CN1238498A - 因特网卷积音频/视频服务器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一个用于在因特网上进行视频和音频分发的系统。因特网卷积音频/视频服务器(ICAVS)是作为一个代理因特网服务器，用于为客户机在万维网上进行视频和音频的搜索。它以一种依据客户机系统和通信限制的定制的格式来传送视频和音频信息，并且执行Web爬行，视频高速缓存，和格式转换(在必要时)。代理服务功能降低了在客户机系统上对于以多种形式访问视频或音频的要求，此外也降低了对服务器的存储要求和Interner带宽。

Description

因特网卷积音频/视频服务器
本发明涉及一个用于在通信网上传送音频和视频的系统。
在万维网(WWW)上可用的视频信息的数量正在大大增加。对于许多应用(例如远程学习)这为视频的传播提供了良好的机会，但同时下面几个问题也阻止了对这种资源广泛的访问：
为了观看这些视频片段，一个客户端的系统必须具有大量的存储容量和高带宽来通过公用的因特网访问服务器。
除了在办公室环境中，大多数客户机(在家中使用个人计算机)的系统资源都很有限的，特别是系统存储器(RAM)，磁盘存储空间，处理器速度，和通信带宽(被28.8Kbps调制解调器或是高级用户所使用的56Kbps的调制解调器所限定)。
在观看因特网上可得到的视频时，客户机可以选择在观看之前将该视频文件下载到它本地的存储器，或是在视频“流”过因特网时进行观看。视频下载具有太慢的缺点使得其不能被使用。例如，位速率为4Mbps的一个四分钟的MPEG-2视频剪辑(占30M比特)使用一个28.8Kbps的调制解调器下载需要两个多小时的时间。视频下载的一个附加缺点是它会带来未经授权发布版权资料的问题。
现在所使用的视频流技术也没有解决带宽限制的问题。例如MPEG1流，要求1.5Mbps或更高的带宽，但是以现在的技术在因特网上仍不能连续提供这个带宽。这些带宽的限定会导致很小的视频显示的质量也很差。
本发明(因特网卷积音频/视频服务器，ICAVS)是一个代理服务器，与已存在的因特网(或企业内部互联网)相连接，用于向网络客户机分发视频和音频资料。这个代理服务器，如下所述，具有特征为即使在上述困难的情况下也能够方便地访问因特网上的视频，并且在客户机系统能力的基础上定制视频传送。
在本技术中代理服务器的概念是已知的，传送为客户机所定制的内容的概念一样也是已知的。也已设计了代理例如[1]，用于提高通过使用压缩与过滤技术，和压缩，由客户机进行的Web访问。USP5,678,041中描述了一种代理服务器，该服务器具有控制对另人反感的资料，包括视频访问的功能。
在IBM US专利申请SN08/854,227和SN08/854,225中描述了定制视频和其它内容的例子，两个申请都是P.Capek在1997年5月9日所申请的，在其中向用户发送了定制的程序资料。例如，在描述观众兴趣的一个简介的基础上，定制观众通过一个视频程序所观看的(视频)商业节目。相反，本发明定制了发送给用户的视频的格式和带宽，这是基于用户系统的能力和网络状态。
另外一个公开教导存储视频信息的IBM US专利是1994年8月23日所申请的SN8/694,673，名称为“在广域网上根据需要提供多媒体信息的半导体基础服务器”。该后一个申请教导在一个特殊的存储器装置中存储处理过的视频包以接下来通过请求客户机进行传输。
USP5,673,205描述了一种视频数据服务器，它能监视客户机的能力，并如果有必要和在必要时代替视频发送静止帧。USP5,668,948描述了一种视频服务器，它传送预存储的内容(即不涉及Web爬行)并仅仅将数字格式转换为模拟格式(即NTSC或PAL格式)。USP5,657,461描述了与一种不涉及格式转换的一个服务器(不是一个代理)的用户接口。
