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視頻通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

2005/07/21

摘要　

　　本文首先詳細(xì)闡述了視頻通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，包括承載網(wǎng)、框架協(xié)議和編解碼技術(shù)，然后簡單介紹了基于IP網(wǎng)絡(luò)的H.323視頻通信體系結(jié)構(gòu)，并對視頻通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行了分析。

1、引言

　　隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們對通信的需求已經(jīng)由最初的單一語音需求轉(zhuǎn)變?yōu)閷σ曨l和音頻的通信需求，以傳送語音、數(shù)據(jù)、視頻為一體的視頻通信業(yè)務(wù)成為通信領(lǐng)域發(fā)展的熱點，以點到點或多點視音頻通信為主要形式的視頻會議、遠程醫(yī)療、遠程教育等服務(wù)得到越來越多的使用。

2、視頻通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

(1)承載網(wǎng)

　　視頻通信業(yè)務(wù)可以承載在不同技術(shù)的底層網(wǎng)絡(luò)上，從早期的公共電話網(wǎng)，到窄帶ISDN，DDN，ATM以及現(xiàn)在廣泛使用的IP網(wǎng)絡(luò)都可以成為視頻通信業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)。由于視頻通信的實時性和圖像傳輸?shù)奶攸c，要求承載網(wǎng)具備足夠的帶寬、短時延、低誤碼率等特點。

　　公共電話網(wǎng)。窄帶ISDN和DDN是基于電路交換的網(wǎng)絡(luò)，電路交換網(wǎng)絡(luò)是面向連接的網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率和時延穩(wěn)定，端到端時延小，誤碼率低，因此視頻通信質(zhì)量容易得到保證。但它的缺點是連接固定，除公共電話網(wǎng)、ISDN網(wǎng)上是可以進行拔號外，其他網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用都必須進行點對點的永久連接，帶寬利用率較低，開放性很差，設(shè)置連接不方便。H.320標(biāo)準(zhǔn)就是1990年ITU-T最早制定的滿足和適應(yīng)這類電路交換網(wǎng)絡(luò)的視頻通信框架協(xié)議，最早進行商用的視頻通信系統(tǒng)就是建立在此基礎(chǔ)上的。在公共電話網(wǎng)中是采用話帶數(shù)據(jù)來傳遞視頻信息的，遵循的標(biāo)準(zhǔn)是1995年以來ITU-T推出的H.324系列，目前主要應(yīng)用于可視電話業(yè)務(wù)。

　　ATM以快速分組交換和統(tǒng)計時分復(fù)用的方式進行信息傳輸。由于其技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備昂貴，加上ATM的各項標(biāo)準(zhǔn)制定遲緩，未能得到大規(guī)模的應(yīng)用，目前ATM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不可能實現(xiàn)端到端的應(yīng)用，而是成為一種支持多種應(yīng)用的傳送平臺。ITU-T的H.321標(biāo)準(zhǔn)和H.310標(biāo)準(zhǔn)正是針對ATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的視頻通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

　　近幾年來，通信網(wǎng)絡(luò)的IP化成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流，基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻通信得到普遍應(yīng)用和廣泛發(fā)展。IP網(wǎng)絡(luò)是使用TCP/IP協(xié)議的面向無連接的網(wǎng)絡(luò)，H.323標(biāo)準(zhǔn)是ITU-T在1996年制定的應(yīng)用于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻通信標(biāo)準(zhǔn)，稱為“不保證服務(wù)質(zhì)量的局域網(wǎng)上的多媒體視聽系統(tǒng)”，并在1998年擴展為“基于分組的多媒體通信系統(tǒng)”，即ITU-TH.323v2，后來又推出了H.323v3還和H.323v4版本，它是目前擁有大量商業(yè)用戶的視頻通信標(biāo)準(zhǔn)，并受到世界各國的廣泛重視。

(2)視頻通信的框架協(xié)議

　　隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻通信系統(tǒng)的承載網(wǎng)從電路交換網(wǎng)向靈活、擴展性強的IP網(wǎng)絡(luò)演進，視頻通信的框架協(xié)議因此產(chǎn)生了H.320，H.324，H.310和H.323四種標(biāo)準(zhǔn)，目前基于H.323的視頻通信系統(tǒng)應(yīng)用占市場的主導(dǎo)地位。

