（通信与信息系统专业论文）一种基于软交换的机顶盒视频通讯系统的研究与设计.pdf

摘要 机顶盒是一种扩展了电视机功能的新型的家用电器，它能提供多种业务，有足够的 网络接入带宽，并有强大的媒体处理能力。视频通讯系统就是一种可以加载于机顶盒之 中的软件式业务。 首先，本文对电信技术和当前通信网络快速发展之间的矛盾以及下一代网络的产生 背景进行了详细分析，同时也分析了下一代网络的结构与特点。详细研究了软交换的基 本定义、主要功能和主要特点。s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话初始协议1 是软交换 网络中应用层的控制协议，用来创建、修改和结束多媒体会话。目前，大部分视频通讯 系统都是基于h 3 2 3 协议的，但是由于s i p 协议在现有通信网向n g n ( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ，下一代网络) 演进过程中十分重要，经过比较两种视频协议，本文采用s i p 作为信令协议，并对s i p 进行了比较细致的分析与研究。 在对视频通讯相关的关键技术研究的基础上，本文提出了一种基于软交换的电视机 机顶盒的视频通讯系统的设计方案，并分别设计了机顶盒视频通讯系统的软硬件构架， 并从系统的功能应用出发采用分层的设计思想，从底层到顶层进行了分层设计，设计出 了系统构架和各个功能模块。最后，对通话的呼叫流程进行了具体研究与设计。实现了 视频通讯系统和控制i p t v 两种业务共存的机顶盒系统，解决了多种业务并存时系统资 源的有效管理以及控制问题。 关键词：视频通讯；机顶盒；v o i p ；软交换；s i p a bs t r a c t s t b ( s e t - t o pb o x ) i sah o u s e h o l da p p l i a n c e sw h i c hi sd e s i g n e dt oe x p a n dt h ef u n c t i o no f t v s e t ，i tc a ns u p p l y em u l t i p l es e r v i c e ss i n c ei th a se n o u g hi pn e t w o r ka c c e s st ob a n d w i d t h a n dap o w e r f u lc a p a b i l i t yo fm u l t i m e d i ap r o c e s s i n g v i d e o p h o n es y s t e mi so n eo ft h ek i n d so f t h es o f t w a r es e r v i c e v i d e oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sak i n do fb u s i n e s ss o f t w a r ew h i c hc a n b el o a d e di n t os e t t o pb o x t h i sp a p e rb e g i n sw i t hc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s , a n a l y z e st h eb a c k g r o u n do f t h en g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ) i nd e t a i l ，t h e np r o v i d e sad e t a i l e ds t u d yo ft h eb a s i c d e f i n i t i o n ，t h em a i nf u n c t i o n sa n dt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fs o f t s w i t c h s i p ( s e s s i o n i n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) i sac o n t r o lp r o t o c o lo v e ra p p l i c a t i o nl a y e ri ns o f l s w i t c hn e t w o r k ，s i pc a n b eu s e dt oc r e a t e ，m o d i f ya n de n dm u l t i m e d i as e s s i o n s a tp r e s e n t ，t h em o s to ft h ev i d e o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r eb a s e do nt h eh 3 2 3p r o t o c o l ，b u t ，d u et