苏磊
1引言
视频点播（VOD）是集计算机、通信、电视技术多学科知识于一体的多媒体技术应用，是多领域交叉结合的产物。近年来，IT业的发展和数字技术的广泛应用，极大地推动了视频处理、数据存储以及计算机技术的发展，进而加速了视频点播的发展。
VOD系统主要由3部分组成：前端服务器、传输网络和客户端。VOD系统的主要功能是按照用户的请求输出相应的视、音频节目。与传统的广播方式不同，VOD系统提供的是一种交互式服务。
用户可以在任何时候，调取系统中的任意节目，并且可以自主地控制节目播放。
前端服务器中最重要的就是视频服务器（VS，Video-Server）。视频服务器存储和管理大量的影视节目，以供网络用户点播。多个用户可以同时向视频服务器发送节目请求，视频服务器从磁盘阵列中读取视、音频流，并通过网络回送到相应的用户终端。传输网络是连接视频服务器和用户的枢纽。目前高质量的多媒体应用多通过具有服务质量（QoS）保障的网络实现。VOD终端可以是PC机、工作站或机顶盒。用户通过安装在VOD终端上的浏览器软件来查询视频服务器上的节目信息。在播放过程中，用户可以进行快进、快退、慢放等功能操作。
目前VOD系统主要分为两类：T-VOD（True-VOD）和N-VOD（Near-VOD），即真视频点播和准视频点播。真视频点播系统为被接纳的点播用户分配专用的通信信道。因此其点播时延小，在整个播放过程中支持交互操作，点播者能对存储在信息库和服务器中的节目随意控制。由于每个用户独享信道资源，T-VOD系统可解码的用户数比较有限，因此点播成本较高。准视频点播系统以广播或多播的形式传送视频数据，能在一个广播或多播的信道上同时为点播节目的用户提供服务，从而有效地降低成本。N-VOD系统的主要缺陷是不支持或仅支持有限的交互操作。
2视频点播系统新的体系结构
统一型视频点播系统，即U-VOD（Unified-VOD）系统是一种新的VOD类型。在U-VOD系统中，服务器端的传输信道被分成单播信道与多播信道两部分，客户端的设备要求可以同时接受两个信道的节目，并具有本地硬盘。当一个用户点播某个视频节目时，系统首先在所有的多播通道内搜索出即将播放该节目的信道。如果播放时延小于设定的接纳阈值，则用户从该信道获取视频数据，这种工作状态与N-VOD系统很相似。如果播放时延大于设定的接纳阈值，客户端一方面从最近已播放该节目的多播信道中接收数据，并把这些数据存储在本地的存储设备上。服务器通过单播信道向该用户发送节目起始部分，客户端同时进行播放。当单播数据的内容可以与客户端存储设备上的数据相衔 接时，则单播通道关闭，用户转为只由多播通道传送数据。
这种系统兼顾了T-VOD的点播延迟小和N-VOD的支持用户多的优点，只不过需要同时接受两个信道的节目，且要求内置硬盘。
3新的数据编码技术在视频点播中的应用
数字电视网络中传输的主要对象是实时视、音频数字信息。一般情况下，视频信号取样后得到的PCM码数据率为270 Mbps，由于数据量巨大，不能直接存储和传输，必须进行压缩。另一方面，视频数据具有很高的相关性，存在非常多的冗余信息（如18%行逆程和8%的场逆程），可进行数据压缩。
目前，常用的视频压缩标准有M-JPEG（Motion-JPEG），MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MPEG-7，H.261系列等。在活动图像专家组（Moving Picture Experts Group，MPEG）已经制定的国际标准中，MPEG-1用来解决声音及图像在CD-ROM上的存储，MPEG-2解决数字电视、高清电视的压缩编码，1993年提出的MPEG-4用来解决在多媒体环境下的高效存储、传输和处理视、音频信息的问题。
在常见压缩方式中，VOD产品基本采用MPEG-1和MPEG-2两种格式。MPEG-1传输速率为1.0～2.0 Mbps，相当于VCD级图像质量，常用于活动画面少或运动不剧烈的图像。MPEG-2传输速率为3～15 Mbps可调，一般采用4.0～8.0 Mbps速率，播出质量较高，相当于DVD级的图像质量。
最近几年，随着MPEG-4协议的逐步完善以及视频点播技术的广泛发展，MPEG-4编码技术已经在基于IP网上的视频点播中大显身手。从各种信号源采集来的视、音频信号经过MPEG-4编码转换成MPEG-4信号。用户机顶盒、PC机终端可通过局域网点播存储在视频服务器中的MPEG-4制式的节目源。MPEG-4压缩编码技术的采用大大降低了数据率，在双向视频点播中极大地提高了可点播的用户数量，即极大地提高了并发流数量。当交换机的数据传输利用率为90%的情况下，若采用MPEG-2编码且码速率为4 Mbps时，可支持的并发流数量大致为22个；若采用MPEG-4编码且码速率为700 kbps时，可支持的并发流数量大致为128个。这两种情况下的图像质量都较高，相当于DVD质量级。