　　H.320是一個系列標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率在64kbit/s-2Mbit/s之間，它的主要組成部分為H.221提供把音頻、視頻、數(shù)據(jù)和控制信息復(fù)用進單個比特流的標(biāo)準(zhǔn)，使用時分復(fù)用(TDM)系統(tǒng)，幀長為10ms。H.230/H.242提供用于方式命令和指示以及功能交換的標(biāo)準(zhǔn)。H.261提供用于視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)。H.263是一個新的可選方式，能提供更好的圖像質(zhì)量。G.721提供用于音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。G.722和G.728是可選的代替方式。除了視頻和音頻信道外，在需要時可以傳送數(shù)據(jù)。例如T.120會議。

　　基于H.324的可視電話系統(tǒng)運行于公眾電話網(wǎng)(PSTN)之上，傳輸速率為28.8-64kbit/s，可提供語音、圖像和其他數(shù)據(jù)的實時通信。H.324是一個系列協(xié)議，包括V.34調(diào)制解調(diào)器協(xié)議、H.223數(shù)據(jù)復(fù)接和分路協(xié)議、H.245系統(tǒng)控制協(xié)議、G.723.1語音算法、H.261和H.263圖像算法。

　　H.323標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了音頻、視頻及數(shù)據(jù)在以IP包為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)(LAN，EXTRANET和Internet)上的通信，H.323V2標(biāo)準(zhǔn)的分層結(jié)構(gòu)主要包括：H.225.O標(biāo)準(zhǔn)的分組和同步，H.26l和H.263標(biāo)準(zhǔn)的視頻編解碼，G.711，G.722，G.728，G.723等標(biāo)準(zhǔn)的音頻編解碼，以及有關(guān)通信控制協(xié)議H.245等，另外，T.120標(biāo)準(zhǔn)為H.323終端增加和擴展了數(shù)據(jù)會議的功能，實現(xiàn)了諸如多點電子白板(T.126)、多點文件傳輸(T.127)、多點應(yīng)用共享(T.128)等數(shù)據(jù)會議功能。

(3)視頻通信的編解碼技術(shù)

　　視音頻的編解碼技術(shù)是視頻通信中的關(guān)鍵技術(shù)。1988年ITU-T頒布了H.261建議草案，該建議以混合編碼為核心，以后制定出一系列的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，如ITU-T的H.262.H.263.ISO的MPEG-1，MPEG-2等。

　　H.261是最早的運動圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是ITU-T為IS-DN開展可視電話、視頻會議而制定的，速率為64kbit/s的整數(shù)倍。它詳細(xì)制定了視頻編碼的各個部分，包括運動補償?shù)膸g預(yù)測、DCT變換、量化、熵編碼以及與固定速率的信道相適配的速率控制等部分。H.261只對CIF和QCIF兩種圖像格式進行處理，每幀圖像分成圖像層、宏塊組(GOB)層、宏塊(MB)層、塊(Block)層來處理。

　　H.263是國際電聯(lián)ITU-T的一個標(biāo)準(zhǔn)草案，是為低碼流視頻編碼而設(shè)計的。隨后出現(xiàn)的第二版(H.263+)及H.263++增加了許多選項，使其具有更廣泛的適用性。H.263的編碼算法與H.261相比做了一些改善和改變，以提高性能和糾錯能力。1998年IUT-T推出的H.263+是H.263建議的第2版，它提供了12個新的可協(xié)商模式和其他特征，進一步提高了壓縮編碼性能。另外，H.263+對H.263中的不受限運動矢量模式進行了改進，加上12個新增的可選模式，不僅提高了編碼性能，而且增強了應(yīng)用的靈活性。H.263已經(jīng)基本上取代了H.261。H263++在H263+基礎(chǔ)上增加了3個選項，這3個選項為：選項U、選項V和選項W，主要是為了增強碼流在惡劣信道上的抗誤碼性能，同時為了提高增強編碼效率。

