支持多元化：視頻技術的發(fā)展趨勢

北京郵電大學 魏春成 2001/10/26

　　隨著計算機技術和微電子技術的不斷進步，視頻處理技術與應用技術有了很大的發(fā)展，而通信網(wǎng)的巨大發(fā)展，也為視頻技術的高速發(fā)展帶來了機遇。在通信網(wǎng)中，無論是有線技術還是無線技術都在朝著寬帶化和IP化方向發(fā)展，而寬帶化的網(wǎng)絡最重要的特征就是能夠充分地支持多媒體業(yè)務，主要就是支持不同速率、不同質(zhì)量的視頻業(yè)務。而通信網(wǎng)協(xié)議IP化的發(fā)展，也對實時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、多媒體系統(tǒng)通信協(xié)議、寬帶網(wǎng)絡技術以及多媒體運營系統(tǒng)等方面探討視頻技術未來發(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(shù)據(jù)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質(zhì)量好壞的主要因素，因此視頻技術是多媒體應用的核心技術。在學術和應用領域許多人都在致力于視頻壓縮技術的研究，并且制訂了幾個標準，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，能夠滿足包括電視會議、視頻電子郵件、可視電話、廣播級視頻應用等不同要求的服務。隨著視頻應用需求的不斷發(fā)展，視頻壓縮技術也有了很大的提高，新出現(xiàn)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），同時支持不同的傳輸速率以適應不同的傳送網(wǎng)絡。
　　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 的實時編碼通常需要硬件才能完成，解碼可以用軟件來完成。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、時間、空間三種分級編碼。該標準應用于衛(wèi)星廣播時，在當前的一個模擬信道中，不犧牲質(zhì)量的情況下能提供5路數(shù)字的編碼節(jié)目。
　　H.261與H.263標準主要面向于低碼率的視頻應用，如可視電話和會議電視。H.261是最早出現(xiàn)的視頻編碼標準，它的輸出碼率是64kbit/s的倍數(shù)。 H.261主要是為了ISDN的會議電視和可視電話的應用。H.261所需要的計算量能夠顯著下降。這種算法通過均衡圖像質(zhì)量和運動來優(yōu)化帶寬，所以圖像快速運功時質(zhì)量會下降。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。
　　由于公用電話網(wǎng)(PSTN)和無線網(wǎng)絡上的傳輸速率仍然很有限，而且誤碼率高，上述的標準不能滿足這類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(xiàn)了一些新的壓縮標準，如H263+和MPEG-4標準。H263+以及后來的H263++、H26L能很好地解決低碼率視頻應用問題，它們在提高編碼壓縮效率的同時，提高碼流對高誤碼率信道的容錯能力，而且都是通過選項（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H263+）是在H.263的基礎上以增加編碼的可選項的形式改進的，在語法上與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，用于PSTN以及無線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編碼效率的方法，同時也提高了抗誤碼性能的能力。由于實現(xiàn)成本較低，H263+標準已經(jīng)越來越多地被采用。
　　MPEG-4標準則是今后一段時間壓縮標準的主流。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)語言。MSDL和Java的思想一樣，能夠通過下載功能模塊部分建立新編解碼器。

