【毕业学位论文】（Word原稿）基于H.323的多媒体会议系统的设计与实现-软件工程

基于 多媒体会议系统的设计与实 现 目 录 基于 H . 3 2 3 的 多 媒 体 会 议 系 统 的 设 计 与 实 现. i 学位论文版权使用授权书 . 错误 !未定义书签。 南开 大学学位论文原创性声明 . 错误 !未定义书签。 目录 . 要 . . v 第 1 章 绪论 . 题背景 . 内外研究现状 . 视频 会议技术的发展 . 视频会议系统应用及产品 . 题的意义和目标 . 文组织结构 . 2 章 议族架构分析 . x 议总体框架 . x 件 . 终端 . 网关 . 关守 . 多点控制单元 . 叫通信过程 . 建立呼叫 . 初始化通信 . 建立视听通讯 . 呼叫服务 . 终止呼叫 . 3 章 视频会议系统的需求分析及概要设计 . 统需求 . 功能需求 . 非功能需求 . 统设计 . 务器设计 . 客户端设计 . 4 章 视频会议系统的详细设计及实现 .统模块 . 务器模块 . 终端模块 . 视频数据的编解码方案 . 视频编解码方案 . 音频编解码方案 . 案 . 杂网络下的 案 . 复杂网络下的难点分析 . 现有方案比较 . 系统方案实现 . 频会议系统的应用与测试 . 测试环境 . 测试执行 . 程序运行界面 . 视频效果分析 . 章小结 . 5 章 总结与展望 .考文献 . 学期间发表的学术论文与研究成果 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 摘要 随着信息技术的迅速发展，各式各样的信息技术被应用在生活、商业的方方面面。视频会议系统作为一种崭新的信息化通信方式，以其经济、便捷、跨地域、实时 性等特点，成为了许多公司跨地域会议工具的首选。 本文所采用的协议是 议，它是国际电信联盟（ 布的标准协议，这一套协议用于实现在计算机网络中的音频通信和视频通信，被大量应用在视频会议系统的开发过程中。本文从公司对视频会议的需求出发，议的总体框架，组成部件，通信过程进行了深入地分析；随后，结合对实际需求的详细分析，对目标系统的功能，组网结构，系统部件等进行了概要设计；然后根据概要设计对系统进行进一步的实现。同时，对视频会议系统应用中需要考虑的 题，复杂网络环境下的功 能保证问题，从音视频编解码、服务器与客户端通信流程等方面提出了综合的解决方案。最后，对系统进行实际环境下的部署测试，收集测试数据，并对系统的改进提出了展望。 本文中涉及的视频会议系统能够有效地帮助公司简化会议流程，提高沟通效率，从而减少会议支出，满足了公司日常会议的需求，进一步扩大了视频会议系统的应用范围。 关键词 ：视频会议 频 视频 s of in of as an of of of is its a in to of it is in of on a of on oS of an of At of to of of of 323 绪论 题背景 在当下的信息化社会中，信息技术的发展十分迅速，通信技术对人们生活的影响也越来越大，人们对通信技术的需求也越来越高。多媒体通信技术，便是在这种形势下，作为一种全新的通信方式诞生了。 多媒体通信指的是对文本、图像、声音等多种媒体形式，运用计算机对其进行处理、显示、检索、传输。实现多媒体通信需要处理系统、多媒体数据库、多媒体终端和多媒体通信网络这个 4 个基本的部件，其特点是高校、综合化、大容量、传输速率高 1。 从通信技术发展史的角度来看，多媒体通信是在电报技术、电话技术、传真技术后又一快速发展的 通信技术。它主要以视频会议技术的形式应用在实际生活当中。