具體描述
基本信息
書名：VBR流視頻存儲、I/O及傳輸優化
定價：29.80元
作者：謝建國
齣版社：科學齣版社
齣版日期：2008-07-01
ISBN：9787030232403
字數：210000
頁碼：210
版次：1
裝幀：平裝
開本：大32開
商品重量：0.4kg
編輯推薦
如今，VCD、DVD作為存儲光盤的視頻應用，在人們的生活中已經産生瞭巨大影響。網絡視頻或網絡流媒體概念提齣多年，發展至今雖已陸續被應用，但仍受製於一些關鍵技術，這些技術包括網絡技術和視頻壓縮技術。本書主要將注意力放在變比特率編碼的存儲視頻在網絡服務方麵的一些技術和方法，從視頻的磁盤存儲、並發流輸入/輸齣到網絡優化傳輸等均有的研究。
內容提要
全書圍繞VBR流視頻在磁盤存儲、存取服務、網絡傳輸過程中所涉及的問題而展開研究與討論，主要內容包括：VBR流式視頻的網絡I/O調度與緩衝、VBR流式視頻傳輸中的率平滑規劃、VBR視頻的磁盤存儲及VBR流視頻磁盤I/O與平滑檢索、可伸縮編碼視頻特性分析、可伸縮視頻網絡適應性傳輸綜述、伸縮視頻適應性傳輸算法以及視頻錯誤傳輸保護比較研究等。
目錄
章 變比特率編碼視頻
1.1 引言
1.2 視頻的VBR特性
第2章 流視頻並行I/O優化
2.1 多網絡I/O係統模型
2.2 單網絡I/O調度
2.3 多網絡I/O調度
2.4 優化調度與流接納
2.5 仿真結果及性能評價
第3章 VBR流視頻的率平滑傳輸
3.1 概述
3.2 變比特率平滑模型
3.3 短路徑問題
3.4 短路徑率平滑傳輸算法
3.5 快速傳輸率平滑算法
3.6 實驗結果
3.7 其他存儲視頻率平滑算法
第4章 基於網絡特性的率平滑算法
4.1 異步傳輸的率平滑算法
4.2 殘餘帶寬下的視頻傳輸算法
第5章 流視頻實時率平滑
5.1 優化的實時率平滑模型
5.2 優化的實時率平滑算法
5.3 相關研究的比較
5.4 實驗結果與比較
第6章 流視頻的存儲優化
6.1 視頻存儲技術的發展
6.2 單磁盤接納計算模型
6.3 MZ單磁盤存儲策略
6.4 MZ磁盤組存儲策略
第7章 磁盤I/O率平滑
7.1 二次率平滑算法
7.2 磁盤I/O率平滑模型
7.3 基於分塊的率平滑調度算法
7.4 磁盤I/O的On-Off調度
7.5 率平滑檢索算法
第8章 流視頻適應性傳輸概論
8.1 流視頻的應用研究
8.2 視頻編碼與傳輸
8.3 流技術麵臨的挑戰
第9章 可伸縮流視頻VBR特性
9.1 分層擴展性編碼
9.2 先進的可擴展性編碼
9.3 FGS編碼的比特率特性
9.4 FGS編碼的質量特性
0章 流視頻帶寬適應性傳輸算法
10.1 引言
10.2 前期基礎
10.3 問題描述
10.4 帶寬適應性傳輸算法
10.5 算法性能分析
10.6 實驗結果與討論
1章 流視頻傳輸錯誤保護
11.1 丟包信道錯誤保護算法
11.2 無記憶誤碼信道錯誤保護算法
參考文獻
作者介紹
文摘
序言
《高效視訊處理：流媒體存儲、數據流優化與傳輸技術解析》 內容概要 本書深入探討瞭現代視訊處理領域中至關重要的三個環節：流媒體的存儲、I/O（輸入/輸齣）操作以及傳輸優化。隨著高清、超高清乃至更高分辨率視頻內容的爆炸式增長，以及實時互動應用（如在綫直播、遠程協作、VR/AR體驗）的普及，如何高效、穩定、低延遲地處理和傳輸海量視訊數據，已成為一個核心的技術挑戰。本書旨在為讀者提供一套係統性的理論框架和實用的技術解決方案，幫助開發者、係統架構師、網絡工程師以及對視訊技術感興趣的研究人員，在麵對日益復雜的視訊應用場景時，能夠設計齣更具競爭力、更優化的係統。 本書內容覆蓋瞭從底層的存儲介質選擇、文件係統優化，到中層的I/O調度策略、數據緩衝機製，再到頂層的網絡傳輸協議、擁塞控製算法，以及麵嚮具體應用場景的整體架構設計。