（通信与信息系统专业论文）基于校园网的多点视频会议系统方案规划与实施.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机网络技术、多媒体技术和通讯技术的发展，视频会议技术的开发和 应用已经成为网络应用的热点之一，i t u 和i e t f 两大组织分别提出自己的网络多媒 体架构。高速的压缩技术和相关协议标准的制定，使在数字信道上进行交互式多媒 体传输成为可能。目前，许多校园已经实现“主干千兆，桌面百兆”的网络升级改 造，如何利用高带宽的校园网络，在高质量地提供传统网络服务的同时，进行丰富 多彩的多媒体应用，更好地服务于教学和科研，已经成为今后校园网建设的中心任 务。 校园数字化建设分为既相对独立又紧密协作的两个部分：实时视频交互系统和 多媒体交互式教学平台。本文主要内容是围绕着解决在校园网环境内建立起网络多 点视频会议系统的问题。 本文参照i t u 制定的h 3 2 3 多点视频会议标准，有效的结合i e t f 的r t p r t c p 协议，提出在i p 组播环境中实现纯软件的交互式多点视频会议系统，该系统具有良 好的扩展性和可管理性；在系统中还加入了服务质量控制模块，系统终端适应性强： 适合于在校园环境中进行各种学术会议和学术讨论，是经济可行的视频会议系统。 本文所做的主要工作包括： 1 分析了基于h 3 2 3 分布式多点视频会议系统优缺点，从校园视频会议的特点 出发，结合i e t f 的r t p r t c p 协议提出了系统的解决方案； 2 介绍了适合系统的网络技术、多媒体技术以及编程工具，着重就组播技术理 论和r t c p 报文进行详细的剖析： 3 r t p r t c p 协议和多媒体数据传输的软件实现： 4 组播通信的软件开发； 5 设计了服务质量控制模块和会议管理模块： 6 w i n d o w s 系统下的多媒体软件底层开发，包括音、视频的捕获、压缩、解压 和回放。 关健诃，l p 组播多点视频会议实时传输协议服务质量 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o w i n g t ot h ep r o g r e s so f c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv i d e oc o n f e r e n c e t e c h n o l o g yb e c o m et h eh o t s p o to fn e t w o r kt e c h n o l o g y f h et w oo r g a n i z a t i o ni n c l u d i n g i t ua n di e t fh a do f f e r e dt h e i rn e t w o r km u l t i m e d i af r a m e w o r k r e s p e c t i v e l y i t i s p o s s i b l et o t r a n s f e rm u l t i m e d i ai n d i g i t a lc h a n n e lb e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to ff a s t c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee s t a b l i s h m e n to fs o m er e l a t e ds t a n d a r dp r o t o c 0 1 m a n y c a m p u s e sh a df i n i s h e dt h eu p g r a d eo fo l dn e t w o r ka n dr e a l i z e d “t r u n kk i l o - m e g a ， d e s k t o ph u n d r e d - m e g a a tp r e s e n t ，s oi ti so u rn o wi m p o r t a n tm i s s i o nh o w t ou t i l i z et h e w i d eb a n d w i d t ho f c a m p u sn e t w o r k o f f e r i n ga b u n d a n tm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o ni na d d i t i o n t ot h eh i g h q u a l i t y t r a d i t i o n a ln e t w o r ks e r v i c et os e r v eo u r t e a c h i n g a n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h t h ed i g i t a lc o n s t r u c t i o no fc a m p u sn e t w o r ki n c l u d e st w oi n d e p e n d e n tb u tt i