视频会议，又被称为电视会议，是指在多个地方的组织或个人，使用多媒体终端设备，通过多媒体网络多媒体设备，将音频、视频及数据资料进行传输，实现即时的互动交流，以实现会议交流的目。能够实现视频会议功能的信息化系统被称为视频会议系统。 视频会议业务的商业化运作开始于自 90 年代初，经过 10 多年的快速发展，视频会议的技术和运作方式都有了巨大的变化 2。早期视频会议的只能够传送视频信号和音频信号，现在发展为能够传送音频、视频、数据等多元数据的通信方式。其对数字信号 的处理能力越来越强；对音视频数据的压缩比例不断提高；传送实时的音视频数据对带宽的要求越来越低；会议视频系统的硬件设备却越来越好，视频会议的功能逐步趋于多样化，价格也在逐年降低，这些都是多媒体通信技术快速发展的结果。 随着网络应用的逐步深化，视频通讯越来越受到用户的青睐，无论是企业用户，还是个人用户，都有随时随地通过视频沟通的愿望。企业用户通过视频会议通讯，能够提升企业内部沟通效率和企业对客户的沟通效率、减少企业差旅支出成本、提高企业内部管理效果，极大地减少企业内部沟通和运营的成本，实现异地办公。个人用户通过 视频通讯，能够与远方的亲戚朋友更方便、深入地进行交流。 在此背景下，许多大型公司已开始着手建设自身的视频会议系统，以便于公司系统内部组织召开会议，实现多地点、远距离的视频、音频和数据协同传输，满足公司日常会议、集中培训、远程汇报等需求 3。作为公司整体信息化建设的 一部分，以此为背景，本文对基于 议组的多媒体会议系统进行了研究。 内外研究现状 频会议技术的发展 1964 年，美国的贝尔实验室研究出了世界上第一种的模拟技术可视电话 此，视频会议的相关技术 和标准就进入了飞速发展的时期。 发达国家早在 20 世纪 60 年代就开始研究模拟视频会议，并试图进行商业化推广。但由于当时通信领域的基础设施与底层技术发展还不够成熟，视频会议所占用的带宽较高，视频会议系统的成本也十分高昂，并没有得到广泛的发展。 进入 80 年代后，电子电路、计算机科学、数字信号处理以及图形处理技术的发展，为视频会议的技术和理论研究带来了发展的契机。视频会议系统也由过去的模拟视频会议系统转为数字视频会议系统，为视频会议走向更广泛、更实用的应用打下了基础。 90 年代以后，计算机互联网开始飞速发展， 络规模、用户数量和业务量都有巨大的增长，广泛而深刻地改变了人们生活的方方面面。基于分组交换网络的多媒体会议系统开始成为研究热点。 际电信联盟远程通信标准化组织）也由此制定了一系列的视频会议标准。其中 议成为了当今应用最广泛的视频通信协议 4。 十六研究小组在 1996 年颁布了 议，作为多媒体通信的标准。为了适应 络的发展和 应用，使之能够支持多媒体通信的需求，在 1998年 1 月推出了 第二个版本。在经过进一步的研究之后，在 1999 年 9 月推出了 第三个版本。为了进一步增强 稳定性、冗余性、可拓展性和灵活性，在 2000 年 11 月推出了 第四个版本，由此， 展为多媒体通信协议中比较成熟和可靠的一族，成为了基于 组网络多媒体通信领域中最重要的实现标准。 频会议系统应用及产品 多媒体通信结合了多媒体技术和通信技术，完美地突出了两种技术的优点。它突破了传统的电话、计算机、电视等产业的分界线，融合了通信网络广泛分布的特点、计算机便于交互的特点和做媒体信息综合性的特点，这种全新的通信技 术服务，代表了未来通信 技术的发展方向。经济发达国家已经在多媒体通信技术方面投入了大量资金，并且已经开发出了多种多媒体应用。 