支持多元化：視頻技術(shù)的發(fā)展趨勢

北京郵電大學(xué) 魏春成 2001/10/26

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，視頻處理技術(shù)與應用技術(shù)有了很大的發(fā)展，而通信網(wǎng)的巨大發(fā)展，也為視頻技術(shù)的高速發(fā)展帶來(lái)了機遇。在通信網(wǎng)中，無(wú)論是有線(xiàn)技術(shù)還是無(wú)線(xiàn)技術(shù)都在朝著(zhù)寬帶化和IP化方向發(fā)展，而寬帶化的網(wǎng)絡(luò )最重要的特征就是能夠充分地支持多媒體業(yè)務(wù)，主要就是支持不同速率、不同質(zhì)量的視頻業(yè)務(wù)。而通信網(wǎng)協(xié)議IP化的發(fā)展，也對實(shí)時(shí)性要求較高的視頻應用提出了新的要求。本文將從信源壓縮技術(shù)、多媒體系統通信協(xié)議、寬帶網(wǎng)絡(luò )技術(shù)以及多媒體運營(yíng)系統等方面探討視頻技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨勢。

　　一、視頻信源壓縮編碼標準

　　在多媒體應用中，視頻數據量方面可壓縮的信息量最多，而壓縮處理后的視頻質(zhì)量的高低是決定多媒體服務(wù)質(zhì)量好壞的主要因素，因此視頻技術(shù)是多媒體應用的核心技術(shù)。在學(xué)術(shù)和應用領(lǐng)域許多人都在致力于視頻壓縮技術(shù)的研究，并且制訂了幾個(gè)標準，如：ITU-T H.261，H.263和ISO/IEC的 MPEG-1和MPEG-2。這些標準覆蓋了很大的視頻速率范圍和應用領(lǐng)域，支持不同速率、不同的圖像質(zhì)量要求等條件的視頻業(yè)務(wù)，能夠滿(mǎn)足包括電視會(huì )議、視頻電子郵件、可視電話(huà)、廣播級視頻應用等不同要求的服務(wù)。隨著(zhù)視頻應用需求的不斷發(fā)展，視頻壓縮技術(shù)也有了很大的提高，新出現的壓縮標準有了更高的壓縮效率（在相同的圖像質(zhì)量下需要更低的傳送碼率或在相同的傳輸速率提供質(zhì)量更好的圖像），同時(shí)支持不同的傳輸速率以適應不同的傳送網(wǎng)絡(luò )。
　　在目前已經(jīng)大量應用的壓縮標準中，MPEG-1和MPEG-2是面向廣播級或準廣播級應用的。MPEG-1標準主要是為了視頻存貯媒體如VCD而制定，該標準能夠適應變碼流的處理，其主要目的是在1～1.5Mbit/s的情況下，提供30幀CIF (352×288) VHS的質(zhì)量的圖像。MPEG-1 的實(shí)時(shí)編碼通常需要硬件才能完成，解碼可以用軟件來(lái)完成。MPEG-1 不能提供分級圖像編碼，也不能在丟包率高的情況下應用。
