機動環(huán)境下的視頻會議通信質(zhì)量保障

曹 瑩

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

聯(lián)合編隊（包括抗洪搶險編隊、消防救援編隊、應(yīng)急救援空中編隊、漁政巡航編隊、亞丁灣護航編隊等）因具備靈活性、協(xié)同性、臨時組建等特點，是目前面對突發(fā)事件和機動應(yīng)急處置時的主要任務(wù)協(xié)同方式。如果應(yīng)急事故或災(zāi)難處理時動中通通信車因自然地理條件的限制無法靠近事故現(xiàn)場，則由單兵編隊完成現(xiàn)場動態(tài)圖像的采集，再將圖像傳給動中通通信車[1]。編隊間的視頻會議協(xié)同基本采用機動無線通信方式開展，主要包括衛(wèi)星通信、mesh自組網(wǎng)通信、寬帶超短波通信、4G/5G通信等無線通信手段。編隊視頻會議系統(tǒng)組網(wǎng)示意如圖1所示，基于典型的星樹結(jié)合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證了編隊成員、編隊與上級之間的聯(lián)系更加緊密，協(xié)同工作的效率也得到了很大程度上的提高[2]。

圖1 編隊視頻會議系統(tǒng)組網(wǎng)示意

1 無線通信環(huán)境的影響

無線通信環(huán)境并不能保證用戶每時每刻獲得如同有線網(wǎng)絡(luò)那樣的環(huán)境，編隊視頻會議通信因各編隊成員的通信位置、通信環(huán)境、通信距離以及運行速度等都會隨著執(zhí)行任務(wù)的變化而動態(tài)變化[3]。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性、異域性、動態(tài)性與不可控性對視頻信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸造成不可低估的影響，普遍存在數(shù)據(jù)丟包、傳輸延時、品質(zhì)降低等隱患，嚴(yán)重影響了機動環(huán)境下的視頻會議通信質(zhì)量，主要因素包括以下幾點。

1.1 帶寬影響

視頻流的正常傳輸需要足夠的帶寬來保證，當(dāng)傳輸允許帶寬低于視頻的碼流速率時，傳輸?shù)囊曨l圖像質(zhì)量將無法保證。無線通信網(wǎng)絡(luò)上承載有多種視頻、語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具體包括指揮調(diào)度、即時通信、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、文件傳輸?shù)榷喾N應(yīng)用模式，不同應(yīng)用模式的數(shù)據(jù)流量和突發(fā)性也有差別，導(dǎo)致視頻會議業(yè)務(wù)的可占用帶寬不平穩(wěn)[4]。

1.2 時延影響

一般時延由多種因素影響，包括處理時延、傳輸時延以及分發(fā)時延等。音視頻會議設(shè)備進行編解碼以及同步處理產(chǎn)生的時延相對固定，而通信網(wǎng)絡(luò)時延最不可控，主要取決于鏈路情況、環(huán)境情況以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫蛩?，對承載的業(yè)務(wù)延時影響較大[5]。媒體業(yè)務(wù)對通信的實時性要求極高，一般認(rèn)為如果時延超過300 ms，那么通話雙方交互的過程中便能明顯感覺到停頓，影響互動體驗。

1.3 抖動影響

由于接收緩存的作用，幅度不大的抖動對視頻的播放影響不大，但如果經(jīng)過線路傳輸后碼流抖動大，并超過設(shè)備的承受范圍時，就會引起視頻播放不穩(wěn)定，甚至解碼器進行丟棄導(dǎo)致丟包，從而影響音視頻的質(zhì)量。

1.4 丟包影響

在無線網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)擁堵而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)包丟失將會影響視頻通信質(zhì)量。例如，部分視頻出現(xiàn)馬賽克，圖像產(chǎn)生花屏或不連續(xù)、聲音斷續(xù)不清晰等，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致會議中斷。

2 視頻會議的質(zhì)量控制

對高實時性要求的視頻會議來說，無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定會極大地影響通信質(zhì)量和視頻會議效果。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況采取處理的措施，在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)條件下實現(xiàn)多方視頻會議的質(zhì)量保障。

2.1 關(guān)鍵幀平滑處理

視頻的編碼是按照“組”來進行，每一個組叫作GOP，如圖2所示。GOP與GOP之間沒有聯(lián)系，編碼關(guān)系只在GOP之間產(chǎn)生。每一個GOP都是由關(guān)鍵幀（也叫作I幀）開始的，I幀是一幅完整的畫面。GOP中間的幀都不完整，需要由I幀、前面幀以及后面幀等一起運算得到[6]。

圖2 典型的GOP結(jié)構(gòu)圖

原始視頻經(jīng)過視頻壓縮編碼后如圖3所示，I幀數(shù)據(jù)量較大，占用瞬時網(wǎng)絡(luò)帶寬較大。針對I幀在GOP內(nèi)的重要作用，在網(wǎng)絡(luò)傳輸時需對I幀的傳輸進行管理控制，設(shè)計時在編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸會對I幀進行專門的保護。