g h t l y c o o p e r a t i v e s e c t i o n s ，w h i c ha r er e a lt i m ev i d e oi n t e r a c t i v e s y s t e m a n dm u l t i m e d i a i n t e r a c t i v e t e a c h i n gp l a t f o r m t h i sa r t i c l em a i n l y f o c u s e so i lt h er e s o l u t i o no ft h e c o n s t r u c t i o no f m u l t i - p o i n tv i d e o c o n f e r e n c ei nc a m p u sn e t w o r k t h i sa r t i c l ea b i d e sb yt h es t a n d a r do f h 3 2 3m u l t i p o i n tv i d e oc o n f e r e n c e ，c o m b i n e s w i t ht h er t p r t c pp r o t o c o lo fi e t fa n dp u t sf o r w a r da ni n t e r a c t i v ev i d e oc o n f e r e n c e s y s l e mi ni pm u l t i c a s t i n gc o n t e x tb yp u r es o f t w a r e t h i ss y s t e mh a sa9 0 0 de x p a n s i b i l i t y a n di ti se a s i l yr e g u l a t e d q o sm o d u l eh a sb e e na d d e di n t ot h es y s t e m ，s y s t e mt e r m i n a l h a sag o o da d a p t a b i l i t y i tc a no f f e ra ne c o n o m i cp r a c t i c a b l ev i d e os y s t e m ，s oi ti s s u i t a b l ef o rl e a r n i n gc o n f e r e n c ea n dl e a r n i n gd i s c u s s i o ni nc a m p u sn e t w o r k m u c hw o r kh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e r ： 1 i ta n a l y z e st h ea d v a n t a g ea n dt h ed i s a d v a n t a g eo f t h ed i s t r i b u t em u l t i - p o i n tv i d e o c o n f e r e n c es y s t e mb a s e do nh 3 2 3 ，a n df o r w a r d sas y s t e mr e s o l u t i o nc o m b i n e dw i t h r t pa n dr t c po fi e t fb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fc a m p u sn e t w o r kv i d e o c o n f e r e n c e 2 i ti n t r o d u c e st h en e t w o r kt e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y a n dp r o g r a mt 0 0 1 i i 垫堡堡三奎堂堕主堂焦丝苎 s u i t a b l ef o rt h i ss y s t e m ，t h i sa r t i c l eg i v e sad e t a i l e da n a l y s em a i n l yo nt h em u l t i c a s t t e c h n o l o g ya n dr t c pd a t a g r a m 3 t h es o f t w a r er e a l i z a t i o no f r t p r t c pp r o t o c o la n dm u l t i m e d i ad a t at r a n s f e r 4 t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t so f m u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o na r ea l s od i s c u s s e d 5 i td e s i g n sq o sm o d u l ea n dc o n f e r e n c em a n a g e m e n tm