　　MPEG-2 標準擴展了MPEG-1標準，能夠支持高分辯率圖像和聲音。目標碼率是 在3～15Mbit/s傳輸速率條件下提供廣播級的圖像，而且能夠提供SNR、時(shí)間、空間三種分級編碼。該標準應用于衛星廣播時(shí)，在當前的一個(gè)模擬信道中，不犧牲質(zhì)量的情況下能提供5路數字的編碼節目。
　　H.261與H.263標準主要面向于低碼率的視頻應用，如可視電話(huà)和會(huì )議電視。H.261是最早出現的視頻編碼標準，它的輸出碼率是64kbit/s的倍數。 H.261主要是為了ISDN的會(huì )議電視和可視電話(huà)的應用。H.261所需要的計算量能夠顯著(zhù)下降。這種算法通過(guò)均衡圖像質(zhì)量和運動(dòng)來(lái)優(yōu)化帶寬，所以圖像快速運功時(shí)質(zhì)量會(huì )下降。H.261的輸出速率是恒定的，而圖像質(zhì)量非恒定。
　　H.263是為了支持低速率的通信而制定的標準，但希望能夠適應較大的動(dòng)態(tài)范圍，而不僅限于低碼率，而且能取代H.261。H.263能適應誤碼率高的信道具備容錯的能力。
　　由于公用電話(huà)網(wǎng)(PSTN)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的傳輸速率仍然很有限，而且誤碼率高，上述的標準不能滿(mǎn)足這類(lèi)高壓縮效率和強信道冗錯能力的應用要求。針對以上壓縮算法的不足，目前出現了一些新的壓縮標準，如H263+和MPEG-4標準。H263+以及后來(lái)的H263++、H26L能很好地解決低碼率視頻應用問(wèn)題，它們在提高編碼壓縮效率的同時(shí)，提高碼流對高誤碼率信道的容錯能力，而且都是通過(guò)選項（option）的形式提供的，方便靈活，且能夠兼容本標準的以前版本。H.263 VERSION 2 （或稱(chēng)H263+）是在H.263的基礎上以增加編碼的可選項的形式改進(jìn)的，在語(yǔ)法上與H.263兼容，但編碼效率有很大提高，適用范圍也更大。其主要的應用方向仍是低碼流的視頻業(yè)務(wù)，用于PSTN以及無(wú)線(xiàn)接入的高誤碼比的通信環(huán)境，因此在H263+中既增加了一些改進(jìn)編碼效率的方法，同時(shí)也提高了抗誤碼性能的能力。由于實(shí)現成本較低，H263+標準已經(jīng)越來(lái)越多地被采用。
　　MPEG-4標準則是今后一段時(shí)間壓縮標準的主流。MPEG-4標準既能夠支持碼率低于64kbit/s的視頻應用，也能夠支持廣播級的視頻應用。與其他壓縮標準相比，MPEG-4標準在DCT的基礎上引入了圖像模型的概念從而具有更高的壓縮效率。MPEG-4的工作集中于發(fā)展MSDL (MPEG-4 Syntactic Description Language)語(yǔ)言。MSDL和Java的思想一樣，能夠通過(guò)下載功能模塊部分建立新編解碼器。

