基于3G網(wǎng)絡(luò)的高清晰度流媒體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)分析

余 偶

同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院，上海 201804

從中國內(nèi)地發(fā)放3G牌照以來，各家通信服務(wù)商紛紛推出3G服務(wù)，3G的普及率在中國逐月上升。有業(yè)內(nèi)人士大膽預(yù)測，在兩年以內(nèi)3G將占手機(jī)市場的九成以上。與此同時(shí)，作為3G的特色服務(wù)，移動流媒體勢必將成為各個(gè)商家追逐最大利潤的主戰(zhàn)場。但就目前的市場上來看，似乎沒有一款軟件能真正的達(dá)到高清晰的流媒體點(diǎn)播。 不是碼率明顯偏低，視頻分辨率不高，就是延遲現(xiàn)象嚴(yán)重，圖像馬賽克情況嚴(yán)重。那么導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)狀的主要原因是什么？

1 帶寬

雖然3G的到來給人們帶來了高速上網(wǎng)的可能，但是面對視頻流媒體，特別是高清流媒體動輒幾兆甚至幾十兆比特每秒的碼率來說，3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。表1是目前中國三大3G網(wǎng)絡(luò)提供商的3G網(wǎng)絡(luò)性能對比。圖中的數(shù)據(jù)僅僅只是理論情況下的最大值，在實(shí)際應(yīng)用上，由于建筑物的遮蔽，和目前3G通信塔覆蓋不完全，速度將大打折扣，有門戶網(wǎng)站的測試結(jié)果表明，使用3種網(wǎng)絡(luò)的平均下載速度在80KB/s～150 KB/s（1B/s=8bit/s）之間。另外，以上的結(jié)果都是以手機(jī)靜止不動為前提的，在移動的情況下，網(wǎng)絡(luò)速度會進(jìn)一步的減慢。

表1 中國目前三大3G網(wǎng)絡(luò)提供商的理論網(wǎng)速

與目前的3G帶寬相對比，播放一部H264/AVC編碼的標(biāo)清電影所需要的帶寬至少為5Mbps，相當(dāng)于需要至少600KB/s的下載速度，就算將其分辨率降至640*360，也需要150KB/s的下載速度，這對目前仍不穩(wěn)定的3G網(wǎng)絡(luò)來說是十分困難的。 相比與歐美發(fā)達(dá)國家，以及日本韓國這些無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的國家，中國的3G網(wǎng)絡(luò)還相當(dāng)?shù)牟怀墒欤獙?shí)現(xiàn)真正的高速上網(wǎng)還有一段路要走，因此目前各運(yùn)營商的當(dāng)務(wù)之急是加強(qiáng)基站的建設(shè)，提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面和穩(wěn)定性，只有這樣才能從根本上解決問題。

2 壓縮編碼

目前的3G網(wǎng)絡(luò)帶寬無法滿足高清晰度的流媒體傳輸，那么除了加大網(wǎng)絡(luò)帶寬（勢必需要大量的資金投入），另外一個(gè)更為可行的方法是對視頻進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮。

H.264/AVC作為新一代的高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，在相同的比特率下，視頻效果是原先其他編碼技術(shù)的兩倍以上。具有視頻體積小，視頻質(zhì)量高的特點(diǎn)。并且該編碼技術(shù)新增網(wǎng)絡(luò)抽取層（NetworkAbstraction Layer），使其更方便于制作網(wǎng)絡(luò)流媒體。因此，該技術(shù)最適合于3G移動多媒體的應(yīng)用。然而，由于技術(shù)的優(yōu)秀壓縮性能是以犧牲算法復(fù)雜度為代價(jià)了，而普通的3G手機(jī)的CPU和內(nèi)存均無法與主流計(jì)算機(jī)相比，并且受到功耗，發(fā)熱量的限制，因此無法勝任如此復(fù)雜的編解碼計(jì)算。解決這個(gè)問題的方法是在現(xiàn)有的H.264/AVC視頻壓縮技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，使其盡可能的在不降低視頻質(zhì)量的前提下，對其復(fù)雜的算法進(jìn)行精簡，或者對其關(guān)鍵參數(shù)（QP，幀率等）進(jìn)行合理設(shè)定，使其能夠在現(xiàn)有的手持終端設(shè)備上流暢的運(yùn)行。