将MPEG-4压缩编码技术引入视频点播系统，大大缓解了双向视频点播中视频服务器的“瓶颈”问题。随着G交换机、T交换机的应用，该“瓶颈”问题得到了更为有效的解决。另外，采用MPEG-4压缩技术还可通过QoS保障支持数据传输的容错性。在网络带宽得到保证的情况下，系统可按正常情况响应用户的请求。但当网络带宽不能得到保证时，系统可自适应地进行带宽调节，通过拒绝部分用户接入响应、降低节目传输速率等方法提高网络服务效率。随着技术的步步深入，MPEG-4编、解码器产品越来越成熟，MPEG-4技术在视频点播中应用的前景将会更为广阔。
继MPEG-4之后，面临的问题是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和快速搜寻。随着电视节目的大量增加和人们对信息灵活、快速的需求，基于普通关键词的节目查询逐渐无法满足需要，节目的互动查询越来越困难。1998年10月基于这种设想的MPEG-7标准被提出，它的正式名称是“多媒体内容描述接口”，对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将这些描述与所描述的内容相联系，以实现快速有效的搜索。MPEG-7的宗旨是为人们的社会生活提供便利的多媒体服务，其构想的基于内容和语义的多媒体搜索引擎将使人们面对浩瀚如海的多媒体信息库不再茫然，真正置身于随心所欲的多媒体世界。MPEG-7可独立于其他MPEG标准使用，但MPEG-4中所定义的对音、视频对象的描述适用于MPEG-7，这种描述是分类的基础。
MPEG-7的应用范围很广泛，既可应用于存储（在线或离线），也可用于流式应用（如广播、将模型加入Internet等）。它可以在实时或非实时环境下应用。将MPEG-7编码技术应用到视频点播系统中，就可以实现基于节目场景、关键画面、主题关键字等节目内容的灵活、快速地查询，从而实现基于节目内容而非节目标题的视频点播。基于MPEG-7的视频点播的工作流程如下：
（1）节目制作人先将所选节目存储到视频服务器中，在保存的过程中，将与该节目关联的文字以及视频关键字进行提取并保存到视频服务器的数据库中去；
（2）客户通过服务器下发的节目描述字表，选择有兴趣的节目关键字，通过与服务器数据库中的信息对比，检索出现关联的大量节目信息，用户可通过修改、添加、减少个别关键字等，最终形成节目信息查询的关键字，即查询结果；
（3）用户将查询结果发送到服务器端，服务器将符合用户需要的节目传输到客户端，客户端对该节目进行解码后就可以观看了。
MPEG-7不仅可提供标准化的核心技术来描述多媒体环境下的视、音频数据内容，而且可提供互操作性、内容描述的兼容性和灵活性。基于MPEG-7的视频点播技术也将大大增强互动电视的互动性、灵活性和普及性。
MPEG-7标准实际上并未给出太多的实现方案，其最终实现还需通过各个厂商和研发人员的进一步研究。无论是编码方式或是编码标准，都和具体的应用相适应，随着市场和技术的不断发展和深入，压缩编码技术一定会在视频点播系统中占有越来越重要的地位。
4新的存储技术在视频点播中的应用
视频点播中的数据量巨大，且对数据的同步性和实时性要求很高。而传统的存储模式DAS（直接连接存储，Direct Attached Storage），无法充分地利用网络资源。
由于DAS通过局域网交换、存储数据，占用了大量的网络带宽，且传统的存储设备一般为SCSI接口，其最高数据传输率只有40 Mbps左右，尽管较先进的串行SCSI硬盘的数据传输率可达到130 Mbps，但仍然无法解决服务器的“瓶颈”问题。针对这种情况，在DAS的基础上发展起来了两种新的存储技术：NAS（网络连接存储，Network Attached Storage）和SAN（存储区域网络，Storage Area Network）。
网络连接存储（NAS）是一种专业的网络文件存储及文件备份设备，或称为网络附加存储、网络磁盘阵列。NAS设备一般支持多计算机平台，用户通过网络支持协议可调用相同的文档，因而，设备无需改造即可用于混合UNIX/Windows NT局域网。而且，NAS设备的物理位置灵活，通过物理链路与网络连接。NAS设备无需应用服务器，允许用户在网络上存取数据，这样既可减小CPU的开销，也能显著改善性能。NAS通常在一个LAN上占有自己的节点。1台服务器处理网络上的所有数据，将负载从应用或企业服务器上卸载下来。NAS设备包括存储器件（例如磁盘阵列、CD/DVD驱动器、磁带驱动器或可移动的存储介质）和集成在一起的简易服务器，可用于实现涉及文件。
