视频技术的发展_视频通信.pdf

DD 五金商机网 视频技术的发展趋势 视频通信 北京邮电大学魏春成 随着计算机技术和微电子技术的不断进步 视频处理技术 与应用技术有了很大的发展 而通信网的巨大发展 也为 视频技术的高速发展带来了机遇 在通信网中 无论是有 线技术还是无线技术都在朝着宽带化和 IP 化方向发展 而 宽带化的网络最重要的特征就是能够充分地支持多媒体业 DD 五金商机网 务 主要就是支持不同速率 不同质量的视频业务 而通 信网协议 IP 化的发展 也对实时性要求较高的视频应用提 出了新的要求 本文将从信源压缩技术 多媒体系统通信 协议 宽带网络技术以及多媒体运营系统等方面探讨视频 技术未来发展的趋势 一 视频信源压缩编码标准 在多媒体应用中 视频数据量方面可压缩的信息量最多 而压缩处理后的视频质量的高低是决定多媒体服务质量好 DD 五金商机网 坏的主要因素 因此视频技术是多媒体应用的核心技术 在学术和应用领域许多人都在致力于视频压缩技术的研 究 并且制订了几个标准 如 ITU T H 261 H 263 和 ISO IEC 的 MPEG 1 和 MPEG 2 这些标准 覆盖了很大的视频速率范围和应用领域 支持不同速率 不同的图像质量要求等条件的视频业务 能够满足包括电 视会议 视频电子邮件 可视电话 广播级视频应用等不 同要求的服务 随着视频应用需求的不断发展 视频压缩 DD 五金商机网 技术也有了很大的提高 新出现的压缩标准有了更高的压 缩效率 同时支持不同的传输速率以适应不同的传送网络 在目前已经大量应用的压缩标准中 MPEG 1 和 MPEG 2 是 面向广播级或准广播级应用的 MPEG 1 标准主要是为了视 频存贮媒体如 VCD 而制定 该标准能够适应变码流的处理 其主要目的是在 1 1 5Mbit s 的情况下 提供 30 帧 CIF VHS 的质量的图像 MPEG 1 的实时编码通常需要硬件才能 完成 解码可以用软件来完成 MPEG 1 不能提供分级图像 DD 五金商机网 编码 也不能在丢包率高的情况下应用 MPEG 2 标准扩展了 MPEG 1 标准 能够支持高分辩率图像 和声音 目标码率是在 3 15Mbit s 传输速率条件下提供 广播级的图像 而且能够提供 SNR 时间 空间三种分级 编码 该标准应用于卫星广播时 在当前的一个模拟信道 中 不牺牲质量的情况下能提供 5 路数字的编码节目 H 261 与 H 263 标准主要面向于低码率的视频应用 如可 视电话和会议电视 H 261 是最早出现的视频编码标准 DD 五金商机网 它的输出码率是 64kbit s 的倍数 H 261 主要是为了 ISDN 的会议电视和可视电话的应用 H 261 所需要的计算量能够显著下降 这种算法通过均衡 图像质量和运动来优化带宽 所以图像快速运功时质量会 下降 H 261 的输出速率是恒定的 而图像质量非恒定 H 263 是为了支持低速率的通信而制定的标准 但希望能 够适应较大的动态范围 而不仅限于低码率 而且能取代 H 261 H 263 能适应误码率高的信道具备容错的能力 DD 五金商机网 由于公用电话网和无线网络上的传输速率仍然很有限 而 且误码率高 上述的标准不能满足这类高压缩效率和强信 道冗错能力的应用要求 针对以上压缩算法的不足 目前 出现了一些新的压缩标准 如 H263 和 MPEG 4 标准 H263 以及后来的 H263 H26L 能很好地解决低码率视频应用问 题 它们在提高编码压缩效率的同时 提高码流对高误码 率信道的容错能力 而且都是通过选项的形式提供的 方 便灵活 且能够兼容本标准的以前版本 H 263 DD 五金商机网 VERSION2是在H 263的基础上以增加编码的可选项的形式 改进的 在语法上与 H 263 兼容 但编码效率有很大提高 适用范围也更大 其主要的应用方向仍是低码流的视频业 务 用于 PSTN 以及无线接入的高误码比的通信环境 因此 在 H263 中既增加了一些改进编码效率的方法 同时也提 高了抗误码性能的能力 由于实现成本较低 H263 标准已 经越来越多地被采用 MPEG 4 标准则是今后一段时间压缩标准的主流 MPEG 4 DD 五金商机网 标准既能够支持码率低于 64kbit s 的视频应用 