o d u l e 6 t h em u l t i m e d i au n d e r l y i n gs o f t w a r ed e v e l o p m e n t si n c l u d i n gs o u n da n dv i d e o s t r e a mc a p t u r e ，c o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o na n dp l a y b a c ko ft h es t r e a mi n w i n d o w s s y s t e m k e y v o r d s ：i pm u l t i c a s tm u l t i p o i n tv i d e o c o n f e r e n c e r t pq o s 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 视频会议概述 第1 章绪论 视频会议( v i d e oc o n f e r e n c e ) ，又称视讯会议。是指两个或两个以上不同地方 的个人或群体，通过传输线路及多媒体设备，将声音、影像及文件资料互传，达到 及时且互动的沟通，以完成会议目的的通信系统川。采用视频会议的方式，可以使 身处异地的与会者听到与会人员的声音，还可以看到会议参加者，并共同商讨问题， 研究图纸和实物等。e 与真实的会议无异。可使每个与会者确实有身艋其境之感。 它还可以同时提供文件传输，静止图文传递等一系列辅助服务项目。视频会议系统 是集通信、计算机技术、微电子技术于一体的远程异地通信方式。典型的系统包括 视频系统、音频系统和共享电子白板系统。 1 1 1 视壤会议发晨的历史和现状 1 9 6 4 年，世界上最早的模拟技术可视电话p i c t u r ep h o n em o d i 诞生于美国贝 尔实验室它采用了图像和话音分时传输的方法，但因为这种模拟传输的可视电话 系统费用昂贵，被迫停止。7 0 年代，数字通信取得巨大发展，数字图像和语音编码 技术有了很大进步，8 0 年代初期，模拟信号的采样和变换也得到极大改善。数字处 理技术逐步走向成熟，随着2 m b p s 的彩色数字视频会议系统的研制成功，日本和美 国分别形成了非标准的国内视频会议网8 0 年代中期，大规模集成电路技术飞速发 展，图像编码解码技术取得突破，网络通信费用降低，这些都为视频会议走向实用 提供了良好的发展条件。8 0 年代末，多媒体技术、计算机技术、通信网络技术都得 到了快速发展。此时，c c i t u ( i t u n 也形成了h 2 0 0 系列建议，规定了统一的视频 输入输出标准，算法标准、误码校验标准及一系列互通的模式转换标准，解决了不 同厂商的设备互通问题，打破了视频会议技术及其设备由少数大公司一统天下的垄 断局面，极大地推动了视频会议的发展，另外，高速i p 网络及i n t e m e t 的迅猛发展， 各种数字数据网分组交换网、i s d n 以及a t m 的逐步建设和投入使用，也使视频 会议的应用与发展进入一个全新的时期9 0 年代初期，第一套国际标准h 3 2 0 获得 通过，使不同产品的兼容性问题得到解决配合h 2 6 1 视频会议系统向小型化发展， 并出现可移动型系统。同时，桌面型视频会议系统成为一大热点。1 9 9 2 年美国视讯 公司( c l i ) 推出基于m a c i n t o s h i i 的c a m e o 系统，代表着p c 桌面视频会议技术的 开始，视频会议系统这一贵族化的技术有了平民化的价格。h 3 2 0 视频会议系统经 武汉理工大学硕士学位论文 过多年发展和完善，大量用户已安装使用了此类视频会议( 会议电视) 系统，并且 确立了有服务质量保证的网络基础。而时至今日h 3 2 3 这标准逐渐得到各视频 会议系统厂商的普遍支持，其风头已经盖过了h 3 2 0 ，随着网络服务供应商宽带业 务的拓展以及在保证网络服务质量情况下对核心宽带骨干网技术的应用，我们可以 预见，网络传输能力将得到更进一步提高，从而促进h 3 2 3 视频会议系统的快速发 展。 在我国，多媒体视频会议业务在7 0 年代开始研究，大致经历了模拟、数字和统 一制式三个阶段。目前，国家视频会议骨干网已经建成，并逐步发展到远程医疗、 远程教学等领域。视频会议通信系统产品的研制也保持与国际同步。在开发基于专 用网的视频会议系统的基础上。基于n i s d n 的多媒体终端和多点控制单元 ( m u l t i p o i n t c o n t r o lu i n t ) 进入实用阶段。目前已经形成了国内中兴、华为等大企业 与国外如v t e l 、p i c t u r e - t e l 、v c o n 等公司共同分享国内会议电视市场的竞争局面。 1 1 2 视预会议的发晨趋势 视频会议作为交互式多媒体通信的先驱，已经有2 0 多年的历史，顺应三网合一 的发展趋势，势必要进入一个新的发展阶段。目前视频会议正经历个巨大的转变， 产生这种转变的因素是商务、办公、培训、经济和技术因素，以及在包交换网络中 的广泛应用。各种会议扩展应用的出现对单纯的视频会议功能进行了补充，形成了 对传统会议电视的竞争。