早在 1993 年至 1994 年间，美国 公司，连续与太平洋贝尔电信公司、大西洋贝尔电话公司签订了 10 亿多美元的合同，建造了多媒体通信网络，并且推出了 媒体交互系统、交互式视频产品等系列。并且将电视会议、视频点播和其它类型的多媒体通信交互服务在图书馆、学校和社区等场所进行广泛应用。 日本 其他最近进入通信市场的各大运营公司，在多媒体通信领域展开了激烈的竞争。 欧洲 国家，如法国、英国等，也在多媒体网络通信领域投入了巨额资金，提供包括可视电话、视频会议、互动电视在内的多种服务 5。 视频会议作为多媒体网络最重要的应用之一，国内外许多知名厂商，包括为、中兴等，都研究开发了自己的视频会议相关产品，产品类型有桌面会议系统、大型视频终端设备、多点控制器（ 。目前，已经有超过 6000 台不同类型的终端设备在中国联通建立的会议电视网中注册运行，这些终端设备的厂商来自国内外各地，包括了有大型会议电视和小型的桌面系统终端。在中国联通的视频会议平台上， 可以实现不同终端之间的互相通讯，该平台不仅能够支持在中国联通内部网络的视频会议终端，还能够通过网络连接来自世界上不同国家的视频会议终端，实现真正的无国界视频会议。 题的意义和目标 当今多媒体技术的发展，视频会议的技术也日趋成熟，许多企业和公司，对视频会议系统的都有需求，量身打造一个视频会议系统，已经成为大多数公司的选择。 尽管当前商业化的视频会议系统已经有很多，但由于很多商业化应用是不会开放源代码的，如果需要根据公司当前的特定需求，进行特定的功能定制，是很难独立在商业化应用的基础上进一步研究和开发的。由此 ，需要从自身需求出发，定制一个符合要求的多媒体视频会议系统，也为今后的进一步拓展打下基础。 本课题的最终目的是要提供一个基于 议的视频会议系统，视频协议采用业界最通行的 码和 码，当 高编码速率可达到 8M。系统支持 视频流和 入 /输出特性，用户直接通过带内的方式就可以实现全景式会议。 研究开发该视频会议系统，有着技术和社会发展方面的双重意义。 一方面通过对基于 络的视频会议系统设计与开发，能够促进该领域的研究，提高社会对该技术的需求和认可。 一方 面，通过为大型公司开发视频会议系统，能够为公司节省大量的会议费用，促进总公司与不同分部之间的沟通提高公司的经济效益。 文组织结构 本文主要内容分为两大部分，第一部分主要介绍了视频会议系统的技术背景和意义，对本课题使用的基础协议 议进行了分析和研究；第二部分根据第一部分的研究成果，结合系统的需求，对多媒体视频会议系统进行了设计与实现，并最终部署测试。 章节内容安排如下： 第一章 综述了本课题研究的技术背景，国内外相关技术的发展和应用，阐述了本课题的背景和意义。 第二章 对本文所使用的 议总体框架进行 了详细的分析研究，包括协议规定的组件、网关、关守、信令以及通信过程。 第三章 对本文所研究的系统的需求进行了详细分析，包括功能需求，应用场景等。 第四章 结合对 议的研究和对系统的需求分析，对多媒体视频会议系统进行详细设计和实现。 第五章 将多媒体视频会议系统进行部署应用，并监控运行结果，为进一步改进收集数据。 第六章 总结全文，并对现有系统的不足进行总结，对今后进一步的改进提出要求。 第 2章 议族架构分析 议体系标准是由国际电联（ 成熟的 术标准基础上开发制定的体制标准 6。自 96 年以 来大多数视频会议系统都采用 准，其协议标准成熟，有实际的大规模商业应用，能够运行在通用的网络体系结构之上，这也是本文选择此协议标准进行开发的原因之一。 议总体框架 议族从音频编解码（ 视频编解码（ 系统控制（ 数据流复用（ 方面对网络电话和可视电话会议系统作出了详细的规定。 