也能够支 持广播级的视频应用 与其他压缩标准相比 MPEG 4 标准 在 DCT 的基础上引入了图像模型的概念从而具有更高的压 缩效率 MPEG 4 的工作集中于发展 MSDL 语言 MSDL 和 Java 的思想一样 能够通过下载功能模块 部分建立新编解码器 二 多媒体信息系统通信协议 目前使用最为广泛且发展前景最好的多媒体业务主要是会 DD 五金商机网 议电视 远程教学 远程医疗 可视电话等业务 而实现 这一系列业务的核心就是多媒体会议体系标准 ITU T 的 H 系列标准是为多媒体会议而制订的 其中包含了视频 编解码 语音编解码 复接 解复接等内容 不同的标准组 采用了相同的系统框架 其对应的各部分内容也基本相同 主要区别在于为了适应不同网络而设计的包优化和网络接 口的定义 目前主要的几个协议组包括 H 320 H 324 和 H 323 DD 五金商机网 H 320 是基于 ISDN 的视频会议系统 是目前会议电视和可 视电话主要采用的协议 也是应用得比较广泛和成功的协 议组 H 320 规定了视频和语音编解码的标准 复接 解 复接和控制一整套协议 其中有语音的编解码的标准 G 711 G 722 G 728 G 72Array 编码速率 8kbit s 64kbit s 不同的标准所提供的语音质量不一样 视频编 解码标准有 H 261 H 263 H 263 其中复接采用定义到 比特的 H 221 标准 控制部分采用 H 242 进行终端之间的 DD 五金商机网 能力交互 由于 ISDN 协议是基于电路交换的 其优点是能 够保证传输带宽 从而充分保证视频服务的实时性 使传 输带宽在目前实际应用中具有更高的商业可操作性 H 324 是基于 PSTN 的视频会议系统 同样也规定了视频和 语音编解码的标准 复接 解复接和控制一整套协议 其 中语音编解码的标准有 G 723 1 G 72Array 等 视频编解 码标准有 H 261 H 263 H 263 其中复接采用 H 223 控制部分采用 H 245 自从 1ArrayArray6 年就有了符合标 DD 五金商机网 准的系统 但是因为传输速率很低 视频质量比较差 因 而没有很大的发展 但第三代移动通信可能采用 H 324 系 统 这样 H 324 系统将会有很大的发展 H 323 是基于 IP 分组网的视频会议系统 用于分组网络 通常包头是 40 字节 包大小是 1500 字节 能够达到一个 合理的开销和净荷比 H 323 中语音的编解码的标准 G 723 1 G 722 G 728 G 72Array 传输速率达 8kbit s 64kbit s 视频编解码标准有 H 261 H 263 H 263 其 DD 五金商机网 中复接采用 H 225 0 控制采用 H 245 其协议结构如图 1 所示 由于 IP 协议不仅已经统治了桌面和通信网络的接入 层 而且通信网络的骨干层和汇聚层也越来越多使用 IP 协议 这使得 H 323 协议组有了非常旺盛的生命力 实际 上 早期的 IP 电话系统就已经使用了 H 323 协议组框架 由于 IP 协议是面向无连接的数据报通信 网络的时延 时 延抖动在理论上都没有保证 这增加了 H 323 在应用中的 复杂性 需要网络提供商 视频服务提供商密切地配合并 DD 五金商机网 采用更加合理的网络资源分配方案 三 宽带网络技术的发展 近几年来 宽带网络技术有了很大的发展 对于视频应用 来说 网络发展产生的影响主要在两个方面 一是网络可 以提供更高的接入带宽 这为大规模开展视频服务奠定了 基础 二是针对视频服务 在网络建设过程中 尤其是在 IP 网络建设过程中越来越强调 QoS CoS 的概念 使商用化 的多媒体应用成为现实 DD 五金商机网 有线网络的发展主要体现在接入带宽的不断提高 目前正 逐渐成为主流以及有潜力成为未来主流的接入技术 它包 括 4 个方面 1 ADSL 是目前最令人注目的宽带接入技术 ADSL 业务能力 可提供的传输通道为非对称高速传输通道 ADSL 可提供 6 8Mbit s 的下行数据流 上行通信速率可以达到 640kbit s 同时可进行 PSTN 上的模拟话音通信 由于宽 带多媒体业务的发展有一个过程 从近期的主要业务需求 DD 