因此需要一种音频和视频分发系统，它能够响应于客户机和网络能力，提供自动的在线视频格式和位速率定制，用于以多种格式存储音频和视频数据，用于在与客户机对话过程中确定客户机和网络能力，并且最终在一个通信对话中向一个发出请求的客户机发送解码能力。
参考文献[2]描述了一种视频数据服务器，它监视客户机的能力，并如果必要和在必要时代替视频发送静止帧。USP5,668,948描述了一种视频服务器，它传送预存储的内容(即不涉及Web爬行)并仅仅将数字格式转换为模拟格式(即NTSC或PAL格式)。USP5,657,461描述了一种与不涉及格式转换的一个服务器(不是一个代理)的用户接口。
因特网卷积音频/视频服务器(ICAVS)使得客户机(使用任何Web浏览器)能够以不同的视频编码格式和位速率访问各种服务器的视频或音频资料。确定并提供适合于个人客户机的视频或音频格式和位速率。ICAVS能够为一个特定的用户或是一群用户(如果必要)定制具有细的粒度的视频或音频的位速率(例如14.2kbps的位速率的一个AVI格式视频)。
ICAVS使用Web爬行者技术来收集Web信息(Web页和它们相关的数据，音频和视频文件)并在本地高速缓存该信息以快速响应而不是从不同的Web地址访问内容，用户通过访问ICAVS来获取对多个Web地址内容的访问。
以两种格式将视频资源存储在ICAVS中：原始格式(从原始服务器下载下来时的格式)和一种“最普遍格式”(MCF)复制。应该注意同一视频在ICAVS中可能有多个原始复制，这是因为可能从不同的UPL和以不同的格式获取一个视频。对于减少的带宽的发布，MCF复制往往是一个低位速率的复制。低位速率复制是由ICAVS系统使用一个视频格式转换程序来产生的。例如，最普遍的是使用一个28.8Kbps的调制解调器来访问ICAVS，可能将一个视频文件以它的原始格式，并且是作为一个20Kbps低位速率的视频复制存储起来。
当正在建立一个客户机对话时，服务器通过下载到客户机一个软件模块来确定客户机的特性，该软件软件模块返回客户机的能力。如果必要，可以将一套软件下载到用户的系统，包括必要的驱动和其它用于观看给定格式的视频的程序。
在对话建立期间，也能够确定服务器-客户机网络的特性，在视频传输的整个过程中也可能监控到该特性。一种算法管理如何维护和更新特性。然后将这个信息存储在一个客户机信息数据库中以备将来使用。
当客户机登录一个URL进行信息访问时，ICAVS确定在前一次下载中是否已经将这个URL存储在本地(即“高速缓存命中”)。因为ICAVS在搜索音频/视频(和其它)内容时不停的在Web上“蠕动”，并且将它高速缓存，所以高速缓存命中的可能性很高。如果是这种情况，立即从ICAVS返回Web内容。
当所请求的内容是一个视频的时候，由于客户机在它们的视频观看能力上各不相同，ICAVS选择适合于客户机系统的格式(如果已经预存储)或以这种格式生成一个复制。这意味着将执行实时压缩(再编码和/或位速率换算)，如果有必要，不但提供视频流，而且还依据ICAVS和客户机系统之间可获得的带宽，提供最好质量的视频。
如果在前一个下载中没有将所请求的URL的Web页存储在ICAVS上(即“高速缓存未命中”)，那么为用户获得Web页并将其存储在ICAVS中以备其它的用户使用。对于音频或视频请求，执行实时的音频/视频格式转换，如果有必要，依据用户可获得的带宽，生成一个音频或视频文件以进行流动。将音频/视频文件以它的原始形式和转换后的新格式，即MCF复制，存储在ICAVS中以备将来的使用。
经过一定的时间，当其他的用户请求这个音频/视频时，ICAVS系统依据系统对用户带宽有效利用率的统计确定用一种不同格式的复制来代替MCF复制。