视频会议不再集中在视频会议、音频会议和t 1 2 0 数据合 作，不再仅仅关注诸如m c u 端口容量、多画面功能、系统级连能力，网络和技术 的变革正在悄然引导视频会议产业进入一个新的应用领域，其主要表现为三种形式： 第一种形式：c o n f e r e n c e ( 会议) ，一种方式是采用实时通信，音频、视频或数 据的实时通信，另一种方式是以w e b 为基础的数据会议应用。从这点来看，会议包 含的即时信息，可以是音频、视频或文本形式，以及狭义的应用如远程展示( 数据 基于w e b ，声音基于p o t s 或通过包交换网络传输) 。这是对传统观念上的会议电视 功能的兼容和继承。 第二种形式：c a s t i n g ( 广播会议) ，即点对多点的广播，广播具有较高的实时性。 今天，大部分c a s t i n g 是基于w e b 方式和视、音频流技术，如采访、现场会等。它 是典型的不交互的，非常像广播电视。广播会议技术可广播视频、音频，听众可以 通过文字、图像或邮件来回复和提问。这是对传统会议电视功能的扩展，将广播功 能纳入到会议系统中来，这是对会议电视系统的扩充 第三种形式：c a c h i n g ( 可存储会议) ，它是对正在召开会议的内容进行实时存 - 2 - 武汉理工大学硕士学位论文 储，可以一边存储一边广播( c a s t i n g ) 。与传统的会议电视系统相比。这种会议电视 系统具备可存储会议，可开放会议的特性，这是对会议电视系统功能的又一次扩充。 将所有这些技术和应用需求融合，未来视频会议是多媒体视频会议( r i c h m e d i a c o n f e r e n c e ) ：它是一个全新的多媒体通信应用环境，包括视频、音频、图示和数据 一体化的解决方案整个环境是可扩充、可开放的。系统可以与i p 网络互通，也可 以和别的系统进行互通，支持会议广播功能，同时具有实时和非实时的通信应用， 可存储会议内容，会议是可重放的，整个系统包括视频会议、音频会议、w e b 会议 和i c o 即时信息，以及相关信息即时存储和广播，可以实现在开会的时候通过会议 电视系统点播存储在流媒体服务器系统中的内容，查看各种会议中需求的文件等。 1 2 本课题内窖 1 2 1 课来源 来源：武汉理工大学校园网二期工程 1 2 2 课研究的耳的和意义 近年来，千兆以太网技术有了突飞猛进的发展，它已经在全国高校校园网的建 设中得到了广泛的使用，武汉理工大学由原武汉工业大学、武汉交通科技大学和武 汉汽车工业大学三校合并组建而成三校合并后，学校为此提出了校园网络化、教 育信息化和办公自动化的“三化”建设目标2 0 0 1 年学校投资数百万元实施了校园 网扩建工程，目前几乎所有校区网络实现了光纤互连互通，校园网规模得以扩大、 性能明显提高，实现了全校网络的整合，基本实现了校园网络化目标，为实现数字 化校园打下了坚实的基础。网络速度的提高和计算机性能的上升，使得网络多媒体 通信的应用成为可能，跨校区网络教学支撑平台作为教育信息化的基础设旖，成为 目前最紧迫的首要任务。利用网络技术将学校建设成数字化校园是解决上述问题的 必由之路。面基于校园网的数字化远程教育平台是数字化校园的核心组成部分，其 基本特征是能在计算机网络上进行高效率实时多媒体信息多点传输，真正实现分布 式实时远程授课，在网络虚拟空间中完成传统教学过程的模拟，有力促进教育思想 改革和教学手段现代化；校园数字化系统分为既相对独立又紧密协作的两个部分： 实时视频交互系统和多媒体交互式教学平台本系统将在校园网环境内建立起网络 多点视频会议支撑平台，武汉理工大学包括六个校区，各个校区相距甚远，如果可 在校园网上召开视频会议，可以节约许多人力，财力和时间，提高办事效力。领导 - 3 - 武汉理工大学硕士学位论文 们，教师们不必再经常奔波于各个校区，同时还可以利用视频会议系统进行网上教 学，机房、实验室的远程监控无人监考以及语音聊天。网上座谈，极大地丰富校 园网的多媒体应用，是提高高校教学工作、丰富校园生活必须跨越的环节。 1 2 3 本文研究的内容 视频会议系统最初是点对点的会议传输，后来发展为点对多点及多点对多点传 输。目前在校园网上的多媒体应用主要是基于流媒体的一些点播和广播、组播的应 用，无法实现音频、视频双向交互；其次是利用n e t m e e t i n g 客户端进行交互，但 n e t m e e t i n g 使用的是基于l p 单播h 3 2 3 标准，要实现真正意义上的多点会议，还必 须使用价格昂贵的专用的多点控制单元m c u 。要想在校园网上进行高质量的多点视 频会议，现阶段只能通过采用硬件方式的k 1 3 2 3 视频会议终端配置m c u 来实现， 但这样做投资较大，且容易过时。另外在多点视频会议通信系统设计方法上通常是 基于专用的硬件设备或一些关键部分如视频压缩等采用硬件设备进行处理。而其它 运算量低的部分就尽可能采用基于主机的方法。这种软硬结合的办法可以提供较好 的质量，但是这种方法的关键部分依赖于硬件设备，容易受供应商的影响，系统升 级和移植不方便。 本系统实现的目标是：参照i t u - t 制定的h 3 2 3 视频会议标准 2 1 ，将异地分布 且动态变化的会议成员通过i p 通信网实时地组织起来该系统中采用基于主机的纯 软件方案，通过i p 组播技术来进行多点会议的支持。这种方法最大限度地利用主机 进行编码解码，控制功能由主机和网络共同完成，不需专门的m c u 单元，把外加 硬件减至最少，也减少了总的花费，使远地分隔人员能完成真实会议全过程的模拟。 