基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢(qián)敏 吳超 蔣浩

摘要：本文討論了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施的要點(diǎn)，包括HEVC視頻編碼、系統(tǒng)組建方法、預(yù)測(cè)模型、試驗(yàn)等幾個(gè)方面。通過(guò)預(yù)測(cè)模型，可以幫助會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員便捷地選擇清晰度、幀頻等參數(shù)，合理取舍峰值信噪比、時(shí)間節(jié)省率等重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);視頻會(huì)議;視頻編碼;預(yù)測(cè)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）35-0035-02

1 HEVC視頻編碼

2013年1月，ISO和JCT-VC組織設(shè)計(jì)了HEVC視頻編碼。該視頻編碼專(zhuān)門(mén)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可以匹配200kbps或400kbps的網(wǎng)速。該技術(shù)能夠降低代碼復(fù)雜度，減少時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)保持較高的視頻質(zhì)量。

針對(duì)不同的視頻會(huì)議服務(wù)場(chǎng)景，HEVC采用了三種不同的配置文件（profile），分別是廣播、移動(dòng)通訊以及視頻流。HEVC采用了塊分區(qū)結(jié)構(gòu)[1]、非固定塊長(zhǎng)度以及變換編碼等新技術(shù)。與H.264/MPEG-4相比，HEVC只需要不到一半的比特率[2]，能夠獲得同等的視頻會(huì)議效果。

HEVC引入了編碼樹(shù)單元（CTB）技術(shù)。CTB是對(duì)宏塊（MB）的繼承。它最大只能有64*64像素，同時(shí)可以分割為更小的編碼單元（CU）。CU最小是8*8像素，因此其最大深度是4。

變換編碼使用了一種被稱(chēng)為剩余四叉樹(shù)的技術(shù)，該技術(shù)把變換單元（TU）切分成更小的單元，每個(gè)單元的大小在4*4到32*32之間。一個(gè)2N*2N的CU至多可以使用深度是3的TU，大小為2N*2N，N*N或（N/2）*（N/2）。

HEVC編解碼的復(fù)雜性，同樣是一個(gè)研究的焦點(diǎn)[3]。類(lèi)似于H.264，HEVC使用了著名的率失真最優(yōu)化技術(shù)（RDO）。RDO評(píng)估所有CU、預(yù)測(cè)單元（PU）和TU的大小，得出最佳的優(yōu)化比率，形成CU-PU混合塊。這種方法提高了編碼器的計(jì)算復(fù)雜度，所以它在實(shí)時(shí)編碼設(shè)備，特別是移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用中，存在極大的限制。為了降低RDO的復(fù)雜性，一些學(xué)者提出了快速算法。這些算法主要的思路，是降低CB塊和PB塊的數(shù)量。Choi的研究提出了，基于SKIP探測(cè)技術(shù)的代碼樹(shù)修剪技術(shù)[4]。在理論上，如果SKIP模式是最優(yōu)的預(yù)測(cè)模式，那么不會(huì)找到更小的CB塊。該模式減少了42%的編碼時(shí)間。

2 會(huì)議系統(tǒng)搭建方法

2.1組建方法

高清視頻，是指640*360像素，需要400kbps的網(wǎng)速;標(biāo)準(zhǔn)視頻，是指400*300的像素，需要200kbps的網(wǎng)速。在本文的研究中，涵蓋了上述幾種常見(jiàn)的網(wǎng)速，包括100、200、300、400和600kbps。JCT-VC技術(shù)的發(fā)展，使低網(wǎng)速環(huán)境下，播放會(huì)議視頻成為可能。HEVC的視頻序列分級(jí)包含了C、D、E。

HM8.0是專(zhuān)門(mén)為HEVC設(shè)計(jì)的解碼器。它增加了CU和TU數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含CU模塊、LCU、CU深度，TU內(nèi)深度。所有的視頻序列和輸入變量組合如下：

-LCU：64*64，32*32以及16*16

-CU深度：4，3，2，1

-TU內(nèi)深度：3，2，1

一比特率：100，200，300，400和600kbps。

2.2預(yù)測(cè)模型

WEKA是一個(gè)用于視頻數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)的模塊。它能夠根據(jù)選定的數(shù)據(jù)模型，有效地從大量的數(shù)據(jù)集合中，挖掘出隱藏的信息。