图1表示的是因特网卷积音频/视频服务器系统的结构。该图也表示了ICAVS的组件之间必要的互连。
图2表示的是所请求的内容从连接到ICAVS客户机发送的控制流程图。
下面是对ICAVS的每个结构组件的功能描述。
音频/视频文件服务器集合体7
这个组件是在ICAVS中存储的所有音频/视频内容的存储库。典型的情况下，这是通过一个磁盘阵列来实现，包括冗余，并且由一个文件系统来进行管理。音频/视频文件服务器是由音频/视频数据管理器6来管理的。
音频/视频数据管理器6
作为音频/视频文件服务器集合体的数据库管理器，这个组件从ICAVS的Web服务器前端8接收音频或视频数据URL，并且与对话管理器10相协商以获得客户机带宽参数。然后它返回对流向ICAVS的Web服务器前端的视频进行描述的信息(称为“元数据”)以初始化客户机的ICAVS浏览器13。音频/视频数据管理器组件是一个软件组件，是由在ICAVS的主机处理器上执行的代码来实现的。
下面的由音频/视频数据管理器所处理的情况有可能发生：
存在着一个高速缓存命中和本地存储的视频的视频格式满足客户机的带宽限制。从音频/视频文件服务器集合体7拉出相应的音频或视频文件并且传递到流式信息量定速器9以进行流式视频传送。
存在着一个高速缓存命中，但视频格式不满足带宽限制。然后将音频/视频文件提供给音频/视频格式转换服务器3，然后将它的输出发送到流式业务量定速器9以进行传送。同时将这个输出存储在音频/视频文件服务器集合体以备将来使用。
存在着一个高速缓存未命中。音频/视频数据管理器6请求定位器2从因特网获得视频数据，并且如果所请求的音频视频文件格式满足客户机的带宽限制，那么将它的数据提供给流式信息量定速器9直接进行传送(并且提供给音频/视频文件服务器集合体7进行高速缓存)。
如果原始的音频或视频格式不能满足带宽限定，将音频/视频数据提供给音频/视频格式转换服务器3直接进行转换。再次将转换后的音频/视频数据的输出提供给流式业务量定速器和音频/视频文件服务器集合体。将音频/视频格式转换服务器的输入(即原始格式的音频或视频)也存储起来。
依据系统设计，能够生成最经常被请求的视频(或音频)流式格式的复制并且将其存储在音频/视频文件服务器集合体中。
非音频/视频数据管理器5
一旦接收到一个来自ICAVS Web服务器8的非音频/视频URL请求，对于以前在Web页数据库4中所收集的Web页，这个组件作为一个高速缓存管理器工作。非音频/视频数据管理器组件是一个软件组件，是由在ICAVS的主机处理器上所执行的代码实现的。
它也是Web页数据库的数据库管理器。在高速缓存未命中的情况下，非音频/视频数据管理器请求定位器2(见下面)以从因特网上获取所请求的页并将它返回给服务器前端。在Web页数据库4中也保存一个本地复制以备将来使用。
音频/视频格式转换服务器3
这是一个高性能的音频/视频文件格式转换服务器，它最大的可能是以硬件来实现以满足实时的要求。与一个开关相连的一个硬件编码器和解码器阵列将实现这种转换。这种硬件编码器的例子是IBMMPEGSE10-30 MPEG-2编码器芯片集，C-Cube微系统CLM4500MPEG-1视频编码器和CLM4400 MPEG-2视频编码器。如果定时限制不是很严格，软件实现也是可能的。
Web客户机11
这个组件是客户机系统，它包括一个标准的Web浏览器12和一个ICAVS插件(最好是ICAVS浏览器13)用于客户机系统特性和流式视频观看。标准的Web浏览器包括微软公司Windows Explorer和Netscape公司的Navigator。
注意ICAVS所确定的系统特性信息不但包括通信信道，还包括CPU类型和速度，图形能力，存储器缓存大小等等。为了减小ICAVS对于实时服务的负担，如果客户机的系统能够支持这个格式，优选的ICAVS浏览器对应视频的MCF复制的格式，