全書以科學嚴謹的態度，結閤前沿的研究成果和工程實踐經驗，對每一個技術點都進行瞭細緻的剖析和深入的闡述。 第一部分：流媒體存儲機製與性能優化 本部分著重於視訊數據在存儲介質上的高效管理和存取。我們將從以下幾個方麵展開： 1. 存儲介質的選擇與特性分析： HDD vs. SSD vs. NVMe： 詳細分析傳統機械硬盤（HDD）、固態硬盤（SSD）以及基於PCIe接口的新一代NVMe SSD在讀寫速度、隨機訪問性能、延遲、耐用性、功耗以及成本等方麵的差異。結閤視訊數據的讀寫模式（順序讀寫為主，但伴隨一定的隨機訪問），探討不同介質在不同視訊應用場景下的適用性。 雲存儲與分布式存儲： 介紹對象存儲（如Amazon S3、Azure Blob Storage）、塊存儲（如EBS、Azure Disk Storage）以及分布式文件係統（如HDFS、Ceph）的架構、特點和優劣。分析它們如何支持大規模視訊數據的存儲，以及在可用性、持久性、可擴展性方麵提供的保障。 新興存儲技術： 簡要提及內存存儲（In-Memory Storage）、持久性內存（Persistent Memory）等技術在加速視訊處理流程中的潛力。 2. 文件係統與數據組織： 文件係統的選擇： 討論ext4、XFS、NTFS等主流文件係統在視訊存儲中的性能錶現。重點分析文件係統的日誌記錄、塊分配策略、緩存機製等如何影響視訊數據的讀寫效率。 視訊數據組織策略： 提齣針對視訊流特性的數據組織方式，例如分塊存儲（Chunking）、按時間段分片（Time-based Sharding）、索引與元數據管理。探討如何通過閤理的數據布局，最大化順序讀寫的優勢，減少碎片化。 壓縮與編碼對存儲的影響： 分析不同的視訊編碼格式（如H.264, H.265, VP9, AV1）及其編碼參數（如 GOP結構、幀率、比特率）對存儲容量和讀寫負載的影響。探討在存儲端進行適度預壓縮或使用特定的存儲格式（如Parquet、ORC在結構化數據中的應用，雖然視訊是非結構化，但其思想可藉鑒）的可能性。 3. 存儲性能基準測試與調優： 關鍵性能指標： 定義並講解吞吐量（Throughput）、IOPS（Input/Output Operations Per Second）、延遲（Latency）、響應時間（Response Time）等衡量存儲性能的核心指標。 測試工具與方法： 介紹fio、iozone等業界常用的存儲性能測試工具，並指導讀者如何根據視訊應用的特點（如讀多寫少、寫多讀少、混閤讀寫、大數據塊、小數據塊）設計閤理的測試場景。 操作係統與硬件調優： 講解Linux等操作係統中與存儲相關的參數調優，如文件係統掛載選項、頁麵緩存大小、I/O調度器（如noop, deadline, cfq）的選擇，以及RAID配置、磁盤陣列的條帶化（striping）和鏡像（mirroring）策略。 第二部分：高效I/O處理與數據流優化 本部分將聚焦於數據在內存與存儲、內存與CPU之間的高效傳輸與處理。 1. I/O模型與異步編程： 阻塞式I/O vs. 非阻塞式I/O： 詳細解釋兩種I/O模式的區彆，以及它們在視訊處理中的性能影響。 多路復用I/O（Multiplexing I/O）： 介紹select, poll, epoll等機製，以及它們如何實現高效的並發I/O處理，特彆是在處理大量並發連接（如直播服務器）的場景下。 異步I/O（Asynchronous I/O, AIO）： 深入探討Linux AIO、io_uring等更高級的異步I/O模型，以及它們如何通過內核級彆的支持，進一步降低CPU開銷，提高I/O吞吐量，減少延遲。 基於事件驅動的架構： 闡述如何設計以事件為中心，利用迴調函數或協程（Coroutines）來處理I/O事件，從而構建響應迅速、資源利用率高的視訊處理服務。 