其中 主要的系统控制协议，也是 端的核心内容。 制信道、 叫信令信道和 道提供了整 个系统的控制功能。 责发送和接收视频、音频、控制等格式化数据。此外，还能够实现其他如逻辑分帧、错误检测等功能。 令能够通过请求、信令、应答和指示这四种信息，协商终端间的通信能力，控制通信，从而来确保终端的正常通信。 对语音信号进行编解码，则是音频编解码协议（ 功能。为了保证语音的连续性，接收端还可以加入缓冲延迟机制，其采用的标准协议为 用的编码方式为线性预测综合分析编码。 成。文件交换、数据库共存、 数据回忆、电子白板、静止图像传输等数据应用则使用 。 总体结构如下所示 7： 网络层 链路层 物理层 件 在基于 基于网络的通信系统中，主要的有四个组件：终端 (网关 (关守 (多点控制单元 (8。 端 终端，顾名思义即为视频会议系统交由用户使用的设备。一般分为软终端，便携式终端和会议型终端三种。终端作为节点设备，在分组网络中需要提供实时、双向通信，还需要能够同网关、多点接入控制单元进行通信。 此外，视频、音频信号的压缩编码与发送也需要在终端中进行。一般终端都需要实现 频信源编码协议和 频编码协议，且能够对信号进行打包，复用。 为了实现通信控制功能，终端还需要实现 信 控制协议。 关 在 议中，网关是一个可选设备。网关的主要功能是在传输格式之间（例如 /从 通信过程之间（例如 /从 供适当的转换。在网关中也可以执行视频、音频和数据格式的转换。另外，在不同的网络的端点之间，网关的作用是以透明方式将网络端点反映为 点，能够在网络一侧和 侧执行呼叫建立和清除。 守 关守在一个在 统中是可选择的部件，它的作用在于提供呼叫控制服务供 点使用。一个视频会议系统里可同时存在多个关守，关守 与关守之间能够通过规定的方式通信。从通信逻辑上看，关守和端点是相互独立的，然而，从物理实现上来看，关守可以在网关、终端、 络设备中共存，甚至能够在其它非 络设备中存在。 当关守存在于系统中时，它必须提供以下服务： 地址转换：关守的必要功能为转换别名地址为传输地址，实现这种转换的方式是使用转换表。通过协议规定的注册消息对转换表进行更新，也可以自定义其他方式进行更新。 接入控制：终端的必须通过 息向关守申请接入网络。网络的接入具体依赖于带宽、 呼叫授权，终端的生产厂商也会对网络接入制定特殊的准则。 带宽控制：带宽管理的功能是通过 息实现的，它由关守支持实现。 区域管理：由关守提供，为已经在关守上注册得的 端和网关等设备提供服务。 此外，关守还能够完成带宽管理、呼叫授权、呼叫管理、别名地址修改、拨号数字转换等功能。 点控制单元 多点控制单元包括了多点控制器和多点处理器两个部分。其中多点处理器主要负责对音频、视频、数据信息进行混合、切换和处理。一个多点控制器一般控制几个多点处理器，由控制器处理端点间的 制信息。 使用多点控制单元的视频会议能够支持三个或三个以上的节点设备。多点控制器通过对端点间的控制信息进行处理，从而控制其对视频和音频的处理能力。对媒体信息流本身的处理通常由多点处理器负责，多点控制器并不直接处理。 叫通信过程 在一个完整的 统中，建立呼叫、初始化通信、建立视听通讯、呼叫服务、中止呼叫这五个阶段组成了一次完成的点对点通信。每一个阶段都有其特点和功能 9。 立呼叫 建立呼叫是任何通信都需要有的一个环节，而且往往是通信的第一个步骤，也是最重要的环节之一。 建立呼 叫采用了 议中关于呼叫控制消息的定义。参与通信的实体不同，可以分为以下几种情况：两个端点参与的基本呼叫，有网守参与的呼叫、 通过网关的呼叫、包含 呼叫、转发型呼叫、广播型呼叫等。 其中最基础也是最常用的两种方式为：基本呼叫和有网守参与的呼叫。 