ICAVS Web服务器8
ICAVS Web服务器是一个软件组件，是由在ICAVS的主机服务器上执行的代码来实现。作为一个使用HTTP协议的正常的Web服务器，这个组件应该被用做Web代理服务器以完全发挥使用它的优点。后端的Web服务器将音频/视频和非音频/视频URL相互区分开来，并且将前一个URL客户机请求传递到音频/视频数据管理器6并将后一个URL请求传递到非音频/视频数据管理器5(参看下面)。
Web服务器也调用一个对话管理器10与客户机相接触，目的是确定服务器和客户机系统之间的带宽参数和其它的客户机系统特性。
对话管理器10
当ICAVS第一次与客户机相接触的时候，这个组件从客户机系统搜集带宽信息，并且接下来如果客户机处于使用状态也定期进行搜集。这个组件是一个软件组件，是由在ICAVS的主机处理器上所执行的代码所实现的。
所搜集的数据包括ICAVS和客户机之间的带宽，客户机IP地址，客户机处理器类型，存储器缓存大小等等。将这个信息存储在客户机信息数据库14中，这个数据库是由对话管理器进行管理的。一旦请求，通话管理器向视频数据管理器提供带宽信息，以用于流式视频传送。
Web页数据库4
这个组件存储已经由Web爬行者1或定位器2下载的非音频/视频Web内容(参看下面)。典型的是，这由一个磁盘阵列来实现(包括冗余)，并是由在ICAVS的主机处理器上执行的一个数据库应用程序进行管理的。
客户机信息数据库14
这个组件存储特定客户机的信息(例如带宽参数，客户机系统能力，客户机浏览器类型等等)。在确定如何最好的适应一个客户机请求的时候，由对话管理器10对它进行访问。
典型的是，这由一个磁盘阵列来实现(包括冗余)，并且由在ICAVS的主机处理器上执行的一个数据库应用程序进行管理的。
Web爬行者1
这个组件不断的访问因特网以收集Web页和资源，由ICAVS进行高速缓存。ICAVS Web爬行者组件是一个软件组件，是由在ICAVS的主机处理器上执行的代码来实现的。
将具有非视频数据的Web资源传递给非音频/视频数据管理器5(和它们的URL一起)以在Web页数据库4将它们存储起来。将视频数据和它的URL一起传递给音频/视频数据管理器6，以在音频/视频文件服务器集合体7中进行进一步的处理和存储。
在ICAVS中可能实现一个音频/视频质量检测模块以确保高速缓存的视频或音频具有可接受的质量。所执行的检测在功能上与在播放之前由一个播放器，例如ActiveMovie，对多媒体文件所执行的检测相类似。
定位器2
定位器访问因特网以获取Web资源(像Web爬行者1)，但是在非音频/视频数据管理器5或是音频/视频数据管理器6请求时实时获取。当一个客户机请求在ICAVS上没有高速缓存的Web资源时这种情况通常就会发生。将获得的Web数据和它相应的URL返回到请求组件。
ICAVS定位器组件是一个软件组件，是由在ICAVS的主机处理器上执行的代码实现的。
流式信息量定速器9
对于所有的流式音频/视频服务器，这个组件调整音频/视频数据到网络的速度。它也从客户机接收像VCR一样的控制信号以操纵流式音频/视频数据。如果希望，也可以适应带宽的变化。
ICAVS流式信息量定速器是一个软件组件，是由在ICAVS的主机处理器上所执行的代码来实现的。
图2表示的是ICAVS操作的流程。在一个客户机与ICAVS15相连接之后，如果有必要，客户机和服务器之间网络的状态，在步骤17确定客户机系统的能力并且将它们存储在客户机信息数据库中14。
