(xié)議、視頻格式轉換編碼、協(xié)議封裝技術有效集成在一起，可以將H.264格式的IPTS流或RTMP直播視頻流或流媒體文件統(tǒng)一轉換成適合不同類型終端應用需要的不同協(xié)議、不同碼流和不同封裝格式的視頻流，以實現(xiàn)視頻流或節(jié)目源在不同類型終端自適應播放的目的，支持多級節(jié)點級聯(lián)和流服務集群管理，支持大規(guī)模并發(fā)擴展等。

圖1　校園網(wǎng)絡電視媒體直播系統(tǒng)架構

媒體直播系統(tǒng)滿足校園各種活動不同的視頻服務需求，支持衛(wèi)星電視、有線電視、數(shù)字電視、攝像機、廣播、現(xiàn)場活動等實時信號的采集、編碼、收錄、發(fā)布及應用，用戶觀看直播時可以調節(jié)播放器按鈕回退到之前已經(jīng)播過的節(jié)目；對播出時間相對固定的電視、電臺等欄目節(jié)目進行自動錄制、入庫、發(fā)布和點播；支持自定義網(wǎng)絡播出節(jié)目單，將來自資源庫、用戶上傳內容、遠程視頻流、直播節(jié)目源等不同內容進行靈活組合、剪輯編輯，自由創(chuàng)建多個網(wǎng)絡虛擬滾動直播頻道；支持攝像機信號采集直播，輕松實現(xiàn)大型活動、直播課堂、視頻會議的網(wǎng)絡直播錄制，方便后期進行編輯，實現(xiàn)點播；實現(xiàn)在線訪談，與用戶進行交流、互動；提供各種增值服務，網(wǎng)上社區(qū)、網(wǎng)絡游戲、電子商務等。

網(wǎng)管監(jiān)控主機輕松實現(xiàn)對媒體直播系統(tǒng)的直播、點播進行監(jiān)看，對系統(tǒng)內容進行編目、審核、掃描入庫、存儲檢索、上線下線等管理，模板設計人員適時為新開欄目進行模板設計，實時更換模板，系統(tǒng)信號流向辦公室、教室備課室、多媒體教室、語音實驗室、學生宿舍等各種場所，通過智能終端識別，實現(xiàn)ISO終端、Andriod終端、互聯(lián)網(wǎng)電視、PC類終端的實時或延時播放以及用戶各類原創(chuàng)視頻的上傳、編碼、入庫與發(fā)布。

3.系統(tǒng)特點

媒體直播系統(tǒng)具有很多優(yōu)越特性，具體如下：

（1）交互性

媒體直播系統(tǒng)具有發(fā)散性，用戶可以自由選擇節(jié)目，交互性體現(xiàn)在：

第一，人機交互，用戶可以邊收看邊反饋信息，進行評價討論等；

第二，網(wǎng)絡節(jié)點中的虛擬用戶通過虛擬社區(qū)進行實時在線交流，討論和傳輸、分享信息資源；

第三，用戶可以邊看視頻邊查閱相關資料。

（2）傳播性

媒體直播系統(tǒng)是分類精細，條目繁多提供各類服務的綜合性網(wǎng)絡視頻網(wǎng)站，適應互動式傳播模式，每個用戶既是信息提供者，又是信息接收者，同時也是信息傳播者，整個系統(tǒng)是一個龐大的錯綜復雜的N個節(jié)點信息雙向流的過程。

（3）個性化

媒體直播系統(tǒng)以用戶為中心，按用戶需求提供個性化的內容和服務，體現(xiàn)在：

第一，用戶自主選擇內容，控制播放進度；

第二，根據(jù)用戶需要或接收信息、瀏覽歷史等用戶數(shù)據(jù)分析，進行個性化內容定制和信息推送；

第三，自動搜索選定范圍內容，避免無關信息干擾，使用戶直接進入主題；

第四，設置自頻道，提供信息發(fā)布服務。

（4）共享性

媒體直播系統(tǒng)提供了集文字、圖片、聲音、視頻于一體的更加形象化信息資源，用戶不受時空限制，可以隨時隨地獲取信息資源，各抒己見，發(fā)布原創(chuàng)或轉發(fā)有價值的信息資源。用戶可以接收系統(tǒng)提供的資源，也可以是資源的提供者，與他人分享或分享他人提供的信息資源。

