基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

王鈺博　王剛　翟曉寧　劉亞卓

摘 要：伴隨著快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與多媒體技術(shù)，基于IP的視頻系統(tǒng)開(kāi)始取代話音通信成為人們進(jìn)行視頻會(huì)議的重要方式，它可以對(duì)文件、聲音和圖像等進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，使人們可以全方位感知，并以自然的方式溝通。IP視頻系統(tǒng)實(shí)際上就是一種人們用來(lái)交流的協(xié)作工具，它不但可以實(shí)時(shí)傳輸，而且具有協(xié)作性和分布性等特征，該文首先介紹了該系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上介紹了IP視頻系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)和在互聯(lián)網(wǎng)會(huì)議中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：IP網(wǎng)絡(luò) 視頻系統(tǒng) 視頻壓縮 擁塞控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（b）-0040-02

迅猛發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與多媒體技術(shù)，以及它們之間的完美融合，極大地改變著人們的交流方式。視頻系統(tǒng)主要有三種方式：基于LAN的視頻系統(tǒng)、基于PSTN的視頻系統(tǒng)、基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻系統(tǒng)，第一類(lèi)系統(tǒng)的覆蓋范圍比較小，第二類(lèi)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)質(zhì)量不高，而基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻會(huì)議系統(tǒng)是一個(gè)非常有前途的發(fā)展方向，原因是它可以支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)功能，并提供不同帶寬。伴隨著Internet網(wǎng)絡(luò)在全球的快速發(fā)展，IP應(yīng)用必定成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。

但是，具備“流”特性的視頻會(huì)議業(yè)務(wù)需要較多的帶寬資源，且需要長(zhǎng)時(shí)間占用，而Internet網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)還不能保證長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)為其提供足夠的帶寬，另外，基于IP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信也不能提供QoS保證，所以，基于IP的視頻會(huì)議系統(tǒng)研究的關(guān)鍵就在于如何在當(dāng)前的Internet環(huán)境下對(duì)視頻會(huì)議業(yè)務(wù)的質(zhì)量進(jìn)行更好的保證。

1 IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于視頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

IP視頻系統(tǒng)的質(zhì)量高低關(guān)鍵在于視頻流能否在Internet網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的傳輸。實(shí)時(shí)視頻流在進(jìn)行傳輸時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延方面都有著嚴(yán)格的要求，而如今的通信網(wǎng)還不能保證每時(shí)每刻為媒體流提供足夠的帶寬，也不能保證服務(wù)質(zhì)量Qos，所以，若要提高視頻的質(zhì)量，必須為視頻流提供最小帶寬的保證；并在一定范圍內(nèi)完成各個(gè)數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)延，以此來(lái)保證視頻流的連續(xù)性；嚴(yán)格限制數(shù)據(jù)包的丟失率，實(shí)現(xiàn)視頻的完整傳輸。而這些功能的實(shí)現(xiàn)需要更多技術(shù)支持。在視頻會(huì)議應(yīng)用中，基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括合適的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制、視頻編碼、會(huì)議管理、擁塞控制等[2]。

1.1 視頻編碼

視頻會(huì)議系統(tǒng)中所有功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是視頻編碼。當(dāng)前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的兩大視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是H.26X系列和MPEG-X系列。H.26X系列的編碼標(biāo)準(zhǔn)是屬于低比特率的，包括H.261、H.263、H.263+等，它們的圖像質(zhì)量比較低。其中，H.263標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這對(duì)于基于IP的視頻會(huì)議系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。人們通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)估算和快速DCT算法的詳細(xì)研究，提出了與之對(duì)應(yīng)的快速算法，目的就是提高H.263標(biāo)準(zhǔn)的編碼速度。運(yùn)動(dòng)估計(jì)是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)年P(guān)鍵，因?yàn)樗倪\(yùn)算量比其它任何一個(gè)模塊的運(yùn)算量都要大，所以必須有效的縮短其計(jì)算時(shí)間，而TSS三步搜索算法就做到了這一點(diǎn)。ANN算法是如今被人們廣泛使用的快速DCT算法，也就是使用16點(diǎn)的DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)8點(diǎn)的DCT變換。相對(duì)于H.263的實(shí)時(shí)性，H.263+更注重對(duì)不同終端的需求的適應(yīng)，在該標(biāo)準(zhǔn)中，需要對(duì)視頻信息進(jìn)行分層編碼，以此來(lái)獲得各個(gè)層面的多速率的視頻序列。在MPEG-X系列中，MPEG-1與MPEG-2的質(zhì)量較好，只是比特率較高。MPEG-7標(biāo)準(zhǔn)是在2000年所推出的，通過(guò)它可以對(duì)各類(lèi)媒體信息進(jìn)行描述，并對(duì)媒體對(duì)象按自由文本、內(nèi)容、屬性、綜合信息、N維時(shí)空結(jié)構(gòu)或者統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行檢索，被叫作“多媒體內(nèi)容描述器”。所以，該標(biāo)準(zhǔn)在廣播媒體和數(shù)字圖書(shū)館中獲得了廣泛的應(yīng)用。