ot h es i pp r o t o c o lp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ee v o l u t i o np r o c e s so ft h ee x i s t i n gn e t w o r kt ot h en g n a f t e rc o m p a r i n g t h et w op r o t o c o l s ，t h i sp a p e ru s e ss i pa st h es i g n a l i n gp r o t o c 0 1 c o n s e q u e n t l yac o m p r e h e n s i v e s t u d yo fs i pi sg i v e n b a s e do nt h es t u d yo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fv i d e o p h o n es y s t e m ，t h ep a p e rg i v e sak i n d o fd e s i g np r o p o s a lo fi pv i d e o p h o n es y s t e mi ns t bb a s e do ns o f l s w i t c h a n dd e s i g n e st h e a r c h i t e c t u r es y e t e mo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f r o mt h ef u n c t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e m ，t h ep a p e rp r o v i d e sad e s i g nf r o mb o t t o mt ot o pw i t hh i e r a r c h i c a l ，c a r r i e so u tt h e s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ed e s i g no fe a c hf u n c t i o nm o d u l e f i n a l l y ，as p e c i f i cr e s e a r c ha n d d e s i g no ft h ec a l l i n gp r o c e s so ft h ec o m m u n i c a t i o ni sp r o v i d e d i tr e l i z e dt h ec o - e x i s t e n c e s t bo ft w os o f t w a r em o d u l e sw h i c ha r et h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h ec o n t r o lo fi p t v t h et w os o f t w a r em o d u l e sr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fs y s t e mr e s o u r c em a n a g e m e n ta n dc o n t r o l e f f e c t i v e l y ，w h i c ha r i s e sf r o mt h ec o - e x i s t e n c eo fv i d e o p h o n es e r v i c e sa n d 嘲no d k e y w o r d s ：v i d e o p h o n e ；s t b ；v o l p ；s o f t s w i t c h ；s i p 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 王弓 日期：。f o 年 6 月；e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：王哆日期：口f o 年5 月弓e t 导师签名： 日期：7 4 。年 日 1 1 本课题研究背景及意义 第一章绪论 机顶盒是一种流媒体服务的设备终端， p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专家组) ， 它包括编解码流数据比如m p e g 2 ( m o v i n g m p e g 4 等的解码器，同媒体服务器进行交 互以用来控制视频节目的播放。并且，其中含有把流媒体数据转化成电视信号的解码器。 机顶盒分为两大类，一种接收电视信号( 来自有线电视网络、数据网络，使用m p e g 压缩格式) ，能够获得更高的视音频质量，这种称为电视机项盒。