五金商机网 看 1 5Mbit s 的传输速率已可满足 因此 ADSL 是目前宽 带接入的首选技术 2 光纤到小区结合楼内综合布线 随着驻地网的开放 目 前很多新的电信运营商都将此方案作为进入电信领域的首 选 通过重新铺设五类线 用户可以获得 10M 甚至 100M 的接入带宽 可以充分支持多媒体业务 该技术的缺点是 将传统的计算机网技术应用于工作环境参差不齐的小区和 楼宇 运行维护具有一定的难度 而且覆盖范围比较小 DD 五金商机网 3 VDSL 是一种传输距离很短的铜线技术 最大下行速率 为 51 55Mbit s 距离不超过 300 米 上行为 1 6Mbit s 以上 实际使用时常常提供对称 10Mbit s 接入速度 覆盖 范围可以达到 1 公里左右 该技术很可能成为替代 LAN 接 入的最好的方式 4 APON 代表了面向 21 世纪的宽带接入技术的最新发展方 向 从长远看 可满足丰富多彩的多媒体业务日益增长的 需要 是一种结合 ATM 多业务 支持多比特率和透明宽带 DD 五金商机网 传送能力的较理想的长远解决方案 北京郵電大學魏春成 隨著計算機技術和微電子技術的不斷進步 視頻處理技術 與應用技術有瞭很大的發展 而通信網的巨大發展 也為 視頻技術的高速發展帶來瞭機遇 在通信網中 無論是有 線技術還是無線技術都在朝著寬帶化和 IP 化方向發展 而 寬帶化的網絡最重要的特征就是能夠充分地支持多媒體業 務 主要就是支持不同速率 不同質量的視頻業務 而通 DD 五金商机网 信網協議 IP 化的發展 也對實時性要求較高的視頻應用提 出瞭新的要求 本文將從信源壓縮技術 多媒體系統通信 協議 寬帶網絡技術以及多媒體運營系統等方面探討視頻 技術未來發展的趨勢 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 而壓縮處理後的視頻質量的高低是決定多媒體服務質量好 壞的主要因素 因此視頻技術是多媒體應用的核心技術 DD 五金商机网 在學術和應用領域許多人都在致力於視頻壓縮技術的研 究 並且制訂瞭幾個標準 如 ITU T H 261 H 263 和 ISO IEC 的 MPEG 1 和 MPEG 2 這些標準 覆蓋瞭很大的視頻速率范圍和應用領域 支持不同速率 不同的圖像質量要求等條件的視頻業務 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展 視頻壓縮 技術也有瞭很大的提高 新出現的壓縮標準有瞭更高的壓 DD 五金商机网 縮效率 同時支持不同的傳輸速率以適應不同的傳送網絡 在目前已經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 標準主要是為瞭視 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 VHS 的質量的圖像 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 DD 五金商机网 MPEG 2 標準擴展瞭 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 該標準應用於衛星廣播時 在當前的一個模擬信道 中 不犧牲質量的情況下能提供 5 路數字的編碼節目 H 261 與 H 263 標準主要面向於低碼率的視頻應用 如可 視電話和會議電視 H 261 是最早出現的視頻編碼標準 它的輸出碼率是 64kbit s 的倍數 DD 五金商机网 H 261 主要是為瞭 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 圖像質量和運動來優化帶寬 所以圖像快速運功時質量會 下降 H 261 的輸出速率是恒定的 而圖像質量非恒定 H 263 是為瞭支持低速率的通信而制定的標準 但希望能 夠適應較大的動態范圍 而不僅限於低碼率 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 由於公用電話網和無線網絡上的傳輸速率仍然很有限 而 DD 五金商机网 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 