（5）綜合性

媒體直播系統(tǒng)是人們獲取信息和服務的復合式媒體。

第一，從媒介角度看，媒介即信息，系統(tǒng)集合了文本、圖片、聲音、圖像、動畫等多項技術；

第二，從內容分類角度看，媒體直播系統(tǒng)內容分類精細而齊全，如新聞、軍事、體育、科教、綜藝、健康等，內容十分豐富；

第三，附加了許多服務功能，如網(wǎng)絡購物、網(wǎng)上社區(qū)、在線游戲等功能，這些更加深化了媒體直播系統(tǒng)作為綜合服務平臺的形象。

（6）便捷性

媒體直播系統(tǒng)使用更加便捷。

第一，提供了搜索功能，輸入節(jié)目可以搜索到目標節(jié)目；

第二，提供了播放歷史功能，便于用戶點播之前觀看的節(jié)目；

第三，一些網(wǎng)絡機頂盒提供了手機遙控功能，用戶不必依賴遙控器；

第四，運營商將產(chǎn)品和服務逐漸向便攜式手機客戶端、IPAD客戶端或其他戶外平臺延伸，大大提高了用戶的體驗感受[1]。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.采用關鍵技術

媒體直播系統(tǒng)采用以Java為主線的JSP平臺架構，服務器操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，Web服務器為Tomcat-5.5_v5.0，Web內容管理系統(tǒng)基于B/S模式，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server2008，信息分發(fā)傳輸采用P2P技術與CDN技術融合的方式。

2.系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)主要實現(xiàn)電視直播、自動錄制點播、媒體資源點播、大型活動、視頻會議和課堂直播、點播、評價、網(wǎng)上社區(qū)、投票以及其他可擴展增值應用等。

（1）電視直播

衛(wèi)星電視、有線電視信號經(jīng)過編碼器壓縮編碼成Flv文件，輸入流媒體服務器，由BVUMServer負責監(jiān)聽，將視頻流推向請求流服務的用戶，客戶端可以直接通過網(wǎng)絡使用VLCMedia Player，打開網(wǎng)絡串流，輸入rtmp:// 26.29.2.145:9600/relay/r6203，觀看相應節(jié)目。本系統(tǒng)是基于Web的媒體直播系統(tǒng)，將流媒體信號嵌入到Web頁面中，提供頻道直播60個。嵌入系統(tǒng)主頁面的代碼如下：

其中6203是直播頻道號。

（2）自動錄制點播

系統(tǒng)將每個頻道播出時間相對固定的節(jié)目制定成存儲計劃，自動錄制存儲，存儲計劃由后臺設置，按照頻道順序以列表的形式提供節(jié)目點播，同時將知名欄目以縮略圖的形式推薦給用戶。點播服務器端對每個需要錄制頻道新建并開啟錄制自動直播存儲上傳程序，節(jié)目錄制后，自動上傳到點播服務器臨時磁盤，等待轉碼，轉碼服務器按照時序將視頻進行轉碼后存入磁盤陣列，同時稿件發(fā)布器自動將每一期節(jié)目發(fā)布成稿件插入數(shù)據(jù)庫，標題為：節(jié)目名稱_時間，用戶可以在系統(tǒng)前臺根據(jù)需要點播視頻節(jié)目觀看。

（3）媒體資源點播

媒資管理播控系統(tǒng)是由服務器和多臺PC節(jié)目編輯工作站組成，負責校內外媒體資源的管理和播控，負責媒體資源的攝取、收集、錄入、分類管理、存儲，將媒體資源編碼成適合媒體直播系統(tǒng)直播和點播的H.264視頻內容，上傳到媒體直播系統(tǒng)相應的欄目，供廣大師生點播。在媒體直播系統(tǒng)中創(chuàng)建各種視頻庫，如微課視頻庫、MOOC視頻庫、學術講座視頻庫、校內新聞視頻庫等，將各類媒體資源批量上傳到對應庫，建立對應節(jié)目庫，并給每個庫或子庫設計并設置模板，在節(jié)目庫中給每個視頻創(chuàng)建發(fā)布稿件，前端根據(jù)視頻庫的ID訪問視頻庫中的視頻圖文列表，便于點擊播放視頻或瀏覽媒體資源。

（4）課堂、活動視頻直播

大型活動移動直播、視頻會議直播和課堂直播實現(xiàn)的路徑類似，都是通過攝像機或攝像頭進行信號采集，通過光纖或微波傳輸，多路信號由編碼器輸出H.264視頻流至直播服務器，在后臺添加遠程流，如rtmp:// 26.29.2.148:1935/live/live5，添加頻道組并管理頻道，給每個頻道設置節(jié)目遠程流，這樣就可以在線直播視頻。同時進行節(jié)目管理，設置每路信號的存儲計劃，開啟服務器自動上傳錄制程序，即可實現(xiàn)點播。