而另一种机顶盒自带 操作系统以及浏览器软件，并接入电话网、有线电视网或者数据网，使电视机作为显示 终端，从而进行无电脑的上网，这种机顶盒被称为i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 机顶盒。i p 机 顶盒也相当于一台带有嵌入式操作系统的p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机，它能接入互联网， 将音视频信号输出至电视，把从网络接受到的流媒体数据解码成模拟的音视频输出至电 视。它和计算机一样有数据交换的基本功能，可以采用遥控器对其直观操作。 机顶盒和其他家用电器一样易用、简便、价格便宜、维护简单，弥补了电脑普及率 不高的现状，打破了现有宽带格局，并且创造了新的增长点，能够充分拉动宽带接入， 继而提高网络利用效率的最佳方式【1 1 。 随着互联网技术和计算机信息技术的不断快速发展，信息的数字化程度将越来越 高，互联网成为全球传递信息最方便和最快捷的突降，开始使用计算机来处理日常事务 的用户越来越多，但是，就我国这一个发展中国家而言，由于计算机的价格和费用等成 本因素，使得许多低收入人群望而却步。但是我国电视架的普及率极高，同时计算机有 着操作不方便以及不灵活的特点。那么，如何使得传统的电视机接入到网络以完成数字 信息化的需求成为高度关注的焦点。l p 机顶盒的到来在很大的程度上解决了这一问题。 在p c 机普及率不高的情况下，把宽带流媒体服务技术扩展到机顶盒，给用户享受到宽 带的好处，也会给运营商带来更好的商机。 通常地，机顶盒跟视频通讯没有相关性，但是随着社会的不断发展、通信技术的持 续更新，在家庭机顶盒中加入视频通讯功能是发展的趋势，在同一件设备上综合两者的 功能，使资源利用最大化，也有利于业务的开展。 随着网络的发展，机顶盒不只是用于数字电视节目的接受与播放，也可以作为互联 网与电视机的桥梁，使得宽带网中丰富又多彩的节目内容通过i p 机顶盒来展现在电视 上，为广大的电视用户带来全新的数字生活体验，并融入了宽带网络、多媒体内容的宽 带多媒体服务，将人们带入一个全新的数字生活时代。 i p 机项盒的基本功能是接受到数字电视节目，同时具有所有广播、点播和交互式 多媒体应用功能。i p 机顶盒的基本原理是接受并解压网络视频和音频媒体数据，将其转 换为电视信号的格式输送给电视机终端播放。而v o l p ( v o i c eo v e r i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 俗称口 电话，是建立在口技术上的分组化、数字化的传输技术，是指以分组的形式传送语音 数据【2 1 。其基本原理是：对语音数据按照语音压缩算法进行压缩编码处理，然后把这些 编码后的语音数据按相关协议进行打包，经过i p 网把这些数据包传输到接收地，接受 终端再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，将恢复成原来的语音信号，从 而达到利用i p 网络传送语音的目的。于此看来，i p 机顶盒的基本原理与v o i p 或i p 视 频电话类似，因此在技术上可以将v o l p 或i p 视频电话功能集中到机顶盒之中，既省去 用户购买v o l p 设备的费用，又方便宽带网络运营商开发新业务1 3 l 。 在现有的机顶盒中，实现视频通讯功能是基于h 3 2 3 协议。本文中提出了一种基于 软交换的机顶盒视频通讯系统，使用s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，初始会话协议) ，容 易升级扩展，易于接入至软交换，支持下一代网络的构架1 4 1 。软交换是一个基于软件式 的分布式交换控制平台，它的主要思想是业务控制和承载接入相互分离【5 1 。 1 2 本课题研究领域的国内外进展 视频电话的发展经历了漫长的过程，从2 0 世纪2 0 年代就有人对它进行研究和探索。 1 9 6 4 年，由美国的b e l l 实验室成功的研制了视频电话，它的频带只有3 0 0 h z 到3 4 0 0 h z ， 只能传送黑白的静止的硬拷贝图像。其后，美国b t 公司研制出带宽1 m h z 的会议电视 系统，名为p i c t u r ep h o n em o d 1 1 ，它是可提供活动的黑白图像的可视业务。该系统于 7 0 年代初在美国，投入商业服务。由于上述系统采用的是模拟技术，当时也没有成熟的 音视频压缩技术，因此这些系统占用带宽较大，成本高昂，所以它们都没有得到商业用 户的支持。 i t u - t ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n s e c t i o n ，国际电信联盟电信标准部) 第x v 研究组专门从事可视电话国际标准化问题的研 究，1 9 6 8 年至1 9 7 2 年几次会议上曾提出1 m z 带宽的模拟可视电话方案和规范，但要在 普通电话线上传送模拟的可视电话信号，要求布局特殊的网络，投资费用和用户通话费 2 用极高，限制了它的发展和普及。