建立基本呼叫 端点不注册 在如图 2示的情况中，两个端点不需要在关守上注册，可以直接进行通信。 （主叫端点）发送 1）消息给 ， 消息内容中包含了呼叫信令信道的 识。 发送 4）消息作为响应消息，在这个消息内包含了 制信道传输地址，用于 令的控制功能。 建立呼叫 在关守上注册 在图 2展示的情况下，两个端点都注册在了同一关守上，路由呼叫信令的选择由关守执行。与关守的 ) /) 交换由 （主叫端点）发起。关守在返回的 息中包含了它自己的呼叫信令信道传输地址等信息。随后， 发送 3）消息到该传输地址。紧接着，关守发送 4）消息给 。如果 接收呼叫，则启动与关守的 ) /) 交换。 可能收到7)消息，这时 发送 息给关守。 用 9）消息作为响应消息，该消息包含了 控制信道传输地址。关守发送 10）消息给 ，该消息需要包含 或者关守的控制信道传输地址。 图 21 建立基本呼叫 始化通信 一旦双方在阶段 A 完成了交换呼叫建立消息的过程，端点需要建立起 制信道实现控制信息的交换。在第二阶段中打开媒体信道和进行能力交换的工作需要使用 令通过控制信道完成。 建立 制信道有两种方式：一种是在收到 息时由被叫端点建立，另一种是在收到 由主叫端点来建立。当未收到息或者端点发出了 息时，必须关闭 制信道。 系统端点的能力可以通过发送 息来进行交换。在交换过程中， 息必须是第一个被发送的 息。在终端能力交换成功完成之前，如果因为请求被拒绝、不被理解、不被支持等愿意导致交换失败，那么在尝试进行任何其它的过程之前，发起端点应该成功发起并完成终端的能力交换过程。在发起能力交换的过程之前，需要对从对方端点收到 息的端点进行应答，并且在进行其它的过程之前必须成功地发起并完成同对端的能力交换。 端点必须能够支持 议 的主 果在同一呼叫过程中的两个端点都具备 能力，主 C。随后，该 够发送 位消息。打开双向数据信道过程中的主 在进行终端的能力交换过程后，主 息中必须是最先的 ,通过发出适当的信号来进行主从确定。若主 进行重试，若两次重试之后仍然失败，则放弃该过程。 在成功完成初始化通信阶段之后，则端点将直接进入预定的操作模式，通常为建立视听通讯阶段阶段。 图 22 建立呼叫 立 视听通讯 在完成了确定主从关系和能力交换的过程之后，系统将进入视听通讯的建立过程。建立视听通讯的中主要工作为：确定用于互相交换视频内容的协议、分配流媒体地址、关联媒体流和逻辑信道。 通过相互协定交换视频 系统的音频流和视频流使用了不可靠协议的动态 识符，在 立的逻辑信道上进行传输，。而数据通信则使用可靠协议传输。 流媒体地址的分配 在单播情况下，端点必须打开到 其它端点的逻辑信道。地址在 传送。 在多播 情况下，多播地址由 配并用 令分发给各端点。 责分派和指定唯一的多播地址。 媒体流的关联 媒体流源端点发送 息到 源端点希望为示目标端点时，它应当将目标端点的 到 中。源端点还必须将自己的到 中。 通过将 与 头中 最低字节进行比较，目标端点可以将逻辑信道号与 相关联。 叫服务 呼叫服务的内容主要包括：在视频通讯的过程中改变信道的呼叫带宽、变更工作状态、拓展其能力等内容。 对于每一种变更的内容，协议都规定了相应的 程和信息格式。 止呼叫 终止呼叫通常是呼叫通信过程的最后一步。同建立呼叫类似，终止呼叫也分为没有关守 参与的呼叫清除和有关守参与的呼叫清除两种。 没有关守的终止呼叫 没有关守的终止呼叫过程相对简单，终止呼叫可以由任一端点发起。首先停止发送视频，然后三相应的视频、数据、音频信道，在 制信道上发送息，向远端指示它希望断开呼叫并随之断开 息 传输。