　　MPEG是活動圖像專家組(Moving Picture Exports Group)的縮寫，于1988年成立，是為數(shù)字視/音頻制定壓縮標(biāo)準(zhǔn)的專家組，目前已提出MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4等標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)于1993年8月公布，用于傳輸1.5Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率的數(shù)字存儲媒體運動圖像及其伴音的編碼。該標(biāo)準(zhǔn)包括五個部分：第一部分說明了如何根據(jù)第二部分(視頻)以及第三部分(音頻)的規(guī)定，對音頻和視頻進行復(fù)合編碼。第四部分說明了檢驗解碼器或編碼器的輸出比特流符合前三部分規(guī)定的過程。第五部分是一個用完整的C語言實現(xiàn)的編碼和解碼器。MPEG組織于1994年推出MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)視/音頻服務(wù)與應(yīng)用互操作的可能性。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是針對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視和高清晰度電視在各種應(yīng)用下的壓縮方案和系統(tǒng)層的詳細(xì)規(guī)定，MPEG-2在系統(tǒng)和傳送方面作了更加詳細(xì)的規(guī)定和進一步的完善，特別適用于廣播級的數(shù)字電視的編碼和傳送，被認(rèn)定為SDTV和HDTV的編碼標(biāo)準(zhǔn)。運動圖像專家組MPEG于1999年2月正式公布了MPEG-4(ISO/IEC14496)標(biāo)準(zhǔn)第一版本。同年年底推出了MPEG-4第二版，且于2000年年初正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4與MPEG-1和MPEG-2有很大的不同，MPEG-4不只是具體壓縮算法，它是針對數(shù)字電視、交互式繪圖應(yīng)用(影音合成內(nèi)容)、交互式多媒體(WWW、資料擷取與分散)等整合及壓縮技術(shù)的需求而制定的國際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)將眾多的多媒體應(yīng)用集成于一個完整的框架內(nèi)，旨在為多媒體通信及應(yīng)用環(huán)境提供標(biāo)準(zhǔn)的算法及工具。

　　H.264/AVC是目前由ITU-T的視頻編碼專家組(VCEG)及ISO/IEC的活動圖像專家組(MPEG)大力發(fā)展研究的、適應(yīng)于低碼率傳輸?shù)男乱淮鷫嚎s視頻標(biāo)準(zhǔn)。2003年3月由兩個專家組組成的聯(lián)合視頻專家組(JVT)公布了這一壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)的最終草案，此標(biāo)準(zhǔn)被稱為ITU-T的H.264協(xié)議或ISO/IEC的MPEG-4的高級視頻編碼部分。H.264的編解碼框架與以前提出的標(biāo)準(zhǔn)，如H.261、H.263及MPEG-1/2/4并無顯著變化，也是基于混合編碼的方案：整個系統(tǒng)被劃分為視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)抽象層。視頻編碼層主要描述要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)所承載的視頻內(nèi)容。而網(wǎng)絡(luò)抽象層則是考慮不同的應(yīng)用，如視頻會議通信、H.32X連續(xù)包的視頻傳輸或RTP/UDP/IP的通信。H.264不僅比H.263和MPEG-4節(jié)約了50%的碼率，而且對網(wǎng)絡(luò)傳輸具有更好的支持功能，它引入了面向IP包的編碼機制，有利于網(wǎng)絡(luò)中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡(luò)中視頻的流媒體傳輸。H.264具有較強的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的無線信道中的視頻傳輸，支持不同網(wǎng)絡(luò)資源下的分級編碼傳輸，從而獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。

3、基于IP網(wǎng)絡(luò)的H.323視頻通信體系結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)H.323建議，IP視頻通信系統(tǒng)由終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守、IP網(wǎng)絡(luò)以及多點控制器組成(見圖1)。終端是提供單工或雙工實時通信的客戶端，需支持信令和控制功能，編解碼功能等。網(wǎng)關(guān)用于實現(xiàn)與非H.323終端的連接。網(wǎng)守執(zhí)行地址翻譯、呼叫控制與管理、帶寬控制與管理、域管理等功能。多點控制器用于支持三點或多點之間的用戶會話，由多點控制器(MC)和多點處理器(MP)組成，MC確定所有終端的音視頻處理能力并控制資源，MP混合、交換和處理音頻、視頻和數(shù)據(jù)流。