圖3 未平滑處理的原始視頻數(shù)據(jù)占用情況

關(guān)鍵幀平滑處理流程如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵幀平滑處理流程

以往有多種方法可以改善碼流的平滑，如最小化碼率變化次數(shù)、最小化發(fā)送碼流變化率、離線碼率平滑的自適應(yīng)分段以及離線平滑算法等[7]。文獻(xiàn)[8]中也提出了一種采用SP幀的平滑碼流方法，該方法使用SP幀代替I幀，可以在不引入延時的情況下對碼流起到很好的平滑效果。

碼流平滑的基本原理是在碼率較高的情況下進行緩存，碼率較低時發(fā)送之前的緩存，從而起到碼流平滑的效果。如圖4所示，編碼后的視頻流在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送前先進入網(wǎng)絡(luò)傳輸緩存器，CPU對編碼后的視頻流進行I幀識別，系統(tǒng)對I幀進行打包的平滑處理，平滑處理后的視頻數(shù)據(jù)如圖5所示。并對I幀進行包內(nèi)容冗余校驗，最后對平滑后的視頻流和冗余校驗碼統(tǒng)一打包傳輸。

圖5 平滑處理后的視頻數(shù)據(jù)占用情況

2.2 碼率控制

視頻流傳輸中碼率控制的目標(biāo)是在保證壓縮視頻質(zhì)量的前提下，控制編碼器輸出的碼率以適應(yīng)信道帶寬的變化，從而在壓縮率與編碼質(zhì)量這二者間達(dá)到一個最佳平衡[3]。對于視頻內(nèi)容變化的場景，圖像質(zhì)量穩(wěn)定，編碼碼率會波動；編碼碼率穩(wěn)定，圖像質(zhì)量會波動。因此如果不進行碼率控制，視頻的碼率會變化劇烈，不可控制，影響視頻的傳輸。

圖6是對一段40 s的視頻采用固定量化參數(shù)（也就是沒有碼率控制）編碼后的瞬時碼率分布?？梢钥吹?，碼率在5 000 kb/s上下波動很大，這不利于視頻的傳輸。通常不同的碼率控制方法對應(yīng)于不同的場景，根據(jù)實際應(yīng)用采取最為合適的碼率控制方法，以使產(chǎn)生的比特流符合各種應(yīng)用的需求。

圖6 無碼率控制的視頻碼率情況

典型的編碼流程包括了圖像的編碼、碼流的輸出等過程。如圖7所示，碼率控制器按照一定的碼率控制機制對編碼器的關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，控制編碼器輸出碼率的高低，從而達(dá)到輸出碼率與傳輸信道允許碼率相匹配的目的。

圖7 碼率控制的基本原理

碼率控制屬于受限條件下的優(yōu)化問題，即在碼率R和編碼緩沖區(qū)B的約束下選擇合適的量化參數(shù)。通過構(gòu)建拉格朗日代價函數(shù)J，可以根據(jù)率失真模型尋找碼率和失真的最優(yōu)平衡點，相關(guān)公式為：

式中：λ是拉格朗日系數(shù)，根據(jù)編碼情況進行自適應(yīng)調(diào)整；D是最小化編碼失真。

圖8是與圖6相同的一段40 s的視頻，采用了碼率控制，可以看到它的碼率比上面小很多，碼率波動比圖6小，實現(xiàn)了低帶寬下視頻流的連續(xù)傳播。

圖8 定碼率控制的視頻碼率情況

2.3 丟包重傳

數(shù)據(jù)丟包重傳是通過重傳數(shù)據(jù)包來執(zhí)行糾錯的功能算法。常規(guī)的丟包重傳機制有多種實現(xiàn)方法，其中典型的有以下3種。一是停止等待重傳。數(shù)據(jù)發(fā)送后，發(fā)送端需要等待接收端回復(fù)確認(rèn)，發(fā)送端收到接收端確認(rèn)前處于等待狀態(tài)，收到確認(rèn)后再進行后續(xù)數(shù)據(jù)的發(fā)送。二是退回N步重傳。發(fā)送端在沒有收到接收端重傳請求的情況下，持續(xù)不斷地進行數(shù)據(jù)發(fā)送，直到收到接收端對于某個數(shù)據(jù)包的重傳請求后，發(fā)送端重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，并且該重傳數(shù)據(jù)包后面的數(shù)據(jù)包都要重新再傳送。三是選擇性重傳。發(fā)送端持續(xù)對發(fā)送數(shù)據(jù)進行傳送，不需要等待接收端的確認(rèn)信息，如果接收到接收方的重傳請求，只對需重傳的數(shù)據(jù)包進行重傳，其他數(shù)據(jù)包不用重傳。

前兩種重傳機制效率相對低下，會影響到系統(tǒng)的使用效果，第三種重傳機制效率會比較高，可以有效地實現(xiàn)在誤碼和丟包網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下良好的視頻通信傳輸。