WEKA針對(duì)表1的每一類(lèi)數(shù)據(jù)選定一個(gè)預(yù)測(cè)模型。通過(guò)這些模型，可以計(jì)算每一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的△PSNR（峰值信噪比）和時(shí)間節(jié)省率。WEKA的分析分類(lèi)工具，采用線(xiàn)性回歸的算法選定預(yù)測(cè)模型。該模型不限定數(shù)據(jù)的屬性，所以可以接納各類(lèi)數(shù)據(jù)。這些屬性包括分辨率、比特率、LCU、CU長(zhǎng)度以及CU內(nèi)長(zhǎng)度等。

3 試驗(yàn)分析

3.1數(shù)據(jù)分析

△PSNR表示峰值信噪比，該數(shù)值越大，表示視頻的清晰度越高。時(shí)間節(jié)省率，與視頻數(shù)據(jù)的解析速度有關(guān)，數(shù)值越高，視頻越流暢。這兩個(gè)指標(biāo)，通常存在這種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。

現(xiàn)在選擇兩個(gè)典型點(diǎn)，分別記為甲和乙。甲的△PSNR值為-0.01，時(shí)間節(jié)省率是23%。乙的△PSNR值是-1，時(shí)間節(jié)省率是47%。C、D、E、AII四類(lèi)視頻序列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息如下。

表2表示了△PSNR和時(shí)間節(jié)省率的平均值。其中，假設(shè)“64/4/3”數(shù)據(jù)點(diǎn)的△PSNR為OdB，時(shí)間節(jié)省率是0%。其他點(diǎn)的數(shù)據(jù)是以該點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而得到的。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)時(shí)間節(jié)省率影響較大的是LCU和CU深度。

3.2預(yù)測(cè)模型分析

如表2所示，不同的分辨率增加了預(yù)測(cè)模型的分析難度。WEKA的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，可以間接地解決數(shù)據(jù)集的處理問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得出公式如下：

WEKA得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比，△PSNR的差別不超過(guò)0.61dB。時(shí)間節(jié)省率的差別不超過(guò)2.4%。這表明WEKA的預(yù)測(cè)效果是非常好的。值得一提的，在設(shè)計(jì)者使用WEKA的過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)的方式，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用這種包含預(yù)測(cè)模塊的軟件，諸如WEKA等，可以有效預(yù)估移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下視頻會(huì)議系統(tǒng)的峰值信噪比和時(shí)間節(jié)省率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)評(píng)估的數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶(hù)和使用環(huán)境（如帶寬），綜合地評(píng)估視頻質(zhì)量和帶寬的關(guān)系，靈活地選擇部署方案。試驗(yàn)表明，這種分析模型在對(duì)待包含預(yù)處理幀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，有較為優(yōu)異的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kim I K，Min J，Lee T，et al.Block Partitioning Structurein the HEVC Standard[J].IEEE Transactions on Circuits andSystems for Video Technology，2013，22（12）：1697-1706.

[2]Ohm J R，Sullivan G J，Schwarz H，et al.Comparison of theCoding Efficiency of Video Coding Standards-Including HighEfficiency Video Coding（HEVC）[J].IEEE Transactions on Cir-cuits&Systems for Video Technology，2013，22（12）：1669-1684.

[3]Correa G，Assuncao P，Agostini L，et al.Complexity control ofhigh efficiency video encoders for power-constrained devices[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2012，57（4）：1866-1874.

[4]Choi K，Jang E S.Fast coding unit decision method Based oncoding tree pruning for high efficiency video coding[J].OpticalEngineering，2012，51（3）：030502.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2019-08-20

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)敏（1978-），女，江蘇人，碩士，主要從事視頻系統(tǒng)組織規(guī)劃、工程建設(shè);吳超（1987-），女，安徽人，本科，主要從事視頻系統(tǒng)維護(hù)、圖像信息整編;蔣浩（1997-），高中，主要從事視頻系統(tǒng)維護(hù)。