网络连接存储的作用就像是一个专用的文件服务器，不过该文件服务器与传统的通用服务器有很大不同，这种服务器去掉了传统文件服务器中的不适用的大多数计算功能，而仅仅对数据存储用户提供专一的文件系统功能，专门用于数据存储服务，从而大大降低了数据存储设备的成本。与传统文件服务器相比，利用网络附加存储技术的数据不再通过服务器内存转发，直接在客户机和存储设备间传送，服务器仅起控制管理的作用，因而具有更快的响应速度和更高的数据带宽。
NAS存储技术本身也有不足之处，例如使用NAS技术在存储备份数据时，要产生带宽消耗，网络带宽要同时满足存储和正常的数据访问，而视频点播系统中，服务器处理的是数据量巨大的视、音频数据，而且对数据的实时性要求很高，这就决定了NAS在视频点播中难以广泛应用。
事实上，视频点播系统可通过SAN来形成大型视、音频数据的传输。存储区域网（SAN）指的是通过一个单独的网络（通常是高速光纤网络）把存储设备和挂在TCP/IP局域网上的服务器群相连。当有海量数据的存取需求时，数据可以通过存储局域网在相关服务器和后台存储设备之间高速传输。存储区域网包括以下4大类的组件：终端用户平台、服务器、存储设备与存储子系统、网络连接设备。SAN内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，并且将数据存储管理集中在相对独立的存储区域网内。在多种光通道传输协议逐渐走向标准化并且跨平台群集文件系统投入使用后，SAN最终将实现在多种操作系统下最大限度的数据共享和数据优化管理，以及系统的无缝扩充。
SAN技术带来了全新的存储结构与存储理念，使存储技术跃上了新台阶。SAN是专门连接存储外围设备和服务器的网络。它通常包括服务器、外部存储设备、集线器、交换机以及网络、存储管理工具等。SAN综合了网络的灵活性、可管理性及可扩展性，提高了网络的带宽和存储I/O的可靠性。
通过对比，可知NAS是在RAID的基础上增加了存储操作系统，而SAN是独立出一个数据存储网络，将SAN技术融入到视频点播系统中，实际上是一种服务器与存储技术相连的存储区域网，它结合了I/O通道技术、大容量存储技术，消除了视频服务器的“瓶颈”，从根本上解决了视频点播的存储问题。
随着计算机与存储技术的发展，存储区域网将在视频点播中发挥更大的作用。
5CDMA技术在有线电视网视频点播中的应用
CDMA属于移动通信系统的一种，它的英文全称是Code Division Multiple Access，即码分多址，是在数字通信技术的分支扩频通信的基础上发展起来的一种技术。所谓扩频，简单地说就是频谱扩展。CDMA技术采用的是直接序列扩频方式，就是通过特殊的码型处理，把信号能量扩散到一个很宽的频带上，湮没在噪声里，在接收端只有通过相同的码型才能把信号恢复出来。
CDMA不同于FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址），将有限的频谱资源分割成一个个的通道。FDMA是基于频率分配通道，并且通道仅能支持在可用频率范围之内的一定速率的数字流。TDMA是基于时隙分配通道，并且用户不可能以超出由时隙的固定长度而决定的数据传输率来发送其比特流信息。CDMA通常先由FDMA将频带分成小的频道，然后再进行码分复用。
CDMA的不同用户是以PN（伪随机码）码来区分的。在同一个VOD频道上的用户都分配一个相互正交的PN码。在接收端，用户通过分配给自己的PN码来接收特定的节目。只有当某节目的PN码与该用户的相匹配，该用户才能点播该节目。多个节目在VOD频道上同时传送，每个节目的带宽均为该VOD频道的带宽。
在实际应用中，CDMA的应用受到较大的制约：①不同用户是以PN（伪随机码）码来区分的，且要求各PN码之间的相关系数尽可能小，但实际中很难找到数目较多的这种PN码；②用户越多，PN码的长度就会越长，则在接收端的同步时间也越长，难以满足通信同步的要求；③CDMA体制是一种噪声受限系统，同时通信的用户数越多，通信质量恶化的程度就越严重。以上各种因素最终导致CDMA系统的用户容量远低于理论计算值。
尽管如此，CDMA支持强噪声环境下的多用户群接入的性能在视频点播中还是具有巨大潜力的。希望随着CDMA，特别是W-CDMA（宽带码分多址）技术的进一步完善，CDMA技术在有线电视系统中的应用将成为现实。
6小结
视频点播系统在技术上涉及面宽，本文从介绍视频点播新的体系结构入手，将视、音频信号源压缩编码的新技术（MPEG-4，MPEG-7），节目存储、管理的新技术（SAN）运用到视频点播系统中，还对宽带无线技术——CDMA在有线电视网视频点播中的应用进行了探讨，从多方面展示了视频点播发展的巨大前景。随着数字编码压缩技术、网络存储技术以及多媒体技术的不断发展，视频点播系统将会不断得到改进和完善。
摘自《中国有线电视》
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