3 無線信道

相對于有線傳輸信道，無線信道的環(huán)境要惡劣得多，因信道質(zhì)量、流量控制機(jī)制而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟包、誤碼率要高得多。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感，稍有丟包現(xiàn)象，視頻就可能產(chǎn)生大量馬賽克，甚至掉幀。除此之外，無線信道的傳輸速率不穩(wěn)定，可能由于基站設(shè)置或是障礙物遮蔽問題而造成傳輸速度時(shí)快時(shí)慢。

為了減少無線信道中的丟包現(xiàn)象，可以引入擁塞機(jī)制，對于流媒體來講，擁塞機(jī)制的主要實(shí)現(xiàn)方式是傳送速率控制。保證以一定的速率傳送和接受數(shù)據(jù)包，如果在途中有丟包發(fā)生，那么擁塞機(jī)制會開始作用，丟失的包會進(jìn)行重傳。當(dāng)然在信道非常不理想，丟包現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，頻繁的進(jìn)行重傳，勢必會影響視頻的流暢性。因此我們還必須引入差錯(cuò)機(jī)制。

差錯(cuò)機(jī)制是一種根據(jù)視頻前后幀的相關(guān)性來對丟失幀進(jìn)行重構(gòu)的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，他能降低發(fā)送端的工作強(qiáng)度，不需要發(fā)送端進(jìn)行大量的發(fā)包監(jiān)控和丟包重發(fā)的工作。當(dāng)然這種方法也有他的缺點(diǎn)，他會給終端的解碼工作帶來負(fù)擔(dān)，對于本來就能力不強(qiáng)的手機(jī)設(shè)備來說，這種額外的負(fù)擔(dān)可能是這些終端設(shè)備所承受不了的。另外當(dāng)丟包大量發(fā)生時(shí)，作為重構(gòu)依據(jù)的關(guān)鍵幀也可能發(fā)生丟失，重構(gòu)的工作也可能就此失敗。

還有一種解決方法是采用容錯(cuò)編碼，具體的來說，就是編碼器在編碼過程中隊(duì)視頻文件進(jìn)行了特殊處理。在視頻文件中加入再同步點(diǎn)，可逆變長編碼，數(shù)據(jù)遷移，應(yīng)用幀，以此來減小丟失同步信息的影響。對于關(guān)鍵幀錯(cuò)誤，導(dǎo)致后續(xù)的幀受其影響，可以采用對每幀，特別是關(guān)鍵幀的一部分進(jìn)行獨(dú)立編碼，這樣可以避免后續(xù)的幀受前幀丟失關(guān)鍵信息而受其影響。

對于無線信道傳輸速度不穩(wěn)定的問題，我們可以采取可擴(kuò)展編碼技術(shù)，這種技術(shù)可以提高編碼輸出流對網(wǎng)絡(luò)帶寬動態(tài)變化的適應(yīng)能力。可擴(kuò)展編碼就是將整個(gè)流媒體數(shù)據(jù)分成多個(gè)不同的碼流，其中之一是基本層碼流，它可以單獨(dú)被解碼，形成基本的視頻圖像。其他的碼流不能單獨(dú)被解碼，而只能和基本碼流一起同時(shí)被解碼，他的作用是增強(qiáng)基本碼流的顯示效果，被稱為增強(qiáng)層碼流。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號不好的時(shí)候，手機(jī)終端設(shè)備只進(jìn)行基本層碼流的解碼，當(dāng)信號良好的情況下，手機(jī)將對一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)層碼流進(jìn)行解碼，只要網(wǎng)絡(luò)條件允許，所有的碼流都將被解碼，以獲得最好的顯示效果。

[1]楊宗凱，彭杰，余江.實(shí)時(shí)視頻通信中的自適應(yīng)前向糾錯(cuò)方案設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2007(8).

[2]陳穎.視頻編碼技術(shù)的流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸適應(yīng)性[J].福建信息技術(shù)教育，2007(4).

[3]李文潔.H.264碼率控制的研究與實(shí)現(xiàn)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2010(12).