船用IPTV關鍵技術分析

張寧

（駐上海地區艦艇設計研究軍代表室 上海 200011）

船用IPTV關鍵技術分析

張寧

（駐上海地區艦艇設計研究軍代表室 上海 200011）

隨著電視技術的發展，IPTV技術在遠洋艦船的閉路電視系統中已開始普及。文章對船用IPTV關鍵技術進行分析，重點介紹基于計算機技術的H.264視頻編碼技術、流媒體傳輸技術、IP組播技術以及數據存儲技術。

艦船；IPTV技術；應用特點；關鍵技術

0 引言

隨著電視技術的發展，艦船電視也不斷發展，從早期的模擬電視技術發展為數字電視。目前，隨著網絡、流媒體、存儲、數據壓縮等技術發展，交互性的網絡電視（IPTV）也開始愈來愈多的應用在艦船上。

1 IPTV在艦船上的應用特點

IPTV（Internet Protocol TV）其意是互聯協議電視，簡稱網絡電視。它集互聯網、多媒體、通信等多種技術為一體，用戶終端可以是IP機頂盒＋電視機，也可以是單臺計算機，通過互聯網IP協議向用戶終端實時提供包括數字電視在內的多種交互式數字媒體服務的寬帶增值業務［1］。

艦船上應用的IPTV系統與陸地上的IPTV系統相比，有自己的特點。一般船用閉路電視系統相對封閉，靠碼頭時主要靠拉岸線，接入碼頭附近的閉路電視信號。出海航行時外部節目來源很有限，主要靠傳統的室外電視天線和衛星電視接收天線。但艦船航行區域及航向經常發生變化常導致接收信號變差甚至信號丟失的嚴重后果，電視信號的質量和節目的收視效果難以進一步提高［2］。對于遠洋船只來說，由于無法做到中文衛星信號的全球覆蓋，只有靠自辦節目來看電視［3］。這就為IPTV技術帶來了很大的應用空間。

考慮到艦船的特殊環境，應該設計適合艦船使用的基于IPTV體制的閉路電視系統。由于無法穩定地接入國際互聯網，艦船閉路電視系統的功能主要側重于VOD點播業務，音視頻信號的傳輸基于艦船內的IP協議傳輸網絡。系統應具有良好的交互性，能靈活地實現電子菜單、節目預約、實時快進、快退以及節目編排等多種功能。圖1為一個基于IPTV體制的艦船閉路電視系統框圖。

圖1 艦船IPTV系統框圖

2 艦船IPTV關鍵技術分析

基于IPTV體制的艦船閉路電視系統的主要關鍵技術為H.264視頻編碼技術，流媒體傳輸技術，IP組播技術與數據存儲技術。

2.1 H.264技術

由于艦船網絡環境的限制，傳輸的音視頻節目需采用先進的視頻編碼技術，使其占用帶寬較少，傳輸的視頻節目較多。目前被市場認可的主要編解碼技術有WMV標準、MPEG系列標準和H.264標準，IPTV技術也支持第三方編碼器。

H.264技術引入了新的編碼方法，能在相同的網絡帶寬下傳輸質量更好的圖像。測試結果表明：H.264平均編碼比特率比H.263++低48.8%、比MPEG4ASP低38.2%。其壓縮效率比H.263提高約1倍，是MPEG-2的2～4倍［4］。

圖2是H.263、H.264、MPEG-2和MPEG-4的編碼效率比較。圖中橫坐標代表碼率，縱坐標代表視頻亮度分量的信噪比（單位：dB，越高表示視頻質量越好）。使用的測試序列是標準測試序列Tempete（CIF，30幀/s）。由該圖可以看出，編碼效率從高到低的順序是：H.264，MPEG-4，H.263，MPEG-2。從視頻質量上看，當圖像客觀質量達到31 dB時，H.264、MPEG-4、H.263、MPEG-2產生碼率分別是350 kbps，510 kbps，625 kbps，1 Mbps。

圖2 H.263，MPEG-2，MPEG-4和H.264的比較

圖3是H.264和WMV9的編碼效率比較。圖中橫坐標代表碼率，縱坐標代表主觀評測的圖像質量。圖中的結論是：H.264的壓縮效率要高于WMV9。

圖3 H.264和WMV9的比較

H.264比其他標準和技術的編碼效率更高，能夠在相對低的網絡帶寬條件下，提供質量更高的音視頻信號。同時H.264具有較強的抗丟包和抗誤碼性能，容易獲得平穩的圖像質量。其視頻編碼層（VCL）和網絡適配層（NAL）兩層結構的分層處理，對于復雜多變的網絡環境和應用場合更具優勢。其碼流結構網絡適應性強，增加了糾錯恢復能力，能夠很好地適應IP協議［4］，因此在船用IPTV系統設計中得到了廣泛的應用。

但是H.264的高效性是建立在其軟件編碼高度復雜的基礎上，解碼器軟件復雜度是H.263的3倍左右。由于采用了多幀參考技術進行運動估計和RD算法進行模式選擇，對處理器的數據調度機制以及片內外存儲器的組織提出了新的要求，因此H.264芯片的軟件工作難度將會提高其商業成本。目前不斷提高的硬件處理能力和不斷優化的軟件算法，是H.264標準在船用IPTV系統設計中得到普及的基礎。