这在网络速度和计算机性能不断提升的今天是经济可行的。 4 - 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多点视频会议系统简介 2 1基于分组技术的多点视频会议系统简介 9 0 年代末，基于i s d n 的视频会议已经达到饱和，不会再有太大的发展空间。 1 9 9 8 年1 t u t 推出了基于l p 网络的h 。3 2 3 视频会议标准，使得视频会议的研究转 向i p 网络发展。随着h 3 2 3 v 2 标准的制定和完善，基于i p 网的视频会议将成为今 后该领域发展的主流。 根据h 3 2 3 标准多点视频会议模式可分为集中式、分布式和集散式i j 】 ( 1 ) 集中式多点会议 集中式多点会议与传统的会议系统( 如h 3 2 0 系统) 一样，会议成员将所有的 音频、视频数据和控制信息以点对点的方式传送给m c u ，处理后再分别传送给所有 的会议成员：由m c u 中的多点控制部分( m c ) 通过h 2 4 5 来实现控制功能，由 m c u 中的多点处理单元( m p ) 来实现多点音频混合，多点视频切换和混合，以及 多点数据传递控制，并将处理结果回送参加会议的终端。 ( 2 ) 分布式多点会议 这种工作方式是传统视频会议系统所没有的，在分布式多点会议中，系统中没 有m c u ，即没有集中控制和集中管理，m c u 的功能以m c 和m p 功能模块分别存 在于系统的其它设备中( 如终端、网关和网守处理) 。利用多播技术在会议成员之间 传送音频和视频信号。 ( 3 ) 集散式多点会议 集散式多点会议是集中式和分布式多点会议的组合，在这种方式下多点控制部 分( m c ) 是以集中方式工作的。多点处理则有：音频式集中处理、视频式分散处理 和视频式集中处理、音频式分散处理两种。 2 2 h 3 2 3 多点视籁会议系统终构成 h 3 2 3 终端的功能型框图如图2 - 1 。 具体介绍如下： 视频编解码器( c o d e c ) ：其图像格式为h 2 6 1 h 2 6 3 1 4 11 5 1 的s q c i f 、q c i f 、c i f 、 4 c i f 、1 6 c i f 。视频进行b c h 纠错，允许以不对称比率、帧率、图像分辨率运行。 视频流根据h 2 2 5 0 分组协议的规定格式进行传送每个视频开放的逻辑信道应伴 随有一个为视频控制开放的逻辑信道。 - 5 - 武汉理工大学硕士学位论文 鬻笋h 糊眦s c o d e 倒c ，h 薹兰r 嚣h 翻c o 郇d e ：c ，i 到一 l a 用户教据i ig 7 2 8 , g 7 2 9i 。 h 2 2 5 n 层 接 应用i l h 2 4 5 控制 i 口 系统控制i lh 2 2 5 呼叫控制l ，t i _ 用户接口 i h 2 2 5r a s 控制i 图2 - 1 h 3 2 3 终端框图 音频编解码器( c o d e c ) ：应根据g 7 1 l 标准编码，能够发送和接收a 律，u 率信号。一个终端可选择运用g 7 2 2 、g 7 2 8 、g 7 2 9 、m p e g l 音频和g 7 2 3 标准进 行编解码，并可进行不对称工作。可以通过h 2 4 5 交换能力信息来协商实现。音频 流根据h 2 2 5 0 标准进行格式化，每个音频开放的逻辑信道应伴随一个为音频控制 开放的逻辑信道。 数据通道：数据功能是基于t 1 2 0 系列建议的基础上，通过h 2 4 5 通信规程来 控制。一个和多个数据信道是可选的，根据应用的要求，数据信道可以是双向或是 单向的。 h 2 4 5 控制：h 2 4 5 控制信道承载管理h 3 2 3 系统操作的端到端控制消息，包括 能力交换、逻辑信道的开和关、模式优先权请求、流量控制消息及通用命令和指示。 h 2 4 5 信令在两个终端间或一个终端和m c u 间建立，对于端点问参与的呼叫，端点 应在每一个方向上建立一个h 2 4 5 控制信道，并使用h 2 4 5 标准的消息和规程。 呼叫控制：运用h 2 2 5 0 呼叫控制信令来建立两个h 3 2 3 终端间的连接。呼叫 信令信道的开启先于h 3 2 3 终端间的h 2 4 5 信道和其它任何逻辑信道的建立。 r a s 控制：r a s 信号是终端与网守之间使用的。r a s 是终端与网守之间为了登 记( r e g i s t r a t i o n ) 、管理( a d m i s s i o n ) 、状态( s t a t u s ) 、带宽改变和两者脱离关系等 过程所需要的信号r a s 信道不受h 2 4 5 控制信道管理系统若没有网守，则不建 立r a s 信道，系统中存在网守时，r a s 是最早建立的信道 网络接口：h 3 2 3 终端的网络接口是由h 2 4 5 建议描述的它规定网络接口必 6 武汉理工大学硕士学位论文 须为系统提供对h 2 4 5 控制信道、数据信道、呼叫信令信道提供可靠的端到端服务 以及对音频、视频和r a s 信道提供不可靠的端到端服务这些服务可以是双工的， 也可以是单工的，单播的或组播的。 7 - 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章l p 多点视频会议系统的多媒体与网络技术 3 1 多媒体信息处理 在网络上传输视频、音频和图像都需要非常大的带宽。