而且，由于当时音视频压缩技术还不是很先进，而且 大家遵循的技术标准也不同，导致可视电话没有取得很好的发展。 到了7 0 年代，随着数字通信技术的发展和普及，给发展数字式可视电话创造了条 件。在这个阶段，美国、同本等都推出了可视电话系统。1 9 8 8 年，原c c i r ( c 蛐s u l t a t i v e c o m m i t t e eo fi n t e r n a t i o n a lr a d i o ，国际无线电咨询委员会1 和c c i t i ( i n t e r n a t i o n a l c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo nt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n dt e l e g r a p h ，国际电报电话咨询委员会) 共同提出了h 2 6 1 图像编解码的建议并于1 9 9 0 年1 0 月通过。此后，可视电话业迅速发 展。很多公司都己研制出按h 2 6 1 标准进行图像压缩编码的可视电话终端。近年来，随 着图像编码技术的发展和宽带i p 网络的渐渐普及，可视电话又成为人们关注的焦点， 而其他的音视频压缩技术如h 2 6 3 、m p e g 4 等又为视频电话的发展提供了基础。 目前，世界已投入使用的可视电话或者会议电视系统有m i c r o s o f t 的n e t m e e t i n g ， 3 c o m 公司的b i g p i c t u r e ，我们国内有中兴z x m v c 系列( 6 1 和华为v i e w p o i n t 系列 7 1 可视 产品。这些产品有的是基于p c 机的，以软件的形式提供给用户，有一些是基于专门的 终端的。这些产品都是基于h 3 2 3 的，目前还没有基于s i p 协议的视频电话系统投入商 用。 软交换技术作为下一代网络n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ) 的核心技术，软交换作 为n g n 的控制功能模块，为n g n 的具有实时性需求的业务提供呼叫控制和连接控制 功能。软交换技术主要是基于以分组网的，建设下一代网络，实现从p s t n ( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 网和i p 网的平滑互通。利用i p 网的优势减少投资和运营成 本，开发新业务，在继承的基础上实现目前各个业务网之间的互联互通1 4 1 。目前v o i p 存在的主要问题是完全性问题和通话质量的问题。 司文建和周楠【8 】在基于软交换技术增强v o l p 安全功能的实现这篇文章中主要针对 i p 存在的一些信息安全问题进行分析并且利用软交换技术构建新的v o i p 网络，最大 限度地保障v o l p 网络的安全问题，并采用了开放式应用程序接口，使得第三方应用的 开发和新业务的引进比较方便。 杨天水【9 】对软交换系统方案重点提出了一种v o l p 系统组网方案、系统配置方案、 业务解决方案、网络安全方案及n a t ( n e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t i o n ，网络地址转换) 穿越方 案，以此探索电力数据网络上语音通信的解决方法。但是这种结构的缺点是企业现有的 交换机网络利用率不高，网络繁忙且费用较高。 3 在基于s i p 协议的v o l p 中，金雪松针对目诗；j v o i p 通信的发展现状以及对基于s i p 的 v o l p 信令技术、实时媒体语音传输技术和媒体协商技术进行了分析与研究，将他们整合 成一个可操用的v o l p 终端实体。并且分析了语音通信通常用到的一些重要协议，终端选 用b r o a d c o m1 1 0 0 系列语音通信s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 平台，基于v x w o r k s 实时 操作系统，采用消息队列机制来控制系统事务状态机运作与转换的实现。这个终端的优 点是具有通用性强、功能完善、成本相对低等，能较好的完成现有v o l p 终端的大部分主 功能，兼容性较好的，缺点是安全性不好。之后，施佳佳、顾晓辉、郭放提出一个实用、 简单、有效的安全保护机制1 1 1 j 来保护运营商和终端用户免受恶意侵犯。此机制是基于s i p 协议的，侧重于v o i p 服务，有效地解决了计费的安全问题和计费争议。然而，这种机制 的缺点是可以很容易被修订，以适用于其他的v o l p 信令协议。 在因特网上只传递声音进行通信到传递图像的过渡中，申崇江、石峻、张文军在基 于p c 的可视电话系统中视频模块的实现【1 2 】这篇文章中利用“块效应 的后处理技术使 图像主观质量明显有所提高，图像达到1 2 帧s ，主观质量好。解决了于p c 机上实现 h 3 2 4 可视电话系统中视频图像质量的技术难点，对h 3 2 4 可视电话系统的普及有着重 要意义。 