為了獲得高質(zhì)量的視頻編碼，可以在變換編碼中引入小波技術(shù)。通過(guò)小波技術(shù)，可以把變換編碼（Transform coding）和子帶編碼技術(shù)（SBC，Sunband Coding）進(jìn)行完美結(jié)合，其處理過(guò)程為：首先利用十字卷積法把信號(hào)劃分為子帶樹(shù)的二進(jìn)制結(jié)構(gòu)，接著獨(dú)立部分分解，然后完成輸入信號(hào)的能量壓縮，最后利用熵編碼和量化將冗余信息去除。在相位空間內(nèi)的小波可以與自然圖像進(jìn)行完美匹配，所以，基于小波技術(shù)的變換編碼具有較高質(zhì)量的圖像，較低的幀率。在IP視頻會(huì)議系統(tǒng)中，為了使各接收端盡可能獲得高質(zhì)量的視頻，視頻編碼器所輸出的視頻流需要具備多級(jí)視頻質(zhì)量[3]。

1.2 傳輸與控制

足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬、多點(diǎn)通信、實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)同步等是實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議的重要保障。視頻會(huì)議的實(shí)現(xiàn)主要有兩種技術(shù)路線，一種是使用WDM、ATM等新型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)支持視頻會(huì)議的寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)；另一種是在已有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，擴(kuò)展其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能使其盡可能的滿足視頻會(huì)議系統(tǒng)的傳輸要求。（1）實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議：與傳輸控制協(xié)議TCP相比，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP的傳輸速度較快，但是傳輸不可靠，即沒(méi)有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量Qos保證機(jī)制。RTP（多媒體實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）是一種面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，支持多點(diǎn)會(huì)議，并提供了具備實(shí)時(shí)特征的端到端傳輸服務(wù)，包括序列號(hào)、傳輸控制、負(fù)載類(lèi)型標(biāo)識(shí)等。RTP通常是在UDP上運(yùn)行的，所遵循的原則是“應(yīng)用層分幀，集成層處理”。（2）通訊方式：基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻會(huì)議系統(tǒng)中，傳輸多媒體數(shù)據(jù)的方式有單播和多播。單播建立的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，即單個(gè)發(fā)送端和單個(gè)接收端之間的連接。多播建立的是點(diǎn)對(duì)多的連接，即一個(gè)發(fā)送端可以與多個(gè)接收端進(jìn)行連接，而且發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)包可以被所有接收端同時(shí)收到，這樣就大大地提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用率。雖然我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)暫時(shí)還不支持多播通信，但是可利用RTP的轉(zhuǎn)換器對(duì)多播功能進(jìn)行模擬或者利用路由器的隧道功能對(duì)多播網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)造[4]。

1.3 會(huì)議管理

一個(gè)完整的視頻會(huì)議，通常是由多人參與的，長(zhǎng)時(shí)間的交流。可以有多種的會(huì)議形式，可有會(huì)議主題或無(wú)會(huì)議主題，有會(huì)議主持或無(wú)會(huì)議主持，參加會(huì)議人員可以動(dòng)態(tài)變化。這種動(dòng)態(tài)變化通常會(huì)造成傳輸路徑的動(dòng)態(tài)變化，會(huì)議管理面臨的問(wèn)題就是如何協(xié)調(diào)好各個(gè)部分間的工作，以及如何滿足動(dòng)態(tài)變化的需求等。會(huì)議管理模塊需要對(duì)會(huì)議全過(guò)程進(jìn)行管理，比如：視頻會(huì)議的開(kāi)始與結(jié)束、會(huì)議支持、視頻會(huì)議主題和會(huì)議文檔的自動(dòng)生成管理、節(jié)點(diǎn)的加入與退出、以及發(fā)言權(quán)管理。針對(duì)集中式視頻會(huì)議，可以通過(guò)多點(diǎn)控制單元MCU來(lái)對(duì)會(huì)議管理進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，與會(huì)人員的所有行為都要獲得MCU的確認(rèn)后方可執(zhí)行，包括加入會(huì)議、發(fā)言、退出會(huì)議等。而分布式視頻會(huì)議管理模型中，所有端節(jié)點(diǎn)上都有各自的會(huì)議管理器，通過(guò)它，與會(huì)人員可以自由加入會(huì)議或者退出，也可以自由發(fā)言。該會(huì)議管理模型尚不成熟，需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。endprint

