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關于數字視頻通信
2009/8/26

    在過去20年里,在用戶需求的推動下,視頻技術獲得了突飛猛進的發展,從廣播電視、家用錄像系統的普及,逐步過渡到基于數字視頻技術的應用。通?梢詫底忠曨l應用分為實時應用和非實時應用,前者包括電視節目(現場直播)和基于Internet 的流視頻(Steaming Video)的實時傳輸播放,后者包括各種本地存儲視頻的播放,如DVD。涉及數字視頻通信的技術包括視頻壓縮/解壓、各種網絡傳輸協議,同時還包括視頻服務器操作系統、應用層QoS、媒體同步機制等。在本文中我們將首先討論視頻壓縮技術,然后討論視頻通信技術,包括數字電視和基于ATM和SDL技術與MPGE-2視頻的傳輸,我們的重點將放在基于Internet的視頻流應用。另外,伴隨蜂窩移動通信技術的發展,蜂窩移動視頻傳輸也逐漸成為可能,我們也將簡單介紹這方面的發展。

  一 數字視頻壓縮

  SMPTE(運動圖像和電視工程師協會)和IEEE開發和管理非壓縮的數字視頻標準。這些標準包括:PAL、NTSC和SECAM標準分辨率的電視廣播用數字視頻標準CCIR-601;傳輸CCIR-601的SMPTE 259M;傳輸HDTV的SMPTE 292M。為了利用廉價的低比特率鏈路進行數字視頻信號傳輸,或者存儲數字形式的現場視頻,必須對原始數字視頻信號進行高效的壓縮編碼。

  1 數字視頻通信對編碼器的要求

  由于應用領域的差別,對視頻編碼器有不同的要求,共同的基本要求是:算法復雜度要盡可能小、算法處理的時間盡可能短、性價比盡可能高。綜合不同的應用,這些要求可以分為:

  (1)為了獲得可以接受的視覺質量,視頻編碼器對帶寬的要求要盡可能的;

  (2)對實時視頻流通信,必須提供有界的端到端時延,以便視頻分組可以及時到達解碼器解碼和顯示;

  (3)對于Internet帶寬動態變化和蜂窩移動通信信道特性隨機變化的通信網絡,分組丟失不可避免,視頻編碼器應當能夠處理分組的丟失;

  (4)有些裝置要求較低的能量消耗,如蜂窩移動電話,這些裝置上的解碼器應當簡單;

  (5)有些應用要求提供VCR一樣的功能,如暫停、快退等,視頻編解碼器應當提供這些功能。

  2 視頻編碼器基本結構

  目前有很多高效的壓縮算法投入實際應用。這些標準大多采用了基于運動補償結合變換的壓縮方案。

  輸入的視頻幀首先經過空間域預處理器(Temporal Pre-processor),它主要決定是否應當對該幀編碼,檢測場景分界(Scene Cuts),選擇預測模型(單向或雙向)等。運動估計引擎(Motion Estimation Engine)負責在由空時預測濾波器(Spatio-Temporal Prediction Filter)生成的場中進行RD約束的基于塊的運動搜索。用作運動補償的塊的大小在不同的標準中定義不一,從4×4到16×16像素。同樣,從簡單的1/2像素精確的雙線空域內插到復雜的空時濾波技術,預測濾波器的實現也變化很大。運動估計后的剩余部分進行能量壓縮的正交變換。對于這類變換,大多數標準的視頻編碼器都采用了8×8的DCT核。變換后的系數經過量化并送入無損統計編碼器。為了與解碼器保持同步,編碼器復制了部分解壓環(Loop),即反量化、反變換、運動補償引擎和自適應去塊濾波器(Adaptive Deblocking Filter)。為了將輸出的比特率控制在確定的范圍內,采用速率控制算法選擇量化步長,同時提供空域預處理器和運動補償引擎的輸入信息。

  上述運動補償混合編碼器沒有考慮編碼速率的可伸縮性(Scalability),只能生成單速率的編碼視頻流,僅適用于在點對點的穩定信道上傳輸,而不能滿足其他通信方式的需要,如組播(Multicast)和多接入的通信。為了擴展其應用范圍,人們提出了很多特殊的可伸縮模式(Scalability Mode)?缮炜s的視頻編碼器將原始視頻流劃分成多個子流(Sbustream),其中一個壓縮子流是基本子流(Base Substream),基本壓縮子流可以獨立解碼以提供粗糙的視覺質量,或者是較小的圖像尺寸和較低視頻幀刷新率。其他壓縮子流是增強子流,增強子流只能和基本子流一起解碼,但可以提供更好的質量。所有完整的子流可以提供最高的視覺質量。為了靈活適應不同接入鏈路帶寬和時延的要求,針對MPEG-4提出了一種新的可伸縮編碼機制,稱為FGS(Fine Granularity Scalability)。一個FGS編碼器將原始視頻序列壓縮成兩個子流,即基本層比特流和增強層比特流。一種FGS的變體是PFGS(Progressive FGS)。PFGS可能有多個增強層,從而具有更精細的比特率步長伸縮性和更好的誤碼彈性(Resilience)。   