2. 數據緩衝與內存管理： 緩存策略： 分析操作係統級彆的頁麵緩存（Page Cache）、用戶空間應用級彆的緩衝區（Buffer）設計。討論固定大小緩衝區、可變大小緩衝區、環形緩衝區（Ring Buffer）等數據結構的優劣。 零拷貝（Zero-Copy）技術： 深入講解sendfile()、splice()等零拷貝係統調用。解釋它們如何避免數據在用戶空間和內核空間之間不必要的復製，從而顯著提升I/O性能，降低CPU負載，特彆適用於文件傳輸和網絡I/O。 內存映射（Memory Mapping, mmap）： 介紹mmap()的使用場景，以及它如何將文件內容直接映射到進程的地址空間，實現文件數據的直接訪問，避免read/write的開銷，對視訊流的快速訪問非常有益。 高效內存分配： 討論內存池（Memory Pool）、對象池（Object Pool）等技術，用於減少頻繁的內存分配和釋放帶來的開銷，以及內存碎片問題。 3. 數據預取與流式處理： 預取（Prefetching）機製： 分析視訊數據的局部性（Locality）特點，設計智能的預取策略，如基於時間序列的預取、基於用戶行為的預取，以確保所需數據在到達使用點之前已經加載到內存或緩存中。 流式處理（Stream Processing）架構： 闡述如何將視訊處理分解為一係列連續的數據流操作，利用管道（Pipeline）或數據流圖（Dataflow Graph）來組織處理流程。討論如何在管道中加入緩衝，以平衡各處理階段的速率差異。 生産者-消費者模型（Producer-Consumer Model）： 講解使用多綫程或多進程實現生産者-消費者模型，生産者負責數據的讀取或生成，消費者負責數據的處理或發送。通過共享緩衝區和同步機製，實現高效的並發處理。 第三部分：視訊傳輸優化與網絡協議 本部分將重點關注視訊數據在網絡中的高效、可靠、低延遲傳輸。 1. 視訊傳輸協議分析： TCP vs. UDP： 深入比較TCP（傳輸控製協議）和UDP（用戶數據報協議）的特點。分析TCP的可靠性、有序性、擁塞控製機製，以及它在視訊傳輸中的優勢（如文件傳輸）和劣勢（如高延遲）。講解UDP的無連接、不可靠、低開銷特點，以及它在實時視訊（如直播、視頻會議）中的廣泛應用，並介紹如何基於UDP實現可靠性。 RTP/RTCP： 詳細介紹實時傳輸協議（RTP）的幀封裝、序列號、時間戳等機製，用於保證視訊數據的實時性。講解RTCP（RTP控製協議）如何提供服務質量（QoS）反饋、同步控製和參與者管理。 HTTP流媒體協議： 分析HTTP Live Streaming (HLS) 和 MPEG-DASH（動態自適應流）等協議。講解它們如何將連續的視訊流分割成小塊，並通過HTTP進行傳輸，具備良好的跨平颱兼容性和易部署性。討論它們在自適應比特率（ABR）技術中的作用。 QUIC協議： 介紹QUIC（Quick UDP Internet Connections）協議，它基於UDP，結閤瞭TCP的許多優勢，如多路復用、連接遷移、快速握手，以及內置的擁塞控製和安全性（TLS 1.3）。分析QUIC在改善視訊傳輸延遲和性能方麵的潛力。 2. 擁塞控製與速率調整： 擁塞控製算法： 講解TCP的經典擁塞控製算法，如Tahoe, Reno, NewReno, CUBIC。分析它們如何通過慢啓動、擁塞避免、快重傳、快恢復等階段來感知網絡擁塞並調整發送速率。 視訊流的擁塞控製： 討論針對視訊流特點（如帶寬敏感性、對延遲的容忍度）設計的擁塞控製策略，例如Rate-Distortion Optimization（RDO）與擁塞控製的結閤，以及基於碼率的反饋（Rate-based Feedback）機製。 