1.4 擁塞控制

在分組交換網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)資源可以被所有的源節(jié)點(diǎn)所共享，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。但是伴隨著不斷增加的源數(shù)目，就會(huì)加大網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的突發(fā)性和不可預(yù)知性，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。在視頻會(huì)議系統(tǒng)中，控制網(wǎng)絡(luò)擁塞的機(jī)制主要有速率控制機(jī)制、速率整形機(jī)制以及自適應(yīng)速率視頻編碼[5]。而UDP采用的是基于速率的流量控制方式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP流的公平性和網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。在該方式中，需要從網(wǎng)絡(luò)中獲得一些反饋信息，并根據(jù)AIMD（加性增加乘性減少）擁塞控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制。速率整形機(jī)制只是經(jīng)過(guò)平滑用戶數(shù)據(jù)分組的突發(fā)性來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的機(jī)會(huì)。速率控制機(jī)制需要控制發(fā)送端的發(fā)送速率，而自適應(yīng)速率視頻編碼機(jī)制中需要對(duì)編程器端的輸出速率進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)擁塞控制。

與單播情況不同，IP視頻組播通信在擁塞控制的同時(shí)，還要盡可能的減少對(duì)擁塞節(jié)點(diǎn)的影響。接收器報(bào)告的損耗率或其他信息給源節(jié)點(diǎn)，源端若只是簡(jiǎn)單地限制流量，就會(huì)造成其它未發(fā)生擁塞的節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量下降，從而處于“饑渴”狀態(tài)。因此，必須選擇合適的擁塞控制機(jī)制，既能做到網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制，還能最大程度的減少對(duì)擁塞節(jié)點(diǎn)的影響。

2 IP網(wǎng)絡(luò)在視頻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

IP視頻會(huì)議系統(tǒng)主要有兩部分組成，一是節(jié)點(diǎn)機(jī)，二是通信網(wǎng)絡(luò)。視頻會(huì)議節(jié)點(diǎn)機(jī)通常包括：音/視頻文件的獲取設(shè)備與回放設(shè)備，視頻會(huì)議功能模塊、通信接口卡和媒體編解碼器；而通信網(wǎng)絡(luò)主要指具有實(shí)時(shí)多點(diǎn)傳輸功能的網(wǎng)關(guān)和信道。一個(gè)完整的基于IP的視頻會(huì)議系統(tǒng)一般包括六大模塊，主要內(nèi)容如下：

（1）IP系統(tǒng)人際交互模塊，就是視頻會(huì)議系統(tǒng)接口，即人機(jī)界面；

（2）視頻會(huì)議管理模塊，通過(guò)該模塊可以對(duì)視頻會(huì)議及其過(guò)程進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)會(huì)議的發(fā)起、會(huì)話的建立、參會(huì)人員的管理和視頻會(huì)議的結(jié)束等。

（3）信息處理模塊，該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)音/視頻信息的處理，包括信息獲取、Codec編碼以及信息回放等。

（4）共享部件管理模塊，通過(guò)該模塊可以對(duì)共享空間進(jìn)行管理，以及實(shí)現(xiàn)電子白板與應(yīng)用過(guò)程的共享。

（5）視頻會(huì)議文檔管理模塊，該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)與會(huì)議文檔有關(guān)的操作，包括文檔的自動(dòng)生成、文檔查詢和管理等，以及實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。

（6）傳輸與控制部件，包括點(diǎn)-點(diǎn)、多點(diǎn)通信模塊，擁塞控制以及服務(wù)質(zhì)量（Qos）處理模塊。

3 結(jié)語(yǔ)

視頻會(huì)議發(fā)展到今天，用戶需求不斷變化，視頻會(huì)議正在成為一個(gè)集辦公管理、存儲(chǔ)、協(xié)作于一體的綜合信息系統(tǒng)。隨著視頻會(huì)議應(yīng)用的不斷深入，仍有很多問(wèn)題急待解決，比如：如何提供高品質(zhì)的視頻，如何支持大型會(huì)議，如何更有效地提高信道的利用率，如何解決傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)包丟失問(wèn)題等。但是，伴隨著多媒體技術(shù)和IP技術(shù)的不斷發(fā)展，IP視頻會(huì)議系統(tǒng)的應(yīng)用將擴(kuò)大至社會(huì)的所有行業(yè)，成為信息化溝通的重要方式，成為市場(chǎng)主流。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾帥，李樂(lè)民，廖丹.一種基于視頻轉(zhuǎn)碼與IP組播的媒體推送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，30（2）：521-524.

[2] 涂銳.流媒體技術(shù)及其在IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)， 2011（4）：16-17.

[3] 田宇.基于IP網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)QOS技術(shù)方案的研究[J].河南科技，2013（2）.

[4] 周圓，侯春萍，金志剛.面向IP網(wǎng)絡(luò)的多視點(diǎn)立體視頻的實(shí)時(shí)容錯(cuò)傳輸[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（7）.

[5] 毛年勝，卓力.基于H.264SVC的IP網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2010，29（5）：5-8.endprint