2.2 流媒體傳輸技術

流媒體在艦船局域網上的有效傳輸對于船用IPTV系統設計是一個重要的問題。艦船局域網的環境比較復雜，為了解決電磁兼容和集成優化設計問題，船上多個網絡信息系統一般共用一個光纖環網。由于每個系統都有一定的信息量，共用網絡環境不易保證流媒體文件能及時、有效地傳輸。雖然數據緩沖技術可以緩解數據實時傳輸的壓力，但是單純依靠數據緩沖技術無法滿足流暢傳輸流媒體文件的要求。

在艦船局域網上傳輸流媒體文件需要合適的網絡傳輸協議。目前的工業標準是TCP/IP網絡通信協議，只有采用TCP/IP網絡通信協議的流媒體文件才能在各種網絡結構中運行傳輸。TCP/IP協議原本是為數據傳輸而設計的，可以保證傳輸的可靠性，但不能保證流媒體文件在規定的時間內到達用戶終端。而流媒體傳輸的一個重要特征是對時間的要求很高，必須確保數據的實時性和同步性。

為此，船用IPTV系統設計中可以采用實時傳輸協議（RTP）來解決數據傳輸的實時性。RTP是基于IP的應用層協議，為實時音視頻數據提供端到端的傳送服務，包括有效載荷類型標識、序列標號、時間標簽和源標識，可以提供時間信息和實現流同步。由于TCP中重傳機制會引起時延，所以一般運行在用戶數據包協議層（UDP）上［5］。

因此，在船用IPTV系統設計中，一般采用HTTP/TCP來傳輸控制信息，而用RTP/UDP來傳輸實時音/視頻數據。

2.3 IP組播技術

IP組播技術是允許一個或多個發送者（組播源）同時發送相同的數據包給多個接收者的一種網絡技術。它實現了IP網絡中點到多點的高效數據傳輸，可以有效地節約網絡帶寬、降低網絡負載。組播將流媒體文件復制到多個通道上，這樣單臺服務器能夠對多臺客戶機同時連續發送流媒體文件而無延時，因此成為當前大流量視頻業務的首選方案。在系統的直播業務應用中，利用IP組播技術，可以有效地分發媒體流，減少網絡流量。

目前，在基于IPTV技術的艦船閉路電視系統實現方案中，已逐步采用IP組播技術，實現在中小型局域網內進行衛星電視直播的功能。

2.4 數據存儲技術

由于艦船空間有限，不可能占用許多艙室，所以目前比較成熟的存儲器磁盤陣列是必須要考慮的關鍵技術之一。存儲器磁盤陣列是由多臺存儲器磁盤按一定的規則組成的一個快速、超大容量的外存儲器系統，它在陣列控制器的管理下，實現快速、并行或交叉存取，并有較強的容錯能力。從船員的觀點看，磁盤陣列雖然由多個組成的，但仍可認為是一個單一磁盤，其容量疊加后可以高達數千萬兆字節。因此這一技術可以完美地解決船用IPTV系統設計中的數據存儲問題。

3 結論

船用IPTV的關鍵技術主要是基于計算機技術的視頻編碼技術，流媒體傳輸技術，IP組播技術，數據存儲技術等。隨著網絡、流媒體等相應技術的成熟，IPTV技術在艦船閉路電視系統上已得到廣泛的應用。

IPTV技術體系簡單、交互性好、占用帶寬少等特點，使其已由傳統的直播電視節目逐漸發展到了直播、點播、教育培訓、通知、娛樂、圖文信息、電子郵件、節目錄制等多樣化的交互手段。目前IPTV的前端設備和承載網絡成本較高。但在終端數量較多的情況下，整個系統成本會相應降低，因此比較適合大型遠海航行艦船。相信隨著網絡設備成本的不斷降低和節目源的進一步豐富，IPTV技術將在艦船閉路電視系統設計中逐漸普及。

［1］胡智斌，黃煜劍.IPTV技術研究［J］.科技廣場，2011（3）：67-69.

［2］廖貴成，韋劍華.船用數字廣播電視系統方案設計與實踐［J］.數字電視，2011（9）：3-5.

［3］張寧.遠海航行衛星電視接收問題的分析及解決方案［J］.海軍工程大學學報：綜合版，2009（4）：90-92.

［4］戚鵬.H.264標準介紹及其在IPTV中的應用［J］.電腦知識與技術，2010（6）：4931-4932.

［5］朱文平.IPTV的關鍵技術及發展趨勢［J］.數據通信，2010（5）：6-10.

Key IPTV technology on ships

ZHANG Ning
（Representative Office of Naval Warship Design&Research，Shanghai200011，China）

With the development of television technology，IPTV technology begins to be applied to the closed-circuit television system on ocean ships.This paper analyzes the key IPTV technologies on ships，especially introduces the H.264 Video Coding Technology，Streaming Media Technology，IP Multicast Technology，and Data Storage Technology.

warship；IPTV technology；application characteristics；key technology

TN949.291

A

1001-9855（2012）03-0068-03

2011-12-25

張寧（1968-），男，漢族，碩士，工程師，主要從事艦船設計審查工作。