如每秒2 4 帧，每帧为 8 0 0 6 0 0 ，像素颜色深度为1 6 位的视频带宽大于7 0 m b p s 。以当前网络体系，要大 量使用这样的网络带宽是根本不可能的。所以压缩和解压缩技术是多点视频会议系 统的关键之一。 3 1 1 数据压缩 经过四十多年的研究，数据压缩技术已经进入实用阶段，根据不同的原始数据 ( 文本、图像、音频、视频) ，有不同的编码方法f 6 1 1 7 1 。 ( i ) 预测编码 根据离散信号之间存在着一定关联性，利用前面的一个或多个信号进行预测， 然后对实际值和预测值( 预测误差) 进行编码。其中差分脉冲调制( d p c m d i f f e r e t i a l p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 和自适应差分脉冲调制( a d p c m ) 适合于视频、音频的压 缩。 ( 2 ) 变换编码 变换编码是指先对信号进行某种函数变换，从一种信号空间变换到另一种信号 空间，然后进行编码。如将时域信号变换到频域，因为声音、图形大部分都是低频 信号，在频域中信号能量较集中，再采样、编码，达到压缩目的。 ( 3 ) 统计编码 前两种编码方法都是对相关性数据( 由于信源所发消息的记忆性) 进行相关性 处理来编码。而本方法先对无关消息序列进行统计，确定消息和码字的对应关系， 生成信号和码字的对应表，查表进行编码，解码。 3 1 2 膏颤压竣 对于音频来说。常用可懂度、清晰度和自然度来衡量质量，视频会议系统语音 可参考电话质量语音标准语音压缩编码要在保证一定声音质量的条件下，以尽量 小的数据率来表达和传送声音。据统计分析结果语音存在着多种冗余度。其最主 要部分可以从时域和频域考虑。目前主要的编码有波形编码、参数编码、混合编码。 8 武汉理工大学硕士学位论文 一般采用混合编码，将本地预测信号与输入的语音信号作差分，同时对相关参数进 行处理【7 1 。在国际标准中，统一使用m o s ( m e a n o p i n i o ns c o r e ) 方法来评价语音压 缩后的质量。 3 1 3 视频压缩 视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。由于视频 是连续的静态图像，因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之 处，但是运动的视频还有其自身的特性，因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达 到高压缩的目标。 视频压缩分为无损( l o s s l e s s ) 和有损( l o s s y ) 压缩p j 。无损压缩：压缩前 和解压缩后的数据完全一致，能够精确地重建原始图像，多数的无损压缩都采用游 程编码r l c ( r u nl e n g t hc o d e ) 算法。而有损压缩解压缩后的数据与压缩前的数据 不一致，在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而且 丢失的信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩，这样才能达到低数 据率的目标。丢失的数据率与匪缩比有关，压缩比越大，丢失的数据越多，解压缩 后的效果一般越差。此外。某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式，这样还会 引起额外的数据丢失。 压缩的方法主要有帧内和帧间压缩纠1 1 。j ：帧内( i n t r a f r a m e ) 压缩也称为空间 压缩。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这 实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩时各个帧 之间没有相互关系，所以压缩后的视频数据仍可以以帧为单位进行编辑。帧内压缩 一般达不到很高的压缩。采用帧问( i n t e r f r a m e ) 压缩是基于许多视频或动画的连 续前后两帧具有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点，也即连续的 视频其相邻帧之间具有冗余信息，根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以 进一步提高压缩量增加压缩比。帧间压缩也称为时间压缩( t e m p o r a l c o m p r e s s i o n ) ，它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧闻压缩一般是 无损的帧差值( f r a m ed i f f e r e n c i n g ) 算法是一种典型的时间压缩法，它通过比 较本帧与相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数 据量。 压缩过程中存在对称和不对称编码【9 】 i o l ：对称性是压缩编码的一个关键特征。 