4、視頻通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　2003年SARS的爆發(fā)促進了中國視頻通信業(yè)的迅速發(fā)展，各大運營商紛紛加大力度投資建設(shè)視頻通信網(wǎng)絡(luò)。目前中國電信、中國聯(lián)通、中國鐵通和中國網(wǎng)通都已經(jīng)建立了商用的視頻通信運營網(wǎng)絡(luò)，其中中國電信和中國聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，并且擁有大部分的用戶數(shù)量。

　　1994年中國電信建成國內(nèi)第一個會議電視黨政專網(wǎng)，采用點對點結(jié)構(gòu)的非標(biāo)準(zhǔn)視頻網(wǎng)絡(luò)，容量較小，沒有采用多點控制設(shè)備(MCU)。這種點對點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，單個設(shè)備的故障不影響其他點，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。其缺點是成本高，操作復(fù)雜。1996年建成全國公眾會議電視網(wǎng)，這個網(wǎng)絡(luò)采用了多點控制設(shè)備的兩級級聯(lián)技術(shù)，以北京MCU為中心點，八大區(qū)各設(shè)一臺MCU為二級中心點，各省終端通過2M專線電路接入本大區(qū)的MCU。隨著視訊技術(shù)的發(fā)展和通信市場的變化，中國電信又先后于2002年和2003年建成供集團公司內(nèi)部使用的2M和8M高清晰會議電視網(wǎng)，8M高清晰會議電視應(yīng)用了MPEG-2編解碼技術(shù)。2002年，中國電信推出了定位于市場中低端用戶的“新視通”業(yè)務(wù)，系統(tǒng)兼顧了H.320和H.323協(xié)議。支持?jǐn)?shù)字專線、ISDN/LAN/ADSL以及其他多種接入方式。支持接入的終端包括H.320終端、H.323終端、H.320/H.320一體化終端，為用戶提供全方位、多樣化的服務(wù)。

　　中國聯(lián)通“寶視通”視訊網(wǎng)是基于中國聯(lián)通數(shù)據(jù)綜合業(yè)務(wù)承載平臺，采用基于IP技術(shù)的H.323技術(shù)體制，用戶可通過專線或?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)接入到聯(lián)通寬帶視訊網(wǎng)使用該業(yè)務(wù)。全網(wǎng)采用多級GK組網(wǎng)，交換容量大，全網(wǎng)支持15000個點對點可視電話呼叫，支持同時召開600個多方會議以上，單個會議最大支持300方，全網(wǎng)視訊交換設(shè)備(MCU)互為備份。

5、視頻通信技術(shù)的發(fā)展前景

　　中國的視頻通信業(yè)發(fā)展已經(jīng)有10年的發(fā)展歷程了。過去視頻通信的用戶主要是政府部門，直到近期，由于運營商視頻網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和投入，很多的企業(yè)用戶開始參與進來。但網(wǎng)絡(luò)兼容互通、QoS、業(yè)務(wù)模式等問題影響視頻通信快速發(fā)展。由于視頻通信協(xié)議不斷地發(fā)展，存在著支持不同協(xié)議的產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)，這些產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)之間的兼容互通都需要解決。另外，視頻通信設(shè)備功能還需完善，基于IP的H.323視訊網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議方面，對服務(wù)質(zhì)量保證還做得不夠。關(guān)于業(yè)務(wù)模式主要存在著業(yè)務(wù)模型和市場定位不清晰的問題，在資費、計費和結(jié)算方面不夠完善和靈活。

　　目前，由于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、個人收入的增加，以及人們消費觀念轉(zhuǎn)變等諸因素的影響，我國在教育、醫(yī)療、金融、政府、企業(yè)等各行業(yè)中出現(xiàn)了對視頻通信業(yè)務(wù)的巨大需求。隨著視頻通信向著開放性、綜合化、普及化、移動化、個人化發(fā)展，“貴族化”的視頻通信業(yè)務(wù)將逐步進入家庭，進一步走向大眾化，使交互式的視頻通信業(yè)務(wù)如同上網(wǎng)和打電話一樣方便。

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