　　二、多媒體信息系統通信協(xié)議

　　目前使用最為廣泛且發(fā)展前景最好的多媒體業(yè)務(wù)主要是會(huì )議電視、遠程教學(xué)、遠程醫療、可視電話(huà)等業(yè)務(wù)，而實(shí)現這一系列業(yè)務(wù)的核心就是多媒體會(huì )議體系標準。ITU-T 的H系列標準是為多媒體會(huì )議而制訂的，其中包含了視頻編解碼，語(yǔ)音編解碼，復接/解復接等內容。不同的標準組采用了相同的系統框架，其對應的各部分內容也基本相同，主要區別在于為了適應不同網(wǎng)絡(luò )而設計的包優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò )接口的定義。目前主要的幾個(gè)協(xié)議組包括H.320 、H.324 和H.323。
　　H.320是基于ISDN的視頻會(huì )議系統，是目前會(huì )議電視和可視電話(huà)主要采用的協(xié)議，也是應用得比較廣泛和成功的協(xié)議組。 H.320規定了視頻和語(yǔ)音編解碼的標準、復接、解復接和控制一整套協(xié)議。其中有語(yǔ)音的編解碼的標準G.711、G.722、G.728、G.729，編碼速率8kbit/s～64kbit/s，不同的標準所提供的語(yǔ)音質(zhì)量不一樣。視頻編解碼標準有H.261、H.263、H.263+，其中復接采用定義到比特的H.221標準，控制部分采用H.242進(jìn)行終端之間的能力交互。由于ISDN協(xié)議是基于電路交換的，其優(yōu)點(diǎn)是能夠保證傳輸帶寬，從而充分保證視頻服務(wù)的實(shí)時(shí)性，使傳輸帶寬在目前實(shí)際應用中具有更高的商業(yè)可操作性。
　　H.324是基于PSTN的視頻會(huì )議系統，同樣也規定了視頻和語(yǔ)音編解碼的標準、復接、解復接和控制一整套協(xié)議。其中語(yǔ)音編解碼的標準有G.723.1、G.729等，視頻編解碼標準有H.261、H.263、H.263+，其中復接采用H.223，控制部分采用H.245。自從1996年就有了符合標準的系統，但是因為傳輸速率很低，視頻質(zhì)量比較差，因而沒(méi)有很大的發(fā)展。但第三代移動(dòng)通信可能采用H.324系統，這樣H.324系統將會(huì )有很大的發(fā)展。
　　H.323是基于IP分組網(wǎng)的視頻會(huì )議系統，用于分組網(wǎng)絡(luò )，通常包頭是40字節，包大小是1500字節。能夠達到一個(gè)合理的開(kāi)銷(xiāo)和凈荷比。H.323中語(yǔ)音的編解碼的標準G.723.1、G.722、G.728、G.729傳輸速率達8kbit/s～64kbit/s。視頻編解碼標準有H.261、H.263、H.263+，其中復接采用H.225.0，控制采用H.245，其協(xié)議結構如圖1所示。由于IP協(xié)議不僅已經(jīng)統治了桌面和通信網(wǎng)絡(luò )的接入層，而且通信網(wǎng)絡(luò )的骨干層和匯聚層也越來(lái)越多使用IP協(xié)議，這使得H.323協(xié)議組有了非常旺盛的生命力。實(shí)際上，早期的IP電話(huà)系統就已經(jīng)使用了H.323協(xié)議組框架，由于IP協(xié)議是面向無(wú)連接的數據報通信，網(wǎng)絡(luò )的時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)在理論上都沒(méi)有保證，這增加了H.323在應用中的復雜性，需要網(wǎng)絡(luò )提供商、視頻服務(wù)提供商密切地配合并采用更加合理的網(wǎng)絡(luò )資源分配方案。