　　二、多媒體信息系統(tǒng)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)務主要是會議電視、遠程教學、遠程醫(yī)療、可視電話等業(yè)務，而實現(xiàn)這一系列業(yè)務的核心就是多媒體會議體系標準。ITU-T 的H系列標準是為多媒體會議而制訂的，其中包含了視頻編解碼，語音編解碼，復接/解復接等內(nèi)容。不同的標準組采用了相同的系統(tǒng)框架，其對應的各部分內(nèi)容也基本相同，主要區(qū)別在于為了適應不同網(wǎng)絡而設計的包優(yōu)化和網(wǎng)絡接口的定義。目前主要的幾個協(xié)議組包括H.320 、H.324 和H.323。
　　H.320是基于ISDN的視頻會議系統(tǒng)，是目前會議電視和可視電話主要采用的協(xié)議，也是應用得比較廣泛和成功的協(xié)議組。 H.320規(guī)定了視頻和語音編解碼的標準、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)點是能夠保證傳輸帶寬，從而充分保證視頻服務的實時性，使傳輸帶寬在目前實際應用中具有更高的商業(yè)可操作性。
　　H.324是基于PSTN的視頻會議系統(tǒng)，同樣也規(guī)定了視頻和語音編解碼的標準、復接、解復接和控制一整套協(xié)議。其中語音編解碼的標準有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(tǒng)，但是因為傳輸速率很低，視頻質(zhì)量比較差，因而沒有很大的發(fā)展。但第三代移動通信可能采用H.324系統(tǒng)，這樣H.324系統(tǒng)將會有很大的發(fā)展。
　　H.323是基于IP分組網(wǎng)的視頻會議系統(tǒng)，用于分組網(wǎng)絡，通常包頭是40字節(jié)，包大小是1500字節(jié)。能夠達到一個合理的開銷和凈荷比。H.323中語音的編解碼的標準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(jié)構(gòu)如圖1所示。由于IP協(xié)議不僅已經(jīng)統(tǒng)治了桌面和通信網(wǎng)絡的接入層，而且通信網(wǎng)絡的骨干層和匯聚層也越來越多使用IP協(xié)議，這使得H.323協(xié)議組有了非常旺盛的生命力。實際上，早期的IP電話系統(tǒng)就已經(jīng)使用了H.323協(xié)議組框架，由于IP協(xié)議是面向無連接的數(shù)據(jù)報通信，網(wǎng)絡的時延、時延抖動在理論上都沒有保證，這增加了H.323在應用中的復雜性，需要網(wǎng)絡提供商、視頻服務提供商密切地配合并采用更加合理的網(wǎng)絡資源分配方案。