出現瞭一些新的壓縮標準 如 H263 和 MPEG 4 標準 H263 以及後來的 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 VERSION2是在H 263的基礎上以增加編碼的可選項的形式 DD 五金商机网 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 務 用於 PSTN 以及無線接入的高誤碼比的通信環境 因此 在 H263 中既增加瞭一些改進編碼效率的方法 同時也提 高瞭抗誤碼性能的能力 由於實現成本較低 H263 標準已 經越來越多地被采用 MPEG 4 標準則是今後一段時間壓縮標準的主流 MPEG 4 標準既能夠支持碼率低於 64kbit s 的視頻應用 也能夠支 DD 五金商机网 持廣播級的視頻應用 與其他壓縮標準相比 MPEG 4 標準 在 DCT 的基礎上引入瞭圖像模型的概念從而具有更高的壓 縮效率 MPEG 4 的工作集中於發展 MSDL 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 多媒體信息系統通信協議 目前使用最為廣泛且發展前景最好的多媒體業務主要是會 議電視 遠程教學 遠程醫療 可視電話等業務 而實現 DD 五金商机网 這一系列業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 其中包含瞭視頻 編解碼 語音編解碼 復接 解復接等內容 不同的標準組 采用瞭相同的系統框架 其對應的各部分內容也基本相同 主要區別在於為瞭適應不同網絡而設計的包優化和網絡接 口的定義 目前主要的幾個協議組包括 H 320 H 324 和 H 323 H 320 是基於 ISDN 的視頻會議系統 是目前會議電視和可 DD 五金商机网 視電話主要采用的協議 也是應用得比較廣泛和成功的協 議組 H 320 規定瞭視頻和語音編解碼的標準 復接 解 復接和控制一整套協議 其中有語音的編解碼的標準 G 711 G 722 G 728 G 72Array 編碼速率 8kbit s 64kbit s 不同的標準所提供的語音質量不一樣 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 由於 ISDN 協議是基於電路交換的 其優點是能 DD 五金商机网 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可操作性 H 324 是基於 PSTN 的視頻會議系統 同樣也規定瞭視頻和 語音編解碼的標準 復接 解復接和控制一整套協議 其 中語音編解碼的標準有 G 723 1 G 72Array 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 1ArrayArray6 年就有瞭符合標 準的系統 但是因為傳輸速率很低 視頻質量比較差 因 DD 五金商机网 而沒有很大的發展 但第三代移動通信可能采用 H 324 系 統 這樣 H 324 系統將會有很大的發展 H 323 是基於 IP 分組網的視頻會議系統 用於分組網絡 通常包頭是 40 字節 包大小是 1500 字節 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 72Array 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 其協議結構如圖 1 DD 五金商机网 所示 由於 IP 協議不僅已經統治瞭桌面和通信網絡的接入 層 而且通信網絡的骨幹層和匯聚層也越來越多使用 IP 協議 這使得 H 323 協議組有瞭非常旺盛的生命力 實際 上 早期的 IP 電話系統就已經使用瞭 H 323 協議組框架 由於 IP 協議是面向無連接的數據報通信 網絡的時延 時 延抖動在理論上都沒有保證 這增加瞭 H 323 在應用中的 復雜性 需要網絡提供商 視頻服務提供商密切地配合並 采用更加合理的網絡資源分配方案 DD 五金商机网 三 寬帶網絡技術的發展 近幾年來 寬帶網絡技術有瞭很大的發展 對於