    3 視頻壓縮標準

  視頻編碼標準主要由ITU-T和ISO/IEC開發。前者已經發布了視頻會議標準H.261、 H.262、 H.263,并且準備進行遠期編碼標準H.263L的開發,以期望獲得更大的編碼效率。ISO/IEC的標準系列是大家熟悉的MPEG家族。包括:

  (1)MPEG-1(1988~1992),可以提供最高達1.5Mbps的數字視頻,只支持逐行掃描;

  (2)MPEG-2(1990~1994),支持的帶寬范圍從2Mbps到超過20Mbps,MPEG-2后向兼容MPEG-1,但增加了對隔行掃描的支持,并有更大的伸縮性和靈活性;

  (3)MPEG-4(1994~1998),支持逐行掃描和隔行掃描,是基于視頻對象的編碼標準,通過對象識別提供了空間的可伸縮性;

  (4)MPEG-7(1996~2000),是多媒體內容描述接口,與前述標準集中在音頻/視頻內容的編碼和表示不同,它集中在對多媒體內容的描述。   除了上述通用標準外,還存在很多專用格式,比較流行的有:C-Cube的M-JPEG、Intel的IVI(tm)(Indeo Video Interactive)、Apple的QuickTime(tm)、Microsoft的 Media Player(tm)和RealNetworks的RealPlayer(tm)。
 二 數字視頻傳輸

  根據承載網絡的變化和視頻服務的區別,可以將數字視頻的傳輸分為四類:數字電視、寬帶視頻通信、Internet視頻流通信、蜂窩移動視頻通信。

  雖然這四種通信體系下對視頻通信的協議和服務有不同的要求,但對于實時應用下述幾點是必須滿足的:(1)傳輸必須限制在一定時限內完成;(2)必須對端到端的抖動建議限制;(3)必須有相應的同步機制;(4)在分組網絡中應當有較高的優先級。

  1 數字電視廣播

  歐洲走在了全球DVB開發最前面,將其采納為數字電視DTV的標準;在美國,ATSC采用了HDTV;在亞太地區,日本采用了基于DVB和ATSC的ISDB-T,澳大利亞采用了DVB,韓國則采用了ATSC標準,我國也在制定數字電視的標準,并進行了現場試驗。下面我們以歐洲的DTV標準為主分別介紹DTV系統規范和傳輸技術。

  a.DTV系統規范

  根據傳輸系統的不同,DTV系統分為三類:陸基系統 DTV-T、衛星系統 DTV-S、有線系統 DTV-C。這三類DTV系統雖然各有不同,但也有公共的特性,MPEG-2視頻和音頻編碼系統是所有DTV系統的基礎。系統采用MPEG-2將數據壓縮并組裝成分組,稱為凈荷。對凈荷采用Reed-Solomon前向糾錯編碼,降低信號傳輸中引入的誤碼。

  衛星系統采用單載波信號,采用外部編碼的同時,內部加入了打孔卷積編碼,從而又增加了一層誤碼糾錯能力,根據帶寬的變化和采用的特定設備,編碼數據是可調整的,信號采用QPSK方式調制。

  陸基系統聯合使用碼正交頻分復用 COFDM或者QPSK或QAM進行射頻調制,采用了和衛星系統相似的打孔卷積編碼。

  有線系統采用了QAM調制方案,不需要附加的內部編碼來降低誤碼,系統優化采用64-QAM。

  b. DTV系統傳輸結構

  DTV系統廣播和接收的基本結構由三個子系統構成:

  (1)信源編碼和壓縮子系統,通過ADC接受模擬視頻和音頻信號并將其轉換成數字比特流,然后通過MPEG-2進行壓縮,并加入控制和輔助數據;

  (2)服務復用和傳遞子系統,復用將視頻和音頻及輔助數據流聯合構成長188字節的分組,并加上標記,分組構成單個數據流,采用MPEG-2傳遞系統語法控制這些復用任務;