（5）交互模塊

媒體直播系統(tǒng)的交互模塊主要包括評價、網(wǎng)上社區(qū)、投票等。

針對每個視頻片段用戶可以發(fā)表評價，評價分頁列表于該視頻播放窗口下方。視頻信息表的主鍵稿件ID即為評價信息表的外鍵，視頻稿件發(fā)布后，用戶可以對該視頻稿件進行評價，提交后錄入評價信息表，同時更新視頻稿件頁面中評價區(qū)域，顯示最新評價信息。

網(wǎng)上社區(qū)采用第三方開源程序Discuz！X3.2，部署在增值應用服務器，根據(jù)電視直播、點播、媒資點播、課堂、學術活動等創(chuàng)建多級分類版塊，該模塊是媒體直播系統(tǒng)交互性、傳播性、共享性、綜合性最大的體現(xiàn)，如新開設直播課堂前，在社區(qū)公告進行預告，同時在直播課堂版塊下新建以課程名稱命名的子版塊，用戶觀看直播課堂的同時，可以在此與教師、學生等進行交流，上傳下載，共享信息資源。

投票模塊可以在媒體直播系統(tǒng)中實現(xiàn)，也可以在網(wǎng)上社區(qū)中輕松實現(xiàn)，投票是獲取用戶對系統(tǒng)使用、視頻資源、活動等評價、態(tài)度的最直接數(shù)據(jù)來源。

增值應用服務器中還部署了其他應用，如電子商務平臺，主要用于校園用戶的閑置物品的交易，特別是專業(yè)書籍和各類考試書籍等，部署口碑好價值高的網(wǎng)絡游戲，豐富了師生的業(yè)余生活。

（6）用戶自頻道創(chuàng)建

用戶自頻道是用戶在媒體直播系統(tǒng)的個人中心，用于管理和記錄用戶及活動軌跡，用戶可以修改完善自身信息，記錄用戶收看直播點播歷史，記錄用戶評價和參與交流以及在社區(qū)中共享的資源列表等，該模塊整合性強，隨著系統(tǒng)的不斷擴展將進一步完善。

3.信息分發(fā)傳輸

P2P技術和CDN技術是目前兩種主流的流媒體服務技術。P2P（Peer－to－Peer）即對等網(wǎng)網(wǎng)絡或點對點技術，是基于共享的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡參與者稱為節(jié)點（即Peer），所有參與者的地位都是平等的，節(jié)點既是客戶端也是服務器。P2P節(jié)點之間通過一定的方式組織在一起，當節(jié)點請求資源時，通過一定的查找策略來定位擁有所請求資源的節(jié)點，并從中獲取文件內容[2]。CDN（Content Delivery Network）即內容分發(fā)網(wǎng)絡，在現(xiàn)有的Internet或內網(wǎng)中增加一層新的網(wǎng)絡架構，通過智能化策略將客戶需要訪問的內容分發(fā)到距離客戶最近、服務質量最好的邊緣服務器節(jié)點，同時通過負載均衡系統(tǒng)將用戶定位到相應的邊緣服務器節(jié)點，為用戶提供快捷、穩(wěn)定的服務[3]。

P2P技術充分利用了客戶端資源，能夠在不增加成本的情況下滿足用戶激增要求，但是P2P節(jié)點不易管理并且由于節(jié)點能力的限制不能像服務器一樣提供穩(wěn)定服務。CDN技術具有高可靠性的服務及可管理性優(yōu)點，但是CDN建設成本高并且可擴展性差。

P2P和CDN技術盡管有著各自的不足，但兩者基本上是可以互補的，融合這兩種技術，構建一個統(tǒng)一的內容分發(fā)系統(tǒng)方案，將會對多校區(qū)大并發(fā)量的大型流媒體直播、高清電視、巨型文件下載等高帶寬需求業(yè)務的進一步普及提供廣闊的發(fā)展空間。

本系統(tǒng)采用在邊緣服務器間建立P2P網(wǎng)絡的架構，以P2P技術對CDN網(wǎng)絡進行優(yōu)化、改超，將CDN的存儲設備以P2P的方式組織，利用P2P的目錄服務和多點傳輸能力，實現(xiàn)CDN存儲設備之間的內容交換，提升CDN的內容分發(fā)能力[4]，同時用戶客戶端間形成區(qū)域自治，可以在不增加CDN成本的同時有效提升CDN的服務能力，更有效地避免了P2P應用的不可監(jiān)管性、流量無序性等弊端。如圖2所示，中心服務器層負責整個CDN網(wǎng)絡的分發(fā)及管理，邊緣服務器層負責本地的負載均衡及響應用戶的請求，用戶節(jié)點層以P2P的形式獲取服務。該架構在內容管理性、服務器帶寬需求、QoS服務、流量有序性和并發(fā)數(shù)等方面具有很大優(yōu)勢。

