王鈺博　王剛　翟曉寧　劉亞卓

摘 要：伴隨著快速發(fā)展的網絡通信技術與多媒體技術，基于IP的視頻系統(tǒng)開始取代話音通信成為人們進行視頻會議的重要方式，它可以對文件、聲音和圖像等進行實時傳送，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)實際上就是一種人們用來交流的協(xié)作工具，它不但可以實時傳輸，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)展狀況以及相關標準，并在此基礎上介紹了IP視頻系統(tǒng)所采用的關鍵技術和在互聯網會議中的應用。

關鍵詞：IP網絡 視頻系統(tǒng) 視頻壓縮 擁塞控制

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0040-02

迅猛發(fā)展的網絡通信技術與多媒體技術，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網絡的視頻系統(tǒng)，第一類系統(tǒng)的覆蓋范圍比較小，第二類系統(tǒng)的業(yè)務質量不高，而基于IP網絡的視頻會議系統(tǒng)是一個非常有前途的發(fā)展方向，原因是它可以支持實時業(yè)務功能，并提供不同帶寬。伴隨著Internet網絡在全球的快速發(fā)展，IP應用必定成為發(fā)展趨勢[1]。

但是，具備“流”特性的視頻會議業(yè)務需要較多的帶寬資源，且需要長時間占用，而Internet網絡暫時還不能保證長時間內為其提供足夠的帶寬，另外，基于IP網絡的實時通信也不能提供QoS保證，所以，基于IP的視頻會議系統(tǒng)研究的關鍵就在于如何在當前的Internet環(huán)境下對視頻會議業(yè)務的質量進行更好的保證。

1 IP網絡應用于視頻系統(tǒng)中的關鍵技術

IP視頻系統(tǒng)的質量高低關鍵在于視頻流能否在Internet網絡中進行實時可靠的傳輸。實時視頻流在進行傳輸時，對網絡帶寬、數據包丟失、數據傳輸時延方面都有著嚴格的要求，而如今的通信網還不能保證每時每刻為媒體流提供足夠的帶寬，也不能保證服務質量Qos，所以，若要提高視頻的質量，必須為視頻流提供最小帶寬的保證；并在一定范圍內完成各個數據包的到達時延，以此來保證視頻流的連續(xù)性；嚴格限制數據包的丟失率，實現視頻的完整傳輸。而這些功能的實現需要更多技術支持。在視頻會議應用中，基于IP網絡的視頻系統(tǒng)關鍵技術包括合適的數據傳輸機制、視頻編碼、會議管理、擁塞控制等[2]。

1.1 視頻編碼

視頻會議系統(tǒng)中所有功能實現的基礎是視頻編碼。當前國際上廣泛應用的兩大視頻編碼標準是H.26X系列和MPEG-X系列。H.26X系列的編碼標準是屬于低比特率的，包括H.261、H.263、H.263+等，它們的圖像質量比較低。其中，H.263標準強調系統(tǒng)的實時性，這對于基于IP的視頻會議系統(tǒng)來說是至關重要的。人們通過對運動估算和快速DCT算法的詳細研究，提出了與之對應的快速算法，目的就是提高H.263標準的編碼速度。運動估計是系統(tǒng)能否實現數據實時傳輸的關鍵，因為它的運算量比其它任何一個模塊的運算量都要大，所以必須有效的縮短其計算時間，而TSS三步搜索算法就做到了這一點。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點的DFT來實現8點的DCT變換。相對于H.263的實時性，H.263+更注重對不同終端的需求的適應，在該標準中，需要對視頻信息進行分層編碼，以此來獲得各個層面的多速率的視頻序列。在MPEG-X系列中，MPEG-1與MPEG-2的質量較好，只是比特率較高。MPEG-7標準是在2000年所推出的，通過它可以對各類媒體信息進行描述，并對媒體對象按自由文本、內容、屬性、綜合信息、N維時空結構或者統(tǒng)計信息進行檢索，被叫作“多媒體內容描述器”。所以，該標準在廣播媒體和數字圖書館中獲得了廣泛的應用。

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

1.2 傳輸與控制

足夠的網絡帶寬、多點通信、實時通信、數據同步等是實現視頻會議的重要保障。視頻會議的實現主要有兩種技術路線，一種是使用WDM、ATM等新型網絡通信技術，來實現支持視頻會議的寬帶多媒體網絡；另一種是在已有網絡環(huán)境下，擴展其網絡協(xié)議功能使其盡可能的滿足視頻會議系統(tǒng)的傳輸要求。（1）實時傳輸協(xié)議：與傳輸控制協(xié)議TCP相比，用戶數據報協(xié)議UDP的傳輸速度較快，但是傳輸不可靠，即沒有相應的服務質量Qos保證機制。RTP（多媒體實時傳輸協(xié)議）是一種面向應用的網絡傳輸協(xié)議，支持多點會議，并提供了具備實時特征的端到端傳輸服務，包括序列號、傳輸控制、負載類型標識等。RTP通常是在UDP上運行的，所遵循的原則是“應用層分幀，集成層處理”。（2）通訊方式：基于IP網絡的視頻會議系統(tǒng)中，傳輸多媒體數據的方式有單播和多播。單播建立的是點對點的連接，即單個發(fā)送端和單個接收端之間的連接。多播建立的是點對多的連接，即一個發(fā)送端可以與多個接收端進行連接，而且發(fā)送端發(fā)出的數據包可以被所有接收端同時收到，這樣就大大地提高了網絡帶寬資源的利用率。雖然我國互聯網暫時還不支持多播通信，但是可利用RTP的轉換器對多播功能進行模擬或者利用路由器的隧道功能對多播網絡進行構造[4]。