  (3)傳輸子系統,包括對復用數據流的信道編碼和調制。

  2 寬帶視頻通信

  這里討論的寬帶視頻通信主要是指基于寬帶核心網絡和寬帶接入技術的MPEG-2視頻通信。為了滿足實時視頻通信對帶寬的需求,核心網絡通常采用寬帶光纖網絡,可以是ATM或者基于MPLS的寬帶IP與ATM的結合,最后一公里的寬帶接入的方法有光纖到戶、光纖到樓雙絞線到戶及ADSL,最近也提出了寬帶無線接入技術。通常,來自多個鏈路的數據業務在數字用戶線路接入復用器(DSLAM)匯總。DSLAM將ATM業務路由到家中的ADSL接收器單元,同時,濾掉低頻段的舊電話業務POTS 。在MPEG-2視頻的情形下,ATM邊界設備減輕信元的時延抖動的能力至關重要。ATM必須應付數據傳輸的需要并提供管理每個視頻流的功能,特別要滿足按序提取視頻分組的要求。為了補償網絡傳輸延時,ATM網絡邊界設備必須精心設計以處理MPEG交換和抖動管理。本地MPEG-2視頻流通過數字視頻廣播異步串行接口傳輸。ATM邊界設備將MPEG-2多節目傳輸流(MPTS)或單節目傳輸流(SPTS)拆解到節目層并最終到分組標記(PID)層。在PID層,不同的節目流可以重新排序并復用進另外的MPTS。在ATM邊界接收端,另外的邊界設備管理ATM信元流,并重構SPTS或MPTS。本地的服務分布網絡負責在本地的UTP網絡分發視頻內容。功能強大的MPEG-2壓縮算法結合智能的ATM邊界設備允許最后接入利用DSL技術作為視頻分發的接入機制。

    3 Internet流視頻通信

  通過Internet的視頻回放包括兩種方式:非流(Non-Streami-ng)和流(Streaming)視頻。非流視頻下載整個視頻文件,然后由客戶端的回放軟件播放,不需要平滑分組流的定時功能,時延也不是問題。流視頻通信通常包括現場視頻廣播(Live Braodcasting)與點播(On-Demand) 流視頻兩種情形,需要視頻實時傳輸。下面,我們主要考慮Internet流視頻的兩種傳輸模式。

  a.現場視頻分發(Distribution of Live Video)

  現場視頻源信息輸入編碼器。編碼視頻引擎負責捕獲、數字化輸入的模擬視頻信息,經過壓縮后將數據送入服務器。同時,服務器也可以接收來自SLTA(Simulated Live Transfer Agent)的信息,SLTA讀取預先編碼的視頻文檔將其送入服務器。服務器負責將來自編碼器的壓縮信息分發到所有相連分裂器(Splitter)和/或加入廣播的客戶(Clients)。分裂器和附加的服務器可以是專用傳輸網絡的一部分,或者是嵌入網絡的業務緩存。最簡單的情形是服務器或分裂器利用單向數據流(聯合雙向RSTP會晤控制)將編碼視頻信息分別單播(Unicast)到每個客戶。在這種情形下,服務器和每個客戶間的連接參數在每次會晤一開始進行估計,并能在廣播中進行對稱監視。當網絡中有允許組播(Multicast)的路由器時,服務器僅需要發送一路組播流,這一路視頻流可以自動復制到網絡中所有定購用戶。組播最重要的限制是單向傳輸和信息非保證的傳遞。而且,服務器通常不知道有多少客戶定購了廣播和/或它們實際的鏈路統計。處理不同連接速率的一個可能的方法是針對不同的比特率同時聯播(Simulcast)視頻數據源幾個獨立編碼流,讓客戶決定采用那個流。除了客戶/服務器間的傳輸外,流媒體網絡還必須在分裂器間分發編碼視頻信息。網絡實現這種分發有幾種方法。一種可能的方法是由源服務器啟動分發,由其將信息分發給直接相連的分裂器,這種方法稱為Push Splitting。相對應,分裂也可以由連接到本地分裂器的客戶啟動,這種方式稱為Pull Splitting。當分裂器是多接入傳送網路的一部分時,它可以和幾個地理上分布的上層分裂器連接,這種方式稱為Multiple-Access Splitting。

  b.點播分發(On-Demand Distribution)