对称意味着压缩和解压缩占用相同的计算处理能力和时间对称算法适合于实时压 缩和传送视频，如视频会议应用就以采用对称的压缩编码算法为好而在电子出版 - 9 - 武汉理工大学硕士学位论文 和其它多媒体应用中，一般是把视频预先压缩处理好，尔后再播放，因此可以采用 不对称编码。不对称意味着压缩时需要花费大量的处理能力和时间，而解压缩时则 能较好地实时回放，即以不同的速度进行压缩和解压缩。 目前有多种视频压缩编码方法但其中最有代表性的是m p e g 数字视频格式i l i i 。发展经历了从m p e g 1 、m p e g 2 到m p e g 4 的转变m p e g 4 具有如下特点： ( 1 ) m p e g 4 旨在将众多的多媒体应用集于一个完整的框架内，为不同性质的视 音频数据制定通用、有效的编码方案，提出基于具体内容( c o n t e n t b a s e d ) 的视频 对象( v i d e oo b j e c t ) 的编码标准。 ( 2 ) m p e g 4 是一种高效率的编码标准，其最低码率可达到5 - 6 4 k b p s 。在开发低 码率编码的同时，更注重具体视频对象的交互性和可操作性，并对多媒体应用领域 的各种编码进行兼容。 ( 3 ) m p e g - 4 是第一个使用户可在接收端对画面进行操作和交互访问的编码标 准。 ( 4 ) m p e g 4 引入了合成与自然混合编码( s y n t h e t i ca n dn a t u r a lh y b r i dc o d i n g s n h c ) ，支持对人工合成a v o 数据与自然a v o 数据混合编码，提供对人工合成信 息的具体描述，设计了合成图形对象的描述框架及通用的数据流结构和灵活的接口， 定义了有关图形文本的多种表达方式。对于频繁出现的视觉对象分别定义了它们的 纹理形状和动画参数。 ( 5 ) m p e g 4 提供了基于内容( 对象) 的随机存取方式，在有限的时间内能以较 高的分辨率，按帧或任意形状对象，对一个音视频序列进行随机存取。例如，可以 一个序列中的某个音视频对象为目标进行快速搜索。 ( 6 ) m p e g 4 的编码系统是开放的，为各种多媒体应用提供一个灵活的框架和一 套开放的编码工具，不同的应用可选取不同的算法。解码器是可编程的，各种解码 工具可与信息内容本身一起下载。 基于对象编码的m p e g 4 把支持基于内容的检索作为其目标之一。但这种支持 有限的。为了克服m p e o 4 的不足，m p e g 启动了新的项目m p e g - 7 。它的目标是 建立一种多媒体内容描述接口( m u l t i m e d i ac o n t e n td e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) ，支持多媒 体信息基于内容的高效快速检索。它将确立各种类型多媒体信息的标准描述方法。 3 2 基于i p 寻址的多媒体通值罔 i p 寻址的通信网是基于t c p i p 协议m i1 i 4 】的i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议和 t c p ( t r a n s l a t e c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议是i p 网络中的一对重要协议。同时为了保证在i p 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 网络中实时业务能很好的运行，还需要使用实时传输协议r t p e a l - t i m et r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) 和实时传输控制协议r t p ( r e a t t i m e t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 为了给实时 业务或其它特定的业务提供足够宽的通道，还需要用到资源预留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 。这5 个通信协议是i p 网的主要通信协议，它们是 i p 网的通信基础。i p 网的所有业务基本上都是在这些通信协议的基础上建立起来的。 图3 - 1 将t c p i p 和i s 0 中的0 s i 七层参考模型做一个对照，清楚地说明t c p i p 的网络协议结构。由图3 - 1 可以看出，t c p i p 协议组分为数据链路层、网络层、传 输层和应用层4 个层。 3 2 1i p 协议 应用层( 各种应用和服务) li 黼层回固 网络层匦圃主，圃 图3 10 s i 模型和t c p i p 结构 t c p i p 和底层的物理介质一起，提供应用程序间相互通信，它能在不同的网络 结构和协议及不同的主机上提供透明的通信服务，它对外界提供了一个编程界面， 而不是直接的服务用户服务要靠基于具体协议的应用程序来实现而各种网络结 构的帧格式、地址格式等上层协议可见的因素差别很大。