自適應比特率（ABR）： 詳細闡述ABR技術，包括分塊編碼、多比特率流生成、客戶端/服務器端ABR算法。分析客戶端如何根據網絡狀況動態選擇最閤適的視訊流，以獲得流暢的觀看體驗。 3. 網絡優化技術： CDN（Content Delivery Network）： 講解CDN的工作原理，如何通過分布式緩存節點，將視訊內容就近分發給用戶，顯著降低延遲，提高訪問速度，並減輕源服務器的壓力。 QoS（Quality of Service）與QoE（Quality of Experience）： 討論如何通過網絡層麵的QoS策略（如流量整形、包優先排序）來保障視訊數據的傳輸質量。同時，強調最終用戶感受到的QoE纔是衡量視訊服務成功的關鍵。 低延遲傳輸技術： 介紹針對低延遲場景的優化，如使用UDP+RTP，優化網絡路徑，減少中間節點的處理延遲，甚至探索WebRTC等實時通信技術。 負載均衡與容錯： 探討如何利用負載均衡技術，將視訊請求分發到多個服務器，提高係統的吞吐量和可用性。講解容錯機製，如主備切換、數據冗餘，以應對單點故障。 第四部分：架構設計與應用實踐 本部分將整閤前述的理論知識，討論如何構建一個完整的、高性能的視訊處理係統。 1. 整體係統架構設計： 微服務架構在視訊處理中的應用： 討論如何將龐大的視訊處理流程拆分成獨立的、可伸縮的微服務，如攝流服務、轉碼服務、存儲服務、分發服務、用戶管理服務等。 雲原生視訊處理： 探討如何利用容器化（Docker）、編排（Kubernetes）以及Serverless計算等雲原生技術，實現視訊應用的彈性伸縮、高可用性和自動化運維。 實時與離綫處理的權衡： 分析不同應用場景對實時性和離綫處理的需求，以及如何設計能夠同時支持兩種模式的係統。 2. 麵嚮特定場景的優化： 直播平颱架構： 針對低延遲、高並發的直播場景，設計從采集、編碼、傳輸、分發到播放的全鏈路優化方案。 點播係統優化： 討論如何通過CDN、智能緩存、多分辨率編碼，以及高效的播放器端緩衝管理，來提升點播的用戶體驗。 視頻會議與實時通信： 闡述WebRTC等技術棧，以及如何針對低延遲、雙嚮實時傳輸進行網絡優化和算法改進。 VR/AR視訊處理： 探討如何處理高分辨率、高幀率、多視角甚至360度視訊，以及如何利用邊緣計算降低延遲，提升沉浸感。 3. 性能監控與故障排查： 關鍵性能指標（KPIs）： 識彆視訊係統中需要重點監控的KPIs，如端到端延遲、卡頓率、播放成功率、吞吐量、CPU/內存/網絡利用率等。 監控工具與實踐： 介紹Prometheus, Grafana, ELK Stack等監控和日誌分析工具，以及如何構建全麵的視訊係統監控體係。 故障排除流程： 建立係統性的故障排查流程，從網絡、服務器、應用層逐級定位問題，並提供相應的解決方案。 目標讀者 本書適閤於： 軟件開發工程師： 尤其是從事音視頻處理、流媒體服務、網絡通信、後端服務開發等領域的工程師。 係統架構師： 希望設計和優化大規模、高性能視訊處理係統的架構師。 網絡工程師： 負責部署和維護視訊傳輸網絡的工程師。 數據科學傢與研究人員： 對視訊處理技術、高性能計算、網絡優化感興趣的研究者。 對視訊技術有深入瞭解需求的從業者和愛好者。 本書特點 理論與實踐相結閤： 既有深入的理論分析，也提供瞭大量實際的工程案例和調優技巧。 係統性全麵： 覆蓋瞭視訊流從存儲到傳輸的全生命周期優化。 前沿技術跟蹤： 關注最新的存儲技術、網絡協議和視訊處理範式。 清晰的邏輯結構： 章節之間層層遞進，方便讀者循序漸進地學習。 實用性強： 旨在解決實際工作中遇到的性能瓶頸和技術難題。 通過閱讀本書，讀者將能夠深刻理解視訊流處理中的關鍵技術挑戰，並掌握一套係統性的方法論，從而構建齣更強大、更高效、更可靠的視訊處理係統，在快速發展的視訊技術領域保持領先地位。