  點播分發和前一種方式最主要的區別是于在編碼器和服務器間沒有直接連接,而是首先將壓縮的視頻片斷(Clip)紀錄在磁盤上,然后由服務器分發壓縮的文件。這種方式也允許遠程代理服務器利用本地存儲器緩存訪問最頻繁的視頻片斷。點播內容的服務器和客戶間的通信基本上與現場內容的單播流相同。主要的區別在于,對于點播,用戶可以回退和快進播放視頻內容,而這種功能對于現場廣播是不可用的。與現場內容的Push和Pull-Splitting不同,服務器-代理傳輸僅能由客戶啟動。而且,當傳輸時,代理在本地存儲器也許已經有關于請求視頻片斷的信息。采用適當的編碼技術,這樣的信息可以用來降低到代理的視頻流速率。

  c.Internet流視頻傳輸的關鍵技術

  (1)視頻壓縮,視頻壓縮主要考慮可伸縮的壓縮技術。

  (2)應用層的QoS控制技術,包括擁塞控制和誤碼控制。前者致力于降低時延和消除分組丟失;后者提高在有分組丟失的情況下的表示質量。

  (3)連續媒體分發服務,基于IP網絡,連續媒體分發服務能夠獲得QoS和流視頻效率。

  (4)流服務器,需要在時間限制下處理數據并支持諸如暫停、快進和快退的功能,而且,流服務器需要在同步的方式下檢索媒體分量。

  (5) 媒體同步機制,利用媒體同步機制,接收端的應用可以按與其最初的方式表示多種媒體流。

  (6)流媒體協議,提供諸如尋址、傳輸和會晤控制,包括網絡層協議(如IP),傳輸層協議(如UDP、TCP、RTP、RTCP)和會晤層協議(如RSTP)。

    4 蜂窩移動視頻通信

  由于IMT-2000可以提供144kbps到2Mbps的高比特率數據服務,支持更好的質量和覆蓋范圍,更高的功率和帶寬效率

,因此,視頻通信逐步成為移動用戶的需求。這些應用包括視頻會議、視頻電話、視頻流通信、網站瀏覽等?梢詫⒎涓C移動通信網作為接入網,接入DVB-T、Internet請求視頻服務。在蜂窩移動通信的條件下,誤碼率和分組丟失率很高,由于移動性(如切換)可能導致的鏈路丟失,使得實時視頻通信變得十分具有挑戰性。這里主要考慮視頻編碼和接入方式兩個方面的問題。

  當前的視頻編碼方案基本上主要考慮帶寬的限制,而對高誤碼率和分組丟失率的考慮不夠?赡艿慕鉀Q辦法是采用基于分層的可伸縮編碼方案,根據人的視覺特性將編碼視頻流分割成幾個誤碼保護等級不同的子流,主要保護最重要的子流。

  在接入方式上,通過蜂窩網傳輸DVB TV節目需要經過轉換,以適應蜂窩移動通信的信道要求。通?梢允欠⻊仗峁┥烫峁┛晒┓涓C移動通信條件下的視頻格式(包括特殊的壓縮和編碼),作為Internet流視頻由蜂窩網絡提供給移動用戶,這種方式與當前的GPRS上的WAP多媒體短消息業務類似。另外,可考慮開發新的標準使兩種網絡共存,這對終端和網絡都是新的挑戰。

  三 結束語

  數字視頻通信應用領域廣闊,從娛樂業(如DTV、Video-On-Demand)到商業應用(如視頻電話、視頻會議),以及現在蓬勃發展的各種遠程醫療、遠程教學和培訓,越來越深入人們的日常生活。尤其是Internet的迅猛發展和新一代的移動通信網絡的開發,使得傳統的以電視廣播的為主的視頻服務發生了根本性的變化。在數字視頻的通信發展中,有以下幾趨勢是我們必須把握的。

  (1)視頻壓縮編碼技術的發展將以支持可伸縮的方式為主要方向,基于分層模式,在提供更高壓縮比的情況下,提供更高的誤碼彈性,以適應各種通信網絡的要求。變換編碼方式也將更多的考慮對上述要求的支持,如采用基于小波(Wavelet)變換的標準。

  (2)網絡將考慮更智能、靈活地支持QoS,如何在異種網絡提供QoS將是考慮的重點。同時,網絡如何更好地支持視頻組播業務也必須認真研究。

  (3)將來的視頻通信網絡將會是以寬帶IP為核心,提供多種接入方式的交互式網絡。DTV網絡和電信網絡、Internet網絡的融合,對多種無線接入(如IMT-2000 、LMDS、WLAN、Bluetooth)和寬帶接入技術的支持將會是發展的方向和研究重點。

 

 

   
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