设置工p 层的重要思想之一 就是通过i p 协议向上层( t c p i p 等) 提供统一的i p 数据报和i p 地址，使得各种 物理帧的差异性对上层协议不复存在，从而达到屏蔽底层细节提供一致向上接口的 目的 i p 协议主要涉及二个方面的内容：第一是i p 层的数据报传输机制和i p 层的无 连接服务，第二是i p 数据报的数据格式 ( 1 )i p 数据报的传输机制 园囡园圃圃匦圆 武汉理工大学硕士学位论文 i p 数据报传输是一种简洁而有效的分组交换方式，为了达到最高传输速率，它 放弃了可以放弃的任何可靠性工作( 如检错、重传等) ，能尽快将数据报传往信宿。 i p 数据报传输的关键问题是分片和重组。分片就是为了适应物理网的最大传输单元 ( m t u ：m a x i m u mt r a n s f e ru n i t ) 重组则反之。数据报传输的另一关键问题是数据 报的延时控制，数据报传输的一大特点是随机寻径，因而从信源到信宿的延时也具 有随机性，由于某种原因数据报会进入一条循环路径，无休止地在网络中流动，这 种情况应给予控制，i p 数据报采用“生存时间法”来进行控制。 ( 2 ) i p 数据报的数据格式 i p 数据报的数据格式如图3 2 所示 0481 62 43 1 版本报头长服务类型总长 标识标志偏移量 生存时间协议报头校验和 源i p 地址 目的i p 地址 数据填充域 图3 2i p 数据报的数据格式 i p 数据报分为报头和数据区二部分，报头是为网络提供寻址等功能使用的一系 列信息，数据区则是放置用户数据的，是实际载荷的真正所在。在i p 数据报中的报 头为2 4 个字节这2 4 个字节又分为若干段，每一个字段有其特定的含义。这里不 再逐一描述。 3 2 2t o p 协议和u o p 协议 在i p 网络中的传输层有两个并列的协议：t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c a l ) 和 u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c a l ) 协议t c p 是面向连接的，提供高可靠性的服务，u d p 是无连接的，它提供高效率的服务高可靠性的t c p 用于一次传输要交换大量报文 的情况( 如；文件传输、电子信箱、远程登录等) ，高效率的u d p 用于一次交换少量 报文或实时性要求较高的信息( 如：i p 电话、会议系统、交易型应用及管理和控制 信息) 。 ( 1 ) 传输控制协议t c p t c p 建立在i p 协议上。提供一种面向连接的高可靠性的服务提供协议端口， 1 2 - 武汉理工大学硕士学位论文 以保证进程通信。 协议不提供任何可靠性服务，因此l p 的可靠性完全由自身来 实现。为了保证t o p 可靠地提供服务，t c p 协议在内部作了大量工作，来解决通信 中的不可靠阀题，实现的方法比较复杂，在协议内部提供了确认和超时重传机制， 并引进三次握手机制来建立连接与撤销连接，另外由于路由器中的数据超载而将引 起拥塞，一旦发生拥塞，路由器将会抛弃一定量的数据报，从而导致重传，大量的 重传又会进一步加强拥塞这种恶性循环有可能导致整个网络无法正常工作。因此， 简单地采用确认超时重传技术不能完全解决可靠性问题。t c p 还必须提供适当机制 来进行拥塞控制，因而t c p 通过牺牲效率来获得可靠性。t c p 报文格式如图3 3 ： o481 62 43 l 信源端口信宿端口 序号 确认号 报头长度】保留码位 j窗口 校验和紧急指针信源端口 选项填充字节 数据 图3 - 3t c p 报文格式 ( 2 ) 用户数据报协议u d p u d p 是建立在i p 协议之上，同i p 协议一样提供无连接数据报传输。相对于i p 协议，它唯一增加的能力是提供协议端口以保证进程通信。由于u d p 是无连接通 信，因而没有连接的建立和拆除的开销，而且没有差错校验，流量控制等开销，另 外i p 协议的一个准则是“尽力传输”，因此，u d p 具有高效率，传输快，连接建立 时问短的优点，适合于实时通信，如视频会议、网上直播等多媒体通信业务。但基 于u d p 的应用程序在不可靠的网络上必须自己解决可靠性问题( 比如报文丢失、重 复、失序和流量控制等) + u ) p 报文的格式如图3 - 4 。从报文舶格式可以看出，报头 是很小的( 仅8 b ) ，可见u d p 的报文效率是很高的。 图3 4i j d p 报文格式 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3r t p 和盯协议 r t p 协议【3 】 1 5 】中包含了两部分内容。其一为r t p 协议，它定义了数据报文格式 及其使用规则：其二为实时传输控制协议，即r t c p 协议。它用于数据传输质量的 反馈以及传输控制。根据r f c l 8 8 9 ，r t p 传输服务使用者之间的连接被称为r t p 会话， 就每一个会话参加者而言会话由一对传输地址( 即一个网络地址加上两个端口地 址，一个端口地址为r t p 撤文的发送接收所占用，另一个端口为r t c p 报文的发送 接收所占用) 标识。在进行多媒体数据通信时，不同媒体类型数据由不同的r t p 会话传输，借助于r t c p ，会话参加者不仅可以监测数据通信质量，还可以行使用一 些基本的会话控制功能如参加退出会话、识别其它参加者身份等。对一个具体 应用程序而言，有关r t p 协议的完整说明需要额外的一个或多个相关文件，这些文 件可以分为两类：轮廓文件和格式文件。格式文件定义了特定类型的