随着互联网技术与基础设施的不断发展,通过网络进行高清流媒体直播，在商品导购、景区推介、小型赛事直播等领域的应用需求日益增加。但现有商用模块或实验系统，在高清实时流媒体支持、图像质量保证、网络传输性能、交互体验等方面均存在不足。因此设计、实现与优化具有高兼容性、高实时性、高鲁棒性、良好交互性的高清实时流媒体直播系统具有较高的理论研究意义与实际应用价值。本文针对实时流媒体直播中面临的挑战与不足展开研究，设计实现了支持高清实时流媒体采集、交互控制、多级传输、解码播放的完整高清实时流媒体直播系统，并对图像质量保障、网络传输性能等关键技术进行优化。本文主要工作如下：（1）设计、实现了高清实时流媒体直播系统。系统支持以高清IP摄像机作为直播输入，大幅提升直播图像质量，简化采集设备部署过程并支持远程交互控制。系统的流媒体服务器采用分布式、类CDN（content delivery network）的数据传输模式，使流媒体直播数据的传输有效适配终端用户网络环境，提升直播质量，降低直播延迟。（2）基于FFmpeg解码开发库设计、实现直播终端。直播终端具有较强的可扩展性与可移植性，并可作为网页插件进行部署。同时，在直播终端中设计了数据接收的多级缓冲与音、视频同步机制，优化直播质量。（3）为最优化直播系统在较差网络环境下的图像质量，论文针对H.264/AVC与H.264/SVC流媒体传输，提出基于图像失真估算的数据包传输优先级排序算法与选择性自动重传机制（ARQ，automatic repeatrequest）。（4）为降低大规模直播应用中流媒体服务器上行带宽需求，同时保证直播系统的良好交互性，论文设计、实现了基于P2P与类CDN技术的混合流媒体分发机制。仿真试验表明，论文提出的数据优先级排序算法与选择性ARQ机制，能显著提升传输图像质量，相比于已有算法，平均图像质量提升为2至3dB。同时，提出的P2P与类CDN相结合的流媒体分发机制，在大规模应用场景下，能降低服务器90%以上的上行带宽，并保证交互应用的较低直播时延。