客户机，使用一个电子程序指南或其它装置，然后在步骤18请求访问音频，视频或其它内容中特定的项。如果在步骤已经请求了音频或视频内容，非音频/视频数据管理器5在步骤20在Web页数据库4中寻找这个内容。如果在步骤22在数据库中可以得到数据，Web服务器8在步骤24将它发送到客户机，如果没有，定位器2在步骤23获得它。
如果请求音频或视频内容，在步骤21音频/视频数据管理器6在音频/视频文件服务器集合体7中寻找这个内容。如果在步骤22中没有找到，在步骤33中定位器得到它。如果需要，在步骤26将一个浏览器(例如ICAVS浏览器13)发送到客户机。流式信息量定速器9然后在步骤27使音频或视频流向客户机。

Claims (13)

1．计算机系统中的一种方法，用于在一个服务器计算机系统和一个发出请求的客户计算机系统之间的一次通信对话中分发请求的内容数据，所述的方法包括：
a．确定所述的客户机计算机系统的特性；
b．确定从所述的服务器计算机系统到所述的客户机计算机系统之间的一条通信路径的特性；并且
c．自动的以一个位速率和以一种与所述的客户机计算机系统和所述的通信路径相兼容的格式将所述的内容数据从所述的服务器发送到所述的客户机计算机系统。
2．权利要求1中所述的方法，其中不断的确定所述的通信路径的所述特性并且动态改变所述的位速率以适应所述的通信路径的所述特性的变化。
3．权利要求1中所述的方法，还包括：
a．保持有关客户机最经常请求的内容数据和它的格式的状态信息；和
b．在一个高速缓存中存储以所述的格式存储后面所述的内容数据以备进一步进行分发。
4．一种方法，用于在一个服务器计算机系统和一个发出请求的计算机客户机系统之间的一次通信对话中分发请求的内容，所述的方法包括：
a．从所述的客户机系统的特性中为所述请求的内容数据的传输选择一种格式；
b．从所述的通信路径的特性中选择一个位速率来使用；
c．向所述的客户机计算机系统发送软件，该系统下载所述的软件使其能够以所述的选择的格式解码所述的内容数据。
d．以所述的选择的格式和所述的选择的位速率向所述的请求客户机发送所述的内容数据。
5．一个代理因特网服务器，用于向一个发出请求的客户机计算机系统发送内容数据，所述的服务器包括：
a．用于依据所述的客户机计算机系统的特性和到所述的客户机计算机系统的一条通信路径的特性，为向所述的客户机计算机系统的传输选择一种格式的装置；
b．依据所述的客户机和所述的通信路径的特性选择位速率的装置；和
c．以所述的格式和所述的位速率向所述的客户机计算机系统发送所述的内容数据的装置。
6．权利要求5中所述的代理因特网服务器，还包括用于向所述的客户机计算机系统发送软件的装置，该系统下载所述的软件使其能够以所述的选择的格式解码所述的内容数据。
7．权利要求1中所述的方法，其中所述的客户机计算机系统的所述特性是由所述的客户机计算机系统所下载的一个软件模块所决定的，所述的模块自动向所述的服务器返回它的特性。
8．权利要求5中所述的方法，其中所述的用于选择所述的格式的装置包括一个开关和一个与所述开关相连接的硬件编码器和解码器阵列。
9．权利要求1中所述的方法，其中如果所述的客户机或其它客户机曾经请求过所述的视频内容，那么所述的服务器以多种格式存储所述的视频内容。
10．权利要求9中所述的方法，其中所述格式中的一种是一种通用的格式，多个请求客户机都有可能使用它。
11．权利要求1中所述的方法，还包括在所述的服务器存储所述的请求的内容数据，以在以后有可能传送到一个请求客户机计算机系统。
12．权利要求1中所述的方法，其中如果所述的服务器没有存储所述的请求内容，所述的服务器从因特网搜索所述的请求的内容数据。
13．权利要求1中所述的一种方法，其中每次一个客户机请求后面所述的内容数据时，都将内容数据存储在一个高速缓存中。
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