在g s t n ( g e n e r a ls w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，通用交换电话网) 上进行视频通讯， 在重点介绍g s t n 视频通话系统中m o d e m 控制软件的实现方法【1 3 】的这篇文章中，作者 雷静重点讨论v 8 0 协议以及用m o d e m 控制由语音通话到多媒体通话转化的过程。该方 法已经实现了可与其他g s t n 视频电话互通的m o d e m 控制软件。但在实际使用过程中 也发现了许多问题，如m o d e m 硬件对v 8 0 协议支持的完备程度不同，导致了控制软件 对硬件的依赖性，以及通话过程中存在m o d e m 停止工作的现象，这些都是还需要进一 步解决的。 张亮【1 4 】在中国数据通信上介绍了视频电话系统的基本工作原理，以及所常用的协议 族h 3 2 3 协议标准，并结合宽带网络现有情况，有针对性地探讨了宽带视频电话系统的 解决方案问题。 熊平华、杨建纲【1 5 j 从h 3 2 3 协议簇和m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ，中文名称为微控制 单元1 系统的软件和硬件结构设计出发，设计了一套基于h 3 2 3 的i p 视频电话视频会议 系统，它是一个嵌入式系统，是针对特殊要求而设计的，在网络层采用分组交换，以提 高资源的利用率：硬件采用了双板结构，将音视频编解码、数据封装等硬件放在母板上， 4 将网络通信等放在子板上；板间通信采用了流机制，软件系统采用了数据驱动方式。这 个视频会议系统优点是可靠性好、成本低廉以及移植性较好。 在基于h 3 2 3 协议的视频电话领域内，有种基于d m 6 4 2 芯片的i p 视频电话系统 的设计方法【1 6 】，在d m 6 4 2 芯片的结构分析的基础上详细说明了系统架构以及各功能模 块，设计出了各模块的硬件框图和软件框图，系统基于h 3 2 3 协议，但是下一代网络是 基于s i p 协议的，所以不适合下代网络。其系统硬件结构图如下所示： 鋈酵 i 蠡 黼络l 接【j i 翟m 6 4 b i t 孕8 b i t 6 4 b i t lll k 厂一。广一 l - o _ - 一西d l t o 褪缅端ij l ；l 税硒端【j 2 t m s 3 2 0 d i m 6 4 捌i ：c e m a c ll 多通过i i 颏 1 多涵遨滋j i l f l 烈氐l 税缬编弼器l 辘，j ： 5 0 5 奠s a a 7 1 2 1 hl 蟛 行绷粕纠 器a i c 2 3 邂缴 缴筑k f 豁 钏f i f 选l 图1 1 系统硬件结构图 随着电视技术的发展，可以将可视电话与电视机联系起来。文献 1 7 1 提出了一种 在电视机平台上添加视频电话模块的方案。该方案的电视平台采用的是t r i d e n tw x 6 8 平台，视频电话模块采用的是t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片，并通过测试证明该设计的可行性。 在数字电视极为普遍的今天，数字电视机顶盒成为数字家庭的中心，在电脑没有 电视普及的今天，以机顶盒作为平台，将通讯系统载入到机顶盒中使电视成为通讯平台 的终端使得更多人方便的进行信息交流正是目前要解决的问题。文献 1 8 1 讨论利用嵌入 式系统和互联网对电视机进行功能扩展，来满足人们对信息交流的需求。重点对腾讯的 通讯平台、增值服务、网络应用等方面进行分析，提出适合口机顶盒平台的通讯系统。 缺点是通讯平台没有针对性，当前，最常用的通讯方式便是音视频通话，也是成本最低 的通话方式，只针对音视频通讯系统做出设计的是文献0 1 1 1 7 1 。 文献 1 9 1 基于数字电视机顶盒的m 视频电话设计，该方案利用机顶盒控制模块， 并且应用于宽带网络中，对话音的压缩要求不高，从而降低了整个硬件的复杂度，方法 简单易于实现。而下一代网络式基于s i p 协议的，此方法适合于h 3 2 3 协议。而且服务 5 质量不高有时延。文献【1 】对于服务质量问题提出改进，并对呼叫模块进行设计。 1 3 本文主要内容及章节安排 1 3 1 本文拟研究的主要内容 视频业务真正发展成为大众业务还有较长的路要走，这当中包括了多方面的原因， 也包括了业务市场的因素，以及业务推广策略的原因，基于上节阐述和总结，可以得出： 基于机顶盒的视频通讯系统要得到进一步的发展，目f j i 面临着如下几个方面的问题： 业务接入问题。 业务互通问题【捌。 通话质量问题。 i p 视频电话的研究与实现涉及多方面的知识与理论技术。 1 3 2 本文的章节安排 本文分析了国内外研究动态，在此基础上，提出了视频通讯的软件式系统研究的主 要内容，并论述了本项目的研究内容。给出了一种软交换视频通讯系统的设计方法。本 文各章节内容组织如下： 第一章介绍了本课题技术背景和选题意义，分析了视频通讯的发展现状，归纳了 本论文的构架和章节安排。 