選擇性重傳在實際應(yīng)用中需要考慮實時性，系統(tǒng)需要評估重傳數(shù)據(jù)包到達(dá)的時間（一般用RTT倍數(shù)表示），如果預(yù)期到達(dá)時間在用戶容忍效果內(nèi)，則可以進行重傳，但如果超過系統(tǒng)用戶的容忍時間，則就要放棄重傳。

圖9展示了選擇性重傳機制的實時策略：（1）發(fā)送端按照約定的通信規(guī)則發(fā)送數(shù)據(jù)包1、數(shù)據(jù)包2以及數(shù)據(jù)包3；（2）如果數(shù)據(jù)包2丟失，則系統(tǒng)根據(jù)可冗余時間判斷可以接收兩次重傳；（3）接收端通過約定信道請求重傳；（4）發(fā)送端進行重傳后，又收到接收端數(shù)據(jù)包2重傳請求；（5）接收端收到數(shù)據(jù)包2重傳請求；（6）發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)包2，接收端接收成功；（7）接收端把數(shù)據(jù)包1、數(shù)據(jù)包2以及數(shù)據(jù)包3排序，傳送給下個流程；（8）傳輸中，如果超過兩次重傳不成功，系統(tǒng)就停止重傳。

圖9 選擇性重傳機制的實時策略

選擇性重傳下的丟包重傳，系統(tǒng)只用傳輸重要的數(shù)據(jù)包，并且會兼顧傳輸準(zhǔn)確性和傳輸時效性，不會增加太多的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)壓力，也不會增加太多的傳輸時延，能夠有效實現(xiàn)在一定誤碼和丟包環(huán)境下的媒體通信效果。

2.4 差錯控制

為了適應(yīng)丟包和誤碼嚴(yán)重的無線網(wǎng)絡(luò)，需具有良好的抗丟包性能和抗誤碼性能[9]。前向糾錯是解決丟包重傳問題的有效方法，其核心是通過冗余數(shù)據(jù)段降低重傳的概率[10]。

碼流差錯控制是在音視頻碼流的基礎(chǔ)上，通過一定的算法模型，適度增加冗余糾錯信息，通信各方統(tǒng)一按照相應(yīng)的算法進行冗余編碼和解碼糾錯，達(dá)成傳輸過程中誤碼恢復(fù)、丟包恢復(fù)的效果，實現(xiàn)相對良好的音視頻碼流傳輸效果。碼流差錯控制的主要算法體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）原始數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)算法進行冗余校驗，并把校驗信息生成少量的數(shù)據(jù)包，原始數(shù)據(jù)結(jié)合冗余校驗信息一起傳輸，接收端收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包后，通過冗余校驗數(shù)據(jù)包可以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)誤碼或丟失的數(shù)據(jù)包。

（2）原始音視頻信息前后數(shù)據(jù)有一定的一致性和不同性，軟件通過一定的耦合算法對前后數(shù)據(jù)個性化的特征值進行特別標(biāo)注記憶。接收方收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)相應(yīng)的前后關(guān)聯(lián)信息和個性化特征值，對相應(yīng)的誤碼和丟失的數(shù)據(jù)進行糾錯恢復(fù)。

下面通過一個示例展示碼流差錯控制的過程。如圖10所示，系統(tǒng)通過RS(12，10)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸格式進行冗余碼流差錯控制，即每10個數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)通過算法產(chǎn)生兩個冗余數(shù)據(jù)包。

圖10 丟包恢復(fù)

對方接收到12個數(shù)據(jù)包后，由于網(wǎng)絡(luò)的原因，出現(xiàn)第一串?dāng)?shù)據(jù)包里面0、5、8數(shù)據(jù)包有誤碼或丟包，第二串?dāng)?shù)據(jù)中13、18數(shù)據(jù)包有誤碼或丟包。接收方按照一定的碼流差錯控制算法，結(jié)合前面10個數(shù)據(jù)包的信息，對11和12的校驗冗余數(shù)據(jù)包進行綜合校驗算法，可以有效恢復(fù)相應(yīng)誤碼或丟包的數(shù)據(jù)。

3 實測效果

采用視頻服務(wù)質(zhì)量保障與無視頻保障處理的試驗結(jié)果如表1所示。測試驗證表明，采用視頻服務(wù)質(zhì)量保障處理后，在5%～30%的丟包率下均可明顯提升視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，使原本出現(xiàn)馬賽克、會議中斷或畫面卡死的視頻信息也可正常應(yīng)用。

表1 無視頻保障處理與視頻服務(wù)質(zhì)量保障對比

4 結(jié) 論

采用上述關(guān)鍵幀平滑處理、丟包選擇性重傳、前向糾錯等綜合視頻服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)丟包率達(dá)30%的環(huán)境下仍可保障視頻流暢；采用智能碼率控制技術(shù)，可動態(tài)調(diào)整視信碼流帶寬，保證良好的音視頻體驗。視頻服務(wù)質(zhì)量保障等方法適合于機動編隊環(huán)境下的視頻會議應(yīng)用，對提升低帶寬和高丟包環(huán)境下的視頻會議通信質(zhì)量具有實際意義。