　　三、寬帶網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展

　　近幾年來(lái)，寬帶網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有了很大的發(fā)展。對于視頻應用來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò )發(fā)展產(chǎn)生的影響主要在兩個(gè)方面：一是網(wǎng)絡(luò )（包括有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )）可以提供更高的接入帶寬，這為大規模開(kāi)展視頻服務(wù)奠定了基礎；二是針對視頻服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò )建設過(guò)程中，尤其是在IP網(wǎng)絡(luò )建設過(guò)程中越來(lái)越強調QoS/CoS的概念，使商用化的多媒體應用成為現實(shí)。
　　有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展主要體現在接入帶寬的不斷提高，目前正逐漸成為主流以及有潛力成為未來(lái)主流的接入技術(shù)，它包括4個(gè)方面。
　　1．ADSL是目前最令人注目的寬帶接入技術(shù),ADSL業(yè)務(wù)能力可提供的傳輸通道為非對稱(chēng)高速傳輸通道，ADSL可提供6～8Mbit/s的下行數據流，上行通信速率可以達到640kbit/s，同時(shí)可進(jìn)行PSTN上的模擬話(huà)音通信。由于寬帶多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展有一個(gè)過(guò)程，從近期的主要業(yè)務(wù)需求看，1.5Mbit/s的傳輸速率已可滿(mǎn)足，因此ADSL是目前寬帶接入的首選技術(shù)。
　　2．光纖到小區結合樓內綜合布線(xiàn)。隨著(zhù)駐地網(wǎng)的開(kāi)放，目前很多新的電信運營(yíng)商都將此方案作為進(jìn)入電信領(lǐng)域的首選。通過(guò)重新鋪設五類(lèi)線(xiàn)，用戶(hù)可以獲得10M甚至100M的接入帶寬，可以充分支持多媒體業(yè)務(wù)。該技術(shù)的缺點(diǎn)是將傳統的計算機網(wǎng)技術(shù)應用于工作環(huán)境參差不齊的小區和樓宇，運行維護具有一定的難度，而且覆蓋范圍比較小。
　　3．VDSL是一種傳輸距離很短的銅線(xiàn)技術(shù)，最大下行速率為51～55Mbit/s ，距離不超過(guò)300米，上行為1.6Mbit/s以上。實(shí)際使用時(shí)常常提供對稱(chēng)10Mbit/s接入速度，覆蓋范圍可以達到1公里左右。該技術(shù)很可能成為替代LAN接入的最好的方式。
　　4．APON代表了面向21世紀的寬帶接入技術(shù)的最新發(fā)展方向。從長(cháng)遠看，可滿(mǎn)足豐富多彩的多媒體業(yè)務(wù)日益增長(cháng)的需要，是一種結合ATM多業(yè)務(wù)、支持多比特率和透明寬帶傳送能力的較理想的長(cháng)遠解決方案。
　　無(wú)線(xiàn)通信近幾年的發(fā)展使移動(dòng)多媒體變得越來(lái)越現實(shí)，無(wú)線(xiàn)通信寬帶化發(fā)展的主流技術(shù)有以下幾項。
　　1．在移動(dòng)通信中，GPRS已經(jīng)在實(shí)際中得到應用，在歐洲3G牌照也已經(jīng)被競拍。而多媒體（2Mbit/s）和超多媒體業(yè)務(wù)（ 10Mbit/s ）的迅速增長(cháng)，還帶動(dòng)了4G系統的研發(fā)。4G移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)有抗干擾性強的寬帶接入技術(shù)、高性能小型化、低成本的自適應陣列天線(xiàn)以及軟件無(wú)線(xiàn)電等。使用這種系統，用戶(hù)的數據傳輸速率在準靜止情況下可達20Mbit/s ，在高速移動(dòng)下達2Mbit/s 。
　　2．寬帶無(wú)線(xiàn)ATM網(wǎng)正在發(fā)展。將ATM應用于無(wú)線(xiàn)環(huán)境的技術(shù)即無(wú)線(xiàn)ATM，這是一種寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，目前已有歐盟ACTS計劃支持的Magic WAND、AWACS、SAMBA和MEDIAN系統，其無(wú)線(xiàn)載頻為5GHz、19GHz、40GHz和60GHz，可提供相應的20Mbit/s、34Mbit/s 、155Mbit/s傳輸碼率，以滿(mǎn)足多媒體業(yè)務(wù)和高速I(mǎi)nternet接入的需求。
　　3．LMDS（本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)）將有迅猛發(fā)展，其載頻達28GHz，可提供高達155Mbit/s的碼率，能提供話(huà)音、視頻、高速數據業(yè)務(wù)。LMDS可提供大量新興寬帶業(yè)務(wù)，如高速I(mǎi)nternet接入，實(shí)時(shí)多媒體文件傳輸、交互式視頻，即時(shí)點(diǎn)播、電視會(huì )議、遠程醫療、遠程教學(xué)、遠程工作等等。