第二章详细研究了视频通话的关键技术，首先分析了h 3 2 3 和s i p 两种通信协议 的特点，重点研究了s i p 协议的基本组件、消息格式和呼叫过程等，并分析了s d p ( s e s s i o n d e s c r i p t i o np r o t o c o l ，会话描述协议) 协议在s i p 中的应用。 第三章首先对机顶盒的功能需求进行了分析，并进行了机顶盒系统结构设计，对 视频通讯系统的设计按照硬件和软件两方面进行设计来完成。 第四章详细对视频通讯系统中软件功能结构进行了研究与设计。采用分层的设计 思想，设计出了系统软件自上至下的七层，最后按照功能模块化的设计思想设计了视频 通讯系统的构架图。 第五章对分析了下一代网络的特点和架构，详细介绍、分析了软交换的定义及其 主要特点、功能和发展中所面临的问题。基于软交换的机顶盒视频通讯过程进行了设计， 并且对通话的呼叫流程进行了具体研究与设计。 第六章全文总结并展望今后的研究方向。 6 第二章视频电话的相关技术 i p 网络视频通讯是指在互联网上基于t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e t p r o t o c o l ，传输控制网络通讯协议1 实时性的传送语音信息和视频信息的一种应用，所使 用到的技术主要有音频编解码技术、i p 网信令协议技术、媒体数据传输技术和视频编解 码技术等多媒体通信技术【2 1 1 。其中，i p 多媒体通信采用了统计复用及压缩编码等技术， 降低了通信成本，节省了网络带宽，所以i p 视频通讯系统可以为用户提供比较经济的 通话和视频服务。从技术角度来说，基于球网络的视频通讯是以多媒体为目标的网络 业务综合化和i p 为标志的网络分组化两大主流技术相互融合的产物。 2 1 音频编解码技术 最原始的语音信号经过语音采集设备输入到机顶盒内部之后，还需要媒体处理器对 其进行编码，以成为适合于在传输信道上传输的数据码。 2 1 1 语音编码的分类 一般将语音编码方法分为三大类：有信源编码、波形编码和混合编码【1 9 】。 ( 1 ) 信源编码 又被称为参数编码，人类语音的生成机理是编码的基础。在编码端，编码器每隔一 定时间分析一次语音信号波形，之后根据这语音信号波形生成模型的参数，再传送出去。 换句话说，采用信源编码对语音进行编码时所传输的信息不是实际的波形数据而是每次 分析得到的参数。接收端根据接收到的语音参数按照一定规则还原成发音者的声音，因 此信源编码的比特率是比较低的。信源编码所需要的带宽较窄，但是语音质量不太好。 ( 2 ) 波形编码 这种编码方式是指对语音信号进行采样、量化、编码将其转换为音频数据流。解码 器做数字模拟变换后再通过低通滤波器恢复得到原始的模拟语音波形，这叫做脉冲编 码调制( p c m ，p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 。差分脉冲编码调制和自适应差分脉冲编码是通 过非线性量化得到，通过前后样值的差分和自适应预测的方法来实现数据压缩的。波形 编码是为让解码器最后恢复出来的模拟化信号在波形上与编码前的原始波形尽量相一 8 致，即失真要最小。波形编码的方法比较简单，但比特率比较高，当比特率低于一定数 值时音质显著降低，音质很差。 邝) 混合编码 这种编码结合了参数编码和波形编码两种系统的优点【2 1 1 ，它利用语音生成模型， 经过对模型中的参数进行编码，使得波形编码中被编码对象的数目或动态范围减少，又 使编码过程中产生的合成语音比较接近原始的语音波形，这样将会保留说话人的语音各 种自然特征，又能提高语音的质量。 在混合编码中，分析合成编码经常被使用。编码系统先分析输入的语音，根据分 析结果提取声道参数，然后选择合适的激励信号以激励声道音，最后比较合成语音和原 始语音的区别，选择出最佳激励，以追求最佳接近原始语音的效果。因此，编码的过程 其实是一个分析并合成的过程。 2 1 2 音频编解码标准 目前有几个比较流行的语音压缩编码【2 1 1 ： 脉冲编码调制：p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ，在p c m 编码方案中，一直是采用非 均匀量化。将原始模拟的语音、图像信号经过抽样，再用四舍五入法对其进行取整量化。 p c m 这种编码的优点是语音质量比较好。 差分脉冲编码调制：d p c m ( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ，不对语音信息本身 进行编码，而是利用语音信息的前后样值间的差值，采用差分值和预测值的误差进行量 化后再传输，在接受端，根据误差信号，采用与发送端相同的方法恢复出原始信号【2 2 1 。 自适应脉冲编码调制：a p c m ( a d a p t i v ep u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ，这种波形编码技术 是根据输入信号幅度大小的变化来改变量化阶的编码技术。这种自适应可以是音节自适 应；也可以是瞬时自适应f 矧。 