贵州电视台家有购物频道H.264编码与网络传输技术应用

【摘要】本文介绍了贵州电视台家有购物频道在长途光缆传输中采用的H.264低码率编码与UDP网络协议传输技术，满足了电视台网络化，低成本化，安全性的要求。

【关键词】 远程传输 H.264编码 UDP协议 组播

一. 业务需求与现状分析

家有购物由贵州电视台注资1亿元人民币成立，2008年7月25日正式运营，总部位于北京，是一家整合电视、网络、商品目录、手机等无店铺销售形式的全国性家庭购物公司。目前，家有购物已覆盖全国23个省级行政区域，辐射超过2.2亿电视观众，并形成以电视频道、购物网站、商品目录为主导的三大立体化销售渠道，同时辅以报刊、实体店、外呼、广播、手机、IPTV等其他渠道资源，致力于打造中国家庭购物行业最具商业价值的销售平台。发展至今，贵州电视台家有购物已经与上海文广的东方购物、湖南广电的快乐购物一起名列中国家庭购物行业前三甲。

由于家有购物频道的播控中心设在贵阳，而地面覆盖是在北京歌华有线，即贵阳的播出节目传送到北京歌华有线，而北京演播室的直播信号传送到贵阳的播控中心播出，所以租用了运营商的光缆作为长途传输链路，之前我们采用的是E1传输协议（一对E1的传输速率为2.048Mbit/s，传统的编码器输出的ASI信号一般是在6Mb/s，再加上音频的码率以及一些必要的包头以及信令，所以必须得租用4对E1，即8M带宽才能发送与接收节目，图1、图2是传统的E1传输方式。

从图1、2 可以看出，MPEG-2编码再适配的模式占用的带宽是比较大的，而且必须要适配器将ASI信号和E1信号互相适配才能进行编解码，环节比较复杂。而且如果其中一个E1中断就会造成整个信号的中断。电缆线较多，特别是4对收发E1线缆，给安装与维护带来诸多不便。

二. 关键技术介绍与实现

下面着重介绍通过IP流传输的占用更低带宽的H.264编码与传输方式。

H.264/MPEG-4 AVC是一种面向块的基于运动补偿的编解码器标准。由ITU-T视频编码专家组与ISO/IEC联合工作组――即动态图像专家组（MPEG）――联合组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）开发。因ITU-T H.264标准和 ISO/IEC MPEG-4 AVC标准（正式名称是ISO/IEC 14496-10 ― MPEG-4第十部分，高级视频编码）有相同的技术内容，故被共同管理。H.264/AVC项目意图创建一种视频标准。与旧标准相比，它能够在更低带宽下提供优质视频（换言之，只有MPEG-2，H.263或MPEG-4第2部分的一半带宽或更少），也不增加太多设计复杂度使得无法实现或实现成本过高。另一目的是提供足够的灵活性以在各种应用、网络及系统中使用，包括高、低带宽，高、低视频分辨率，广播，DVD存储，RTP/IP网络，以及ITU-T多媒体电话系统。

设备的选用上，我们采用了哈雷的Harmonic Ellipse1000编码器和Harmonic ProView 7000解码器，由于H.264在同等图像质量上，带宽只有MPEG-2编码的一半甚至更小，所以经过测试，其3Mb/s的视频编码码率与传统的MPEG-2 6Mb/s编码码率从画面质量上来说没有区别。传输协议上，采用编码器的UDP传输协议，而不是TCP方式。TCP协议是“面向连接”的一种协议，能为应用程序提供可靠地通信连接，但TCP握手通信太多，协议开销大，传输效率不高。UDP具有TCP所望尘莫及的速度优势。虽然TCP协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销，无疑使速度受到严重的影响。反观UDP由于排除了信息可靠传递机制，将安全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证。网上下载的VLC播放器可以直接在线播放UDP协议流，所以只需一台笔记本电脑就可以监视其信号，非常方便。

由于每台编码器解码器都有自己的IP地址，在判断线路故障方面，只需要使用Ping命令就可以判断传输链路的情况，这也是网络传输的一大优势所在。

通讯模式上，采用组播方式（224.0.0.0--239.255.255.255）。组播主机之间“一对一组”的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。

组播的优点：

1. 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。

2. 由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个（268435456）组播，所以其提供的服务可以非常丰富。

图3为贵阳机房传输示意图（北京机房与贵阳一样，只是一个相反的传输方向），贵阳与北京的双向传输都通过一个收发器实现，北京的编码器设置组播（Multicast）地址与端口号，输出的IP流通过贵阳端的解码器解码成SDI信号送进播控中心，播控中心的SDI信号经过编码器编码成为IP流通过光纤收发器发往北京。在维护方面，只需携带一台装有VLC播放器的笔记本电脑就可以在线播放UDP协议的视频流，非常方便。

图4可以看出，Harmonic Ellipse1000编码器支持标清和高清输入，便于将来的升级，由于H.264编码的带宽占用只有MPEG-2的一半甚至更低，所以视频码率设置范围从0.1Mb/s―30Mb/s。综合考虑我们租用的带宽和要求，最终设置视频码率为3Mb/s，比起以前使用的4×E1传输方式的8M来说，已经大大节省了带宽资源。

从图5可以看到，传输协议采用UDP协议，Dst IP只需要设置成组播地址或者单播地址就可以更改通讯模式，只需要在解码器上进行相应的设置即可解码，非常方便。

三. 总结与应用前景

H.264/MPEG-4的应用范围是非常广阔的，它可以适用于多种网络，其高效的编码性能，H.264/MPEG-4可满足多种应用的需求，目前主要应用在以下领域；基于电缆、卫星、Modem、DST等信道的广播；视频数据在光学或磁性设备上的存储，基于ISDN、以太网、DSL无线及移动网络的公话服务、视频流服务、彩信服务等，除了以上介绍的应用，基于H.264/MPEG-4的平台，还会拥现很多新的应用。

目前电视台的长途传输一般都采用长途干线光缆，当租用电信运营商的光缆时，IP流的传输协议与运营商的协议一致，而且码率可以灵活设置，便于组网。H.264低带宽编码与IP传输在电视台的长途信号传输方面比较实用，节约了带宽，降低了成本，减少了传输链路设备，提高了安全性。同时该编码方式支持高清格式，将来可以直接升级到高清播出而不需要另行更换设备。B&P

参考资料

吴峰 张珂 高远航 《有线电视技术》 2006 第2期