　　與傳統的窄帶通信相比，視頻應用對通信網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)更高的要求，尤其是在數據網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越多的采用IP技術(shù)的時(shí)候，如何保證滿(mǎn)足視頻應用的QoS要求是非常關(guān)鍵的。
　　傳統電信網(wǎng)絡(luò )的建立是先有業(yè)務(wù)后有網(wǎng)絡(luò )，因此有QoS保證，而IP網(wǎng)絡(luò )的建立具有不同的思路，網(wǎng)絡(luò )在構造時(shí)就是為了開(kāi)展多種業(yè)務(wù)。很多業(yè)務(wù)都可以在IP網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現，但是每增加一種業(yè)務(wù)，都要占用一定的網(wǎng)絡(luò )帶寬資源，雖然網(wǎng)絡(luò )的傳輸能力在增強，但還是不可能滿(mǎn)足大量業(yè)務(wù)的要求，網(wǎng)絡(luò )必然出現擁塞。為了提高網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量，必須對帶寬進(jìn)行有效管理。QoS就是針對這一種管理策略的協(xié)議，QoS本身并不增加帶寬，只是對帶寬進(jìn)行有效的管理。現在的QoS主要分為二種。
　　★資源預留管理（集成業(yè)務(wù)）
　　根據申請QoS請求進(jìn)行資源分配，根據帶寬資源進(jìn)行管理。RSVP提供了這一種管理機制。
　　★優(yōu)先級管理（區分業(yè)務(wù)）
　　對網(wǎng)絡(luò )流量進(jìn)行分類(lèi)，根據帶寬資源管理策略的準則進(jìn)行資源分配。為了保證QoS，對于要求高的業(yè)務(wù)給與更高的優(yōu)先級。QoS的協(xié)議和算法不是相互排斥和競爭的，它們是相互補充的，它們的制定就是為了用于不同的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。
　　基于網(wǎng)絡(luò )的解決方法雖然在技術(shù)上簡(jiǎn)單有效，但是在實(shí)際工作時(shí)相當困難，因為視頻業(yè)務(wù)是端到端的服務(wù)，要求通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)支持QoS業(yè)務(wù)，但是要網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)都支持QoS通常是不可能的，所以基于終端的QoS策略是一個(gè)可行的方法，因為不需要重新配置網(wǎng)絡(luò )。對于IP分組網(wǎng)中的實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò )中傳輸時(shí)，由于在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中都要進(jìn)行路由選擇，而且傳輸包要進(jìn)行排隊會(huì )導致包傳輸的時(shí)延，而且延時(shí)超過(guò)一定時(shí)間后，就會(huì )采用丟包處理。這些都會(huì )對視頻處理的質(zhì)量造成影響。因此視頻編碼的策略主要是針對這種影響而制訂的。基于終端的方法主要有兩類(lèi)：擁塞控制，差錯控制。
　　因為T(mén)CP重傳造成的時(shí)延對于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)質(zhì)量的影響是不能承受的，通常采用UDP包來(lái)傳輸實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。但是UDP包沒(méi)有提供擁塞控制和質(zhì)量保證的機制。所以需要在UDP的上層加上擁塞控制的機制。這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)調整視頻編碼的速率，使得其適應網(wǎng)絡(luò )的帶寬，因為網(wǎng)絡(luò )的帶寬是時(shí)變的，并非固定，而且是一個(gè)未知量，所以不能直接設定一個(gè)編碼速率來(lái)適應網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，只能實(shí)時(shí)調節。通常采用兩個(gè)方法：一是窗口法，通過(guò)逐漸增大傳送的碼率，當發(fā)現網(wǎng)絡(luò )上出現了包的碰撞，也就是檢測到了丟包時(shí)，再減小發(fā)送的碼率；另外是基于速率的方法，先估計網(wǎng)絡(luò )的帶寬資源，再調整編碼的目標速率來(lái)適應網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)。基于窗口的解決方案會(huì )引入類(lèi)似TCP的重傳，所以經(jīng)常采用基于速率的解決方案。
　　特別是在Internet中，因為網(wǎng)絡(luò )的擁塞會(huì )導致丟包，包丟失會(huì )導致圖像的主觀(guān)質(zhì)量下降，需要改善圖像質(zhì)量的容錯技術(shù)。對于某些數據業(yè)務(wù)而言，包丟失是不可允許，但是延時(shí)是可以的。當包出現了錯誤后，可以采用兩種方法：傳統的FEC或包的重傳。對于實(shí)時(shí)的視頻業(yè)務(wù)而言，視頻質(zhì)量的降級是可以的，但是時(shí)延必須有限制。對于視頻通信的這種特征引入了很多新的機制，這些機制可以分為四類(lèi)：FEC，重傳，糾錯，掩錯。其中掩錯只在收端完成。其它都需要在收端和發(fā)端同時(shí)工作才能完成。