自适应差分脉冲编码调制1 2 4 l ：( a d p c m ，a d a p t i v ed i f f e r e n t i a l p u l s ec o d e m o d u l a t i o n ) 或称g 7 2 6 是u t 制定的语音编码标准。它的核心思想是：利用自适应 的改变来量化阶的大小，即用大的量化阶去给大的差值编码，用小的量化阶去给小的差 值编码；使用当前收到的波形来预测下一个出入波形，并保证他们之间的差值最小。 码激励线形预测编码1 2 4 1 ：c e l p ( c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) 由欧洲通信标准协会 制定，在低速率语音传输环境下可以得到最好的压缩效果。许多高级的语音压缩方式是 以c e l p 为基础的，n - - i 以将语音压缩到8 k b p s ，5 3 3 k b p s 和9 k b p s 。 o 低延迟码激励线形预测或称g 7 2 8 ，它其实是一种优化了的c e l p 算法，是i t u t 在1 6 k b p s 的速率下的标准方式。 2 1 3 音频编码标准的比较 音频编码器的好坏主要有两个指标1 2 3 】为时延和m o s ( m e n ao p i n i o ns c o r e ，平均意 见分) 值。 编解码器的时延是帧大小、前视时延与处理时延之和，即其工作所需要的时间，对 于特定的编码，标准时延是确定的。网络传输时延具有离散性，取决于信道的性质，也 取决于网络的负荷。 另外，m o s 值标准是主观评测语音标准的一种，是目前应用最广泛测试标准。采 用等级计分制，一般情况下要求m o s 值要达到4 以上。 其含义如下表2 1 所示。 表2 1m o s 计分含义 m o s含义 失真级别 5 e x c e l l e n t ( 优) 延时很小，交流顺畅 4 g o o d ( i 吏) 延时小，交流顺畅，有杂音 3 f a i r ( 中) 听不太清，有一定延时，尚可交流 2 p o o r ( 差 延时较大，交流需多次重复 1 b a d ( 劣) 不可接接延时大，无法交流 在选择语音压缩算法时，要将各种因素综合起来考虑，一般，比特率较高可以保证 良好的语音质量，但需要大量存储空间，而比特率过低又会影响通话质量和影响延迟。 因此，既要保持良好的语音质量，又要保证低比特率，这是选择语音压缩算法的原则【2 4 】。 采用语音压缩编码之后的语音能够很好的提高信道的利用率，然而，与此同时带来 的是时延的增加和m o s 值的下降，从而影响话音质量。本课题要求设计的视频通讯系 统的语音质量的m o s 值保证在4 以上，现在在局域网内网络带宽可达到l o o m b p s ，带 宽可以达到1 m b p s ，所以信道利用率暂时可以不做考虑。但是作为一个完整的视频通信 系统终端，应该支持更多的语音标准，比如g 7 2 8 ，g 7 2 9 等，这一点将是下一步要展开 的工作。 1 0 现将g 7 1 1 ，g 7 2 6 ，g 7 2 8 ，g 7 2 9 ，的语音质量和时延做对比，如下表2 2 所示。 表2 2 话音编码标准的比较 编码标准 编码方式编码速率复杂度 时延( m s ) m o s g 7 1 1p c m 6 4 k b p s 10 1 2 5 4 3 g 7 2 6a d p c m 3 2 k b p s 1 00 1 2 5 4 o g 7 2 8 l d c e l p 1 6 k b p s 5 00 6 2 54 o g 7 2 9 c s a c e l p 8 k b p s 3 01 54 0 2 2 视频编解码技术 由于原始的视频图像承载了海量的信息，通常含有大量的数据，所以对通信传输的 带宽、数据存储等设备都提出了较高的要求。如果不对原始的数据进行处理，根本不可 能达到实时性传输的目的。基于图像信息有几何冗余、时间冗余、心理视觉冗余和编码 冗余的特点，这几种冗余都是数字视频进行数据压缩处理的出发点和依据。如果视频压 缩编码算法能针对其中某一种或多种冗余性采取相应的措施，压缩或能消除冗余性，则 必定能达到理想的数据压缩效果。 堂皇再磊 全电视信号l 采集 模拟r g b ( v u v ) a ，d 变换 模拟r g b ( y u v ) 处理器r 帧存储器 d a 变化 模拟r g b ( y u v ) 模拟r g b ( g u y ) 显示l 设备i _ j 电视、 显示器等 网络接 口卡 图2 1 机顶盒的视频采集与显示过程 来自摄像头等的原始视频信号则是标准的全电视信号，当今通用的电视标准有 s e c a m 制式( 又称塞康制，s e q u e n t i e lc o u l e u ram e m o i r e ，按顺序传送彩色与存储) 、n t s c 制式( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e ，国家电视标准委员会，) 、p a j l 制式( p h a s e a l t e r n a t i n gl i n e ，逐行倒相) 三种，尽管这三种制式对信号的处理方式都不相同( 如相位 1 1 处理、彩色空间各不相同) ，但其获取视频的流程完全一样。 