1.3 會議管理

一個完整的視頻會議，通常是由多人參與的，長時間的交流。可以有多種的會議形式，可有會議主題或無會議主題，有會議主持或無會議主持，參加會議人員可以動態(tài)變化。這種動態(tài)變化通常會造成傳輸路徑的動態(tài)變化，會議管理面臨的問題就是如何協(xié)調好各個部分間的工作，以及如何滿足動態(tài)變化的需求等。會議管理模塊需要對會議全過程進行管理，比如：視頻會議的開始與結束、會議支持、視頻會議主題和會議文檔的自動生成管理、節(jié)點的加入與退出、以及發(fā)言權管理。針對集中式視頻會議，可以通過多點控制單元MCU來對會議管理進行實現，與會人員的所有行為都要獲得MCU的確認后方可執(zhí)行，包括加入會議、發(fā)言、退出會議等。而分布式視頻會議管理模型中，所有端節(jié)點上都有各自的會議管理器，通過它，與會人員可以自由加入會議或者退出，也可以自由發(fā)言。該會議管理模型尚不成熟，需要制定統(tǒng)一的標準。endprint

1.4 擁塞控制

在分組交換網絡中，網絡資源可以被所有的源節(jié)點所共享，有效地提高了網絡帶寬的利用率。但是伴隨著不斷增加的源數目，就會加大網絡業(yè)務流的突發(fā)性和不可預知性，從而導致網絡擁塞。在視頻會議系統(tǒng)中，控制網絡擁塞的機制主要有速率控制機制、速率整形機制以及自適應速率視頻編碼[5]。而UDP采用的是基于速率的流量控制方式，以此來實現TCP流的公平性和網絡擁塞控制。在該方式中，需要從網絡中獲得一些反饋信息，并根據AIMD（加性增加乘性減少）擁塞控制算法來實現網絡擁塞的控制。速率整形機制只是經過平滑用戶數據分組的突發(fā)性來降低網絡擁塞的機會。速率控制機制需要控制發(fā)送端的發(fā)送速率，而自適應速率視頻編碼機制中需要對編程器端的輸出速率進行調整，以此來實現擁塞控制。

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

2 IP網絡在視頻系統(tǒng)中的應用研究

IP視頻會議系統(tǒng)主要有兩部分組成，一是節(jié)點機，二是通信網絡。視頻會議節(jié)點機通常包括：音/視頻文件的獲取設備與回放設備，視頻會議功能模塊、通信接口卡和媒體編解碼器；而通信網絡主要指具有實時多點傳輸功能的網關和信道。一個完整的基于IP的視頻會議系統(tǒng)一般包括六大模塊，主要內容如下：

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

（2）視頻會議管理模塊，通過該模塊可以對視頻會議及其過程進行管理，實現會議的發(fā)起、會話的建立、參會人員的管理和視頻會議的結束等。

（3）信息處理模塊，該模塊的主要功能是實現音/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，通過該模塊可以對共享空間進行管理，以及實現電子白板與應用過程的共享。

（5）視頻會議文檔管理模塊，該模塊的主要功能是實現與會議文檔有關的操作，包括文檔的自動生成、文檔查詢和管理等，以及實現與數據庫的連接。

（6）傳輸與控制部件，包括點-點、多點通信模塊，擁塞控制以及服務質量（Qos）處理模塊。

3 結語

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

參考文獻

[1] 曾帥，李樂民，廖丹.一種基于視頻轉碼與IP組播的媒體推送系統(tǒng)設計[J].計算機應用研究，2013，30（2）：521-524.

[2] 涂銳.流媒體技術及其在IP網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].企業(yè)技術開發(fā)， 2011（4）：16-17.

[3] 田宇.基于IP網絡視頻會議系統(tǒng)QOS技術方案的研究[J].河南科技，2013（2）.

[4] 周圓，侯春萍，金志剛.面向IP網絡的多視點立體視頻的實時容錯傳輸[J].天津大學學報，2012（7）.

[5] 毛年勝，卓力.基于H.264SVC的IP網絡視頻傳輸系統(tǒng)的實現[J].測控技術，2010，29（5）：5-8.endprint