圖2　信息分發(fā)傳輸架構拓撲

四、運行評測

本系統(tǒng)試運行環(huán)境由服務器、校園網(wǎng)和客戶端三部分組成，中心服務器包括CDN管理服務器1臺、負載均衡服務器1臺、內容分發(fā)服務器2臺、轉碼服務器1臺、Web內容管理服務器1臺、增值應用服務器1臺，邊緣服務器包括內容管理服務器1臺、緩存服務器若干臺；校園網(wǎng)為萬兆核心、千兆匯聚、百兆接入；共632臺PC客戶端參與。

CDN服務器硬件配置：Int el（R）Xeon（R）CPU E5-2620 v2@2.10GHz（雙核）雙處理器、32GB內存、1T SCSI硬盤、Broadcom NetXtreme Gigabit Ethernet千兆網(wǎng)卡，其它服務器硬件配置類似CDN服務器，內容分發(fā)服務器其中一臺負責直播系統(tǒng)，一臺負責點播系統(tǒng)，其中點播服務器的硬盤為30T，流媒體服務端軟件為Flash Media Server 4，客戶端為雙核Intel Pentium E5500 2.8 GHz CPU、1G內存、100Mbps網(wǎng)卡，Windows XP/vista/7，Adobe Flash Player。

同時運行632臺客戶機，輪詢訪問媒體直播系統(tǒng)視頻直播和點播資源，根據(jù)運行情況分析，大多都正常播放，只有個別播放不夠流暢，服務器CPU占用率15%-35%，內存占用率12%-26%，在用戶數(shù)量多的情況下，P2P邊緣節(jié)點連接建立時延更短且更穩(wěn)定，引入P2P邊緣節(jié)點可以明顯改善節(jié)點吞吐量指標，提升節(jié)點服務能力，改善內容調度時延，提升網(wǎng)絡整體內容分發(fā)效率，P2P邊緣節(jié)點可以在更短時間內命中內容。

但是試運行過程中，也出現(xiàn)了一些問題：偶爾聲畫不同步，錄制連接時延加長，經(jīng)過測試分析，可能與網(wǎng)絡帶寬有關，還出現(xiàn)電視直播錄制黑屏，分析指出推流服務Bug，經(jīng)過修改更新UMS文件后問題解決。

五、結束語

媒體直播系統(tǒng)在校園中的應用越來越廣，用戶的要求也越來越高，建設一套具備網(wǎng)絡視頻直播、點播功能，互動性強、傳播性廣，能夠為用戶提供媒體資源共享便捷的綜合性個性化流媒體系統(tǒng)十分必要而有重要意義。筆者依據(jù)本校媒體直播系統(tǒng)的建設過程和試運行情況，基于校園用戶的需求，進行系統(tǒng)架構，介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術和主要功能與服務，并論述了系統(tǒng)信息分發(fā)傳輸方案，最后進行了系統(tǒng)運行評測，滿足校園各種活動不同的視頻服務需求。根據(jù)文獻顯示，近兩年研究人員對媒體直播系統(tǒng)研究和關注不夠，是否該系統(tǒng)在技術與應用方面已經(jīng)成熟，沒有更深入的研究價值呢，調查顯示媒體直播系統(tǒng)無論在技術上還是在應用上都有進一步挖掘的潛在意義，筆者認為媒體直播系統(tǒng)在校本資源建設與學習支持服務方面有重要研究價值。

[1]廖紅霞.我國網(wǎng)絡電視的現(xiàn)狀及發(fā)展研究[D].江西:南昌大學,2012：12.

[2]李建強.CDN-P2P系統(tǒng)的中心服務器與客戶端節(jié)點的設計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學,2012:2.

[3]徐廣.基于CDN與P2P融合技術的流媒體系統(tǒng)及關鍵技術研究[D].山東:中國海洋大學,2012:7-8.

[4]鐘達彬.基于CDN與P2P融合技術的流媒體系統(tǒng)的研究與實施[D].廣東:華南理工大學,2013：23.

（編輯：楊馥紅）

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1673-8454（2016）21-0089-05