最开始彩色全电视信号被送至视频采集接1 2 分解成模拟的y u v ( 欧洲电视系统所 采用的一种颜色编码方法，y 代表亮度，u 和v 代表色差) 信号或r g b ( r e d ，g r e e n ，b l u e ) 信号，其次对各个分量进行模数变换、解码，将变成数字化的y u v 信号或r g b 信号， 放入帧存储器。c p u 处理器通过总线对帧存储器中的数据进行处理，在处理之后帧存储 器中的数字y u v 信号或r g b 信号经过数模变换会变成模拟的y u v 或r g b 信号，再 经编码合成最后成彩色的全电视信号，最终输出到电视上显示。来自网络侧的视频数据 经过网络接口存放在帧存储器里，最后由c p u 加以处理并发往显示终端。其流程如2 1 图所示【2 5 1 。 2 2 1 视频编码方法的分类 表2 3 视频编码方法的分类 编码方法基本原理实例 给出现概率较大的符号短算术编码 码字，而给出现概率小的符号 霍夫曼编码 熵编码 长码字，使最终平均码字很小 游程编码 差分脉冲码调制 考虑原始数据的语义，通离散余弦变换 源编码过消除不相关数据以达到对原傅立叶变换 始数据流的压缩迭代函数系统 运动补偿预测 分形图像压缩 h 2 6 1 混合编码熵编码和源编码的组合 h 2 6 3 j p e g 小波图像压缩 在保证一定图像质量的前提下，以尽可能少的比特数来表示视频信息【冽这是视频 编码的主要目的。传统的视频压缩编码的出发点是香农信息论，以统计概率的模型来描 述信源，通常编码的实体为像素或者像素块。真正能够代表视频编码算法方向的是第二 1 2 _ 代编码技术，是基于内容的，主要是考虑如何去消除视频内容的冗余，因为人眼是视频 信号的接收者，视频编码时必须充分地考虑到人眼视觉的特性。 视频编码方法根据其原理分为三类，如表2 3 所示。 2 2 2 视频编码的标准 i s o i e c ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织 i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 和u - t 是制定视频编码两 大标准组织。i t u t 所制定的标准包括h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 ，应用于对实时性有较高 要求的视频通信领域，如视频会议；i s o i e c 制定的标准主要是m p e g 系列标准，主要 应用于广播电视、视频存储、互联网或无线网上传输的流媒体等【2 6 】。 ( 1 ) h 2 6 1 视频编码标准 h 2 6 1 标准是为综合业务数字网i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，综合业 务数字网) 而设计，为在i s d n 上开展双向声像业务而制定的，主要针对实时编码和解码 设计，压缩和解压缩的信号时延低于1 5 0 m s ，h 2 6 1 标准主要采用运动补偿的帧间预测、 自适应量化、d c t 变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，离散余弦变换) 、熵编码等压缩技术。 只有p 帧和i 帧，没有b 帧，运动估计只能精确到像素级的精度。h 2 6 1 标准能够支持 两种图像扫描格式：q c i f ( q u a r t e rc o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t ) 和c i f ( c o m m o n i n t e r m e d i a t ef o r m a n 。 ( 2 ) n 2 6 3 视频编码标准 h 2 6 3 是n u t 制定的视频编码标准，主要是为低于6 4 k b p s 的窄带信道而制定。 它以h 2 6 1 为编码基础，以混合编码为核心技术，其编码的原理和h 2 6 1 很相似，；另 外，h 2 6 3 还采用了m p e g 一些标准中有效或者合理的部分，使它性能更优于h 2 6 1 。 h 2 6 3 能支持多种图像格式：q c i f 、s q c i f ( 1 2 8 x 9 6 ) 、c i f 、1 6 c i f 、4 c i f 。h 2 6 3 采用 了半像素精度的运动补偿，而且增加了4 种压缩编码模式洲。 算术编码模式，是基于句法的模式，使用算术编码以代替哈夫曼编码，可以降低 码率，并能保证信噪比与重建图像的质量相同。 运动矢量模式，这是一种无限制的的模式，当在编码图像以外的区域，存在一个 运动矢量所指向的参考宏块时，就用它边缘图像的像素值来代替。又当运动存在跨界时， 这种模式会获得较大的编码增益，尤其是对较小图像而言。 1 3 先进的预测模式，该模式的编码增益是非常显著的，尤其是采用重叠的块运动来 补偿能够减少的块效应，并能提高主观视频质量。 p b 帧模式，这种模式规定一个p b 帧包含进行编码的两帧图像。所以p b 帧模式 可以在保证码率增加很少的情况下使帧率加倍。 (