　　四、多媒體運營(yíng)系統

　　除了視頻應用本身所涉及的技術(shù)以外，未來(lái)多媒體服務(wù)開(kāi)展的關(guān)鍵是建立一套完整的運營(yíng)體系。以傳統的語(yǔ)音業(yè)務(wù)為例，只是一個(gè)電話(huà)業(yè)務(wù)就已經(jīng)需要大量的配套系統。除了交換系統、傳輸系統、線(xiàn)路資源系統外，電話(huà)系統還需要計費系統、帳務(wù)系統、運行維護系統、客戶(hù)服務(wù)系統、營(yíng)收系統等等。這些被認為是輔助的系統卻是電信運營(yíng)商的生存命脈。多媒體業(yè)務(wù)系統何時(shí)能夠全面啟動(dòng)與其相應的運營(yíng)系統，和其具體的經(jīng)營(yíng)模式是密切相關(guān)的。未來(lái)的多媒體業(yè)務(wù)系統必然是一個(gè)綜合的業(yè)務(wù)平臺，我們通過(guò)一個(gè)業(yè)務(wù)模型來(lái)簡(jiǎn)要介紹綜合平臺的概念，如圖2所示。
　　圖2所示的是多媒體業(yè)務(wù)（寬帶業(yè)務(wù)）開(kāi)展體系結構，整個(gè)業(yè)務(wù)體系可以分為四級結構：網(wǎng)絡(luò )層、業(yè)務(wù)服務(wù)中心、業(yè)務(wù)支撐平臺、用戶(hù)終端。用戶(hù)終端目前主要是指個(gè)人計算機和機頂盒等設備；業(yè)務(wù)服務(wù)中心和業(yè)務(wù)支撐平臺構成了多媒體應用的大平臺，相對寬帶網(wǎng)絡(luò )而言，是目前急需設計開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵部分。最終整個(gè)業(yè)務(wù)體系體現了寬帶ISP與寬帶ICP有機的結合。
　　業(yè)務(wù)服務(wù)中心和業(yè)務(wù)支撐平臺包含三個(gè)關(guān)鍵的部分：
　　分布式的BISP（寬帶綜合業(yè)務(wù)平臺）
　　寬帶數據中心（BDC）
　　寬帶資源管理中心（BRMC）
　　BISP包含用戶(hù)管理、計費管理、資源管理、業(yè)務(wù)受理系統等單元。目的是結合網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)實(shí)現商用寬帶應用。BISP需要具有良好的開(kāi)放性，能夠支持不同ICP的各種多媒體應用。
　　寬帶數據中心是多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。BDC是寬帶ICP數據存儲和配送中心，目前可以預見(jiàn)的存儲內容或提供的服務(wù)包括：社區的網(wǎng)站或數據中心、因特網(wǎng)緩沖數據配送、VOD/AOD節目配送中心、基于IP網(wǎng)絡(luò )的會(huì )議電視中央控制器、電子圖書(shū)館以及遠程教育中心。
　　寬帶資源管理中心是網(wǎng)絡(luò )資源的調度中心，隨著(zhù)寬帶網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展網(wǎng)絡(luò )資源（帶寬）的可管理性將越來(lái)越強。BRMC可以調配的資源包括網(wǎng)絡(luò )帶寬、服務(wù)器資源、VPN等等，同時(shí)實(shí)現BDC之間的資源管理。BRMC還將包括分層、分權的網(wǎng)管體系，以支持寬帶網(wǎng)絡(luò )和寬帶業(yè)務(wù)持久的發(fā)展。

硅谷動(dòng)力 2001/10/26