　　三、寬帶網(wǎng)絡技術的發(fā)展

　　近幾年來，寬帶網(wǎng)絡技術有了很大的發(fā)展。對于視頻應用來說，網(wǎng)絡發(fā)展產(chǎn)生的影響主要在兩個方面：一是網(wǎng)絡（包括有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡）可以提供更高的接入帶寬，這為大規(guī)模開展視頻服務奠定了基礎；二是針對視頻服務，在網(wǎng)絡建設過程中，尤其是在IP網(wǎng)絡建設過程中越來越強調(diào)QoS/CoS的概念，使商用化的多媒體應用成為現(xiàn)實。
　　有線網(wǎng)絡的發(fā)展主要體現(xiàn)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主流的接入技術，它包括4個方面。
　　1．ADSL是目前最令人注目的寬帶接入技術,ADSL業(yè)務能力可提供的傳輸通道為非對稱高速傳輸通道，ADSL可提供6～8Mbit/s的下行數(shù)據(jù)流，上行通信速率可以達到640kbit/s，同時可進行PSTN上的模擬話音通信。由于寬帶多媒體業(yè)務的發(fā)展有一個過程，從近期的主要業(yè)務需求看，1.5Mbit/s的傳輸速率已可滿足，因此ADSL是目前寬帶接入的首選技術。
　　2．光纖到小區(qū)結(jié)合樓內(nèi)綜合布線。隨著駐地網(wǎng)的開放，目前很多新的電信運營商都將此方案作為進入電信領域的首選。通過重新鋪設五類線，用戶可以獲得10M甚至100M的接入帶寬，可以充分支持多媒體業(yè)務。該技術的缺點是將傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)技術應用于工作環(huán)境參差不齊的小區(qū)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技術，最大下行速率為51～55Mbit/s ，距離不超過300米，上行為1.6Mbit/s以上。實際使用時常常提供對稱10Mbit/s接入速度，覆蓋范圍可以達到1公里左右。該技術很可能成為替代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的最新發(fā)展方向。從長遠看，可滿足豐富多彩的多媒體業(yè)務日益增長的需要，是一種結(jié)合ATM多業(yè)務、支持多比特率和透明寬帶傳送能力的較理想的長遠解決方案。
　　無線通信近幾年的發(fā)展使移動多媒體變得越來越現(xiàn)實，無線通信寬帶化發(fā)展的主流技術有以下幾項。
　　1．在移動通信中，GPRS已經(jīng)在實際中得到應用，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（ 10Mbit/s ）的迅速增長，還帶動了4G系統(tǒng)的研發(fā)。4G移動通信系統(tǒng)的關鍵技術有抗干擾性強的寬帶接入技術、高性能小型化、低成本的自適應陣列天線以及軟件無線電等。使用這種系統(tǒng)，用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率在準靜止情況下可達20Mbit/s ，在高速移動下達2Mbit/s 。
　　2．寬帶無線ATM網(wǎng)正在發(fā)展。將ATM應用于無線環(huán)境的技術即無線ATM，這是一種寬帶無線網(wǎng)絡，目前已有歐盟ACTS計劃支持的Magic WAND、AWACS、SAMBA和MEDIAN系統(tǒng)，其無線載頻為5GHz、19GHz、40GHz和60GHz，可提供相應的20Mbit/s、34Mbit/s 、155Mbit/s傳輸碼率，以滿足多媒體業(yè)務和高速Internet接入的需求。
　　3．LMDS（本地多點分配業(yè)務）將有迅猛發(fā)展，其載頻達28GHz，可提供高達155Mbit/s的碼率，能提供話音、視頻、高速數(shù)據(jù)業(yè)務。LMDS可提供大量新興寬帶業(yè)務，如高速Internet接入，實時多媒體文件傳輸、交互式視頻，即時點播、電視會議、遠程醫(yī)療、遠程教學、遠程工作等等。
　　與傳統(tǒng)的窄帶通信相比，視頻應用對通信網(wǎng)絡有著更高的要求，尤其是在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡越來越多的采用IP技術的時候，如何保證滿足視頻應用的QoS要求是非常關鍵的。
　　傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡的建立是先有業(yè)務后有網(wǎng)絡，因此有QoS保證，而IP網(wǎng)絡的建立具有不同的思路，網(wǎng)絡在構(gòu)造時就是為了開展多種業(yè)務。很多業(yè)務都可以在IP網(wǎng)絡上實現(xiàn)，但是每增加一種業(yè)務，都要占用一定的網(wǎng)絡帶寬資源，雖然網(wǎng)絡的傳輸能力在增強，但還是不可能滿足大量業(yè)務的要求，網(wǎng)絡必然出現(xiàn)擁塞。為了提高網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，必須對帶寬進行有效管理。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，只是對帶寬進行有效的管理�，F(xiàn)在的QoS主要分為二種。
　　★資源預留管理（集成業(yè)務）
　　根據(jù)申請QoS請求進行資源分配，根據(jù)帶寬資源進行管理。RSVP提供了這一種管理機制。
　　★優(yōu)先級管理（區(qū)分業(yè)務）
　　對網(wǎng)絡流量進行分類，根據(jù)帶寬資源管理策略的準則進行資源分配。為了保證QoS，對于要求高的業(yè)務給與更高的優(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)絡環(huán)境。
　　基于網(wǎng)絡的解決方法雖然在技術上簡單有效，但是在實際工作時相當困難，因為視頻業(yè)務是端到端的服務，要求通過網(wǎng)絡來支持QoS業(yè)務，但是要網(wǎng)絡上的節(jié)點都支持QoS通常是不可能的，所以基于終端的QoS策略是一個可行的方法，因為不需要重新配置網(wǎng)絡。對于IP分組網(wǎng)中的實時多媒體業(yè)務在網(wǎng)絡中傳輸時，由于在每一個網(wǎng)絡節(jié)點中都要進行路由選擇，而且傳輸包要進行排隊會導致包傳輸?shù)臅r延，而且延時超過一定時間后，就會采用丟包處理。這些都會對視頻處理的質(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�；�于終端的方法主要有兩類：擁塞控制，差錯控制。
　　因為TCP重傳造成的時延對于實時業(yè)務質(zhì)量的影響是不能承受的，通常采用UDP包來傳輸實時業(yè)務。但是UDP包沒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。這個過程主要是通過調(diào)整視頻編碼的速率，使得其適應網(wǎng)絡的帶寬，因為網(wǎng)絡的帶寬是時變的，并非固定，而且是一個未知量，所以不能直接設定一個編碼速率來適應網(wǎng)絡狀態(tài)，只能實時調(diào)節(jié)。通常采用兩個方法：一是窗口法，通過逐漸增大傳送的碼率，當發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上出現(xiàn)了包的碰撞，也就是檢測到了丟包時，再減小發(fā)送的碼率；另外是基于速率的方法，先估計網(wǎng)絡的帶寬資源，再調(diào)整編碼的目標速率來適應網(wǎng)絡的狀態(tài)�；�于窗口的解決方案會引入類似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)絡的擁塞會導致丟包，包丟失會導致圖像的主觀質(zhì)量下降，需要改善圖像質(zhì)量的容錯技術。對于某些數(shù)據(jù)業(yè)務而言，包丟失是不可允許，但是延時是可以的。當包出現(xiàn)了錯誤后，可以采用兩種方法：傳統(tǒng)的FEC或包的重傳。對于實時的視頻業(yè)務而言，視頻質(zhì)量的降級是可以的，但是時延必須有限制。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：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)端同時工作才能完成。

　　四、多媒體運營系統(tǒng)

　　除了視頻應用本身所涉及的技術以外，未來多媒體服務開展的關鍵是建立一套完整的運營體系。以傳統(tǒng)的語音業(yè)務為例，只是一個電話業(yè)務就已經(jīng)需要大量的配套系統(tǒng)。除了交換系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、線路資源系統(tǒng)外，電話系統(tǒng)還需要計費系統(tǒng)、帳務系統(tǒng)、運行維護系統(tǒng)、客戶服務系統(tǒng)、營收系統(tǒng)等等。這些被認為是輔助的系統(tǒng)卻是電信運營商的生存命脈。多媒體業(yè)務系統(tǒng)何時能夠全面啟動與其相應的運營系統(tǒng)，和其具體的經(jīng)營模式是密切相關的。未來的多媒體業(yè)務系統(tǒng)必然是一個綜合的業(yè)務平臺，我們通過一個業(yè)務模型來簡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（寬帶業(yè)務）開展體系結(jié)構(gòu)，整個業(yè)務體系可以分為四級結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡層、業(yè)務服務中心、業(yè)務支撐平臺、用戶終端。用戶終端目前主要是指個人計算機和機頂盒等設備；業(yè)務服務中心和業(yè)務支撐平臺構(gòu)成了多媒體應用的大平臺，相對寬帶網(wǎng)絡而言，是目前急需設計開發(fā)的關鍵部分。最終整個業(yè)務體系體現(xiàn)了寬帶ISP與寬帶ICP有機的結(jié)合。
　　業(yè)務服務中心和業(yè)務支撐平臺包含三個關鍵的部分：
　　分布式的BISP（寬帶綜合業(yè)務平臺）
　　寬帶數(shù)據(jù)中心（BDC）
　　寬帶資源管理中心（BRMC）
　　BISP包含用戶管理、計費管理、資源管理、業(yè)務受理系統(tǒng)等單元。目的是結(jié)合網(wǎng)絡和業(yè)務實現(xiàn)商用寬帶應用。BISP需要具有良好的開放性，能夠支持不同ICP的各種多媒體應用。
　　寬帶數(shù)據(jù)中心是多媒體業(yè)務發(fā)展的必然產(chǎn)物。BDC是寬帶ICP數(shù)據(jù)存儲和配送中心，目前可以預見的存儲內(nèi)容或提供的服務包括：社區(qū)的網(wǎng)站或數(shù)據(jù)中心、因特網(wǎng)緩沖數(shù)據(jù)配送、VOD/AOD節(jié)目配送中心、基于IP網(wǎng)絡的會議電視中央控制器、電子圖書館以及遠程教育中心。
　　寬帶資源管理中心是網(wǎng)絡資源的調(diào)度中心，隨著寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展網(wǎng)絡資源（帶寬）的可管理性將越來越強。BRMC可以調(diào)配的資源包括網(wǎng)絡帶寬、服務器資源、VPN等等，同時實現(xiàn)BDC之間的資源管理。BRMC還將包括分層、分權(quán)的網(wǎng)管體系，以支持寬帶網(wǎng)絡和寬帶業(yè)務持久的發(fā)展。

硅谷動力 2001/10/26