在收到返回的 息后关闭控制信道，终止呼叫。 有关守参与的终止呼叫 在包含关守的网络中，关守需要知道带宽释放的有关信息。步骤相对复杂，如图所示 1) 它在完成一幅完整图像的传送后， 需要停止视频内容的发送，并且在之后将所有的视频逻辑信道关闭。 2) 它应当停止数据的传输，并且关闭全部用于数据传输的逻辑信道。 3) 它应当停止音频的传输，并且关闭全部用于音频传输的逻辑信道。 4) 它应当通过 制信道上向远端发送 息，指示其关闭呼叫，并且关闭 消息传输。 5) 它应当等待其它端点接收到其发送的 息，之后需要关闭 制信道。 6) 如果呼叫信令信道是打开的，则需要发送 息将信道关闭。 在执行上述 1) 到 6) 步骤之后，每个端点必须向其关守发送一个 离请求（ 息 (3)。关守必须用一个 离认可（ 息 (4)来响应。发送完 息之后，端点不能再向关守发送未被要求的 息。此时，呼叫被终止。 图 23 有关守参与的呼叫 第 3章 视频会议系统的需求分析及概要设计 统需求 多媒体通信技术的最重要应用之一就是视频会议系统。视频会议系统的主要功能是通过多媒体计算机系统，采 集各个会场的人物、场景、图像、图片以及声音等相关信息，同时将这些信息进行数字化，按照视频会议的具体的控制需求，使用数字通信网络，传输给指定的终端。另一方面，在各个会议场点的视频会议终端上，通过数字通信网络实时接收这些信息，并对其进行解压分析等处理工作，并在指定的显示终端上实时显示出视频会议现场的情况，从而达到实时地会议沟通。 能需求 该系统主要的目的是为了满足公司的日常会议需求，其会议类型主要有以下两种。 单独会议 单独会议指的是在总公司与直属企业之间的会议，进行日常的业绩汇报，计划商讨等事务，在总公司的 主会场与分公司的分会场进行。每一个会场都有相应的终端设备，显示对方会场的情况。 集体会议 集体会议指的是总公司与多个直属企业同时进行会议，在各个公司的会场进行。每一个会场的终端设备都能够显示其他会场的情况。 功能需求 由于下属公司分布广泛，地域跨度大，难以保证网络的稳定性。而视频会议系统又是对网络要求相对较高的应用。为了保证通信质量，系统必须能够应对复杂多变的网络情况。 在系统中需要提供 制，应对可能发生的网络拥塞情况。拥塞现象是指的是，在某些情况下，到达通信网络中某子网的分组数目太多，超出 了这部分网络的处理能力，从而导致这部分子网甚至整个网络的性能出现下降。在网络拥塞情况十分严重时，甚至可能导致网络通信业务无法进行，将严重影响视频会议的顺利进行。 克服 火墙阻碍 由于互联网的飞速发展，网络对 址资源需求的迅速增加超出了最初预期和设计的 32 比特（ 址长度）。通常使用 络地址翻译）来解决这个问题。但由此会给 基于 址的服务带来麻烦。 此外，由于互联网中的安全问题，大部分内部网络与外部公网之间会设置防火墙，对进出网络的数据包进行检测，容易造成数据包无法通过的问题。目标系统必须能够客户 防火墙导致的各种问题，实现复杂网络条件下的视频会议功能。 统设计 务器设计 务器是该多媒体视频会议系统实现的重要部件，它主要实现了以下几个功能 10： （ 1）控制和管理整个视频会议系统 （ 2）完成对所有终端设备之间的实时通信 务器的组成结构如图所示。 音频 视频 数据 音频 视频 数据 音频 视频 数据 网守模块 连接 1 连接 2 连接 N 服务器 服务器各部分功能分工如下： 服务 器：管理所有连接，统一管理整个系统； 连接：一个连接对应一个终端，并处理该终端的多媒体数据； 令：实现服务器与终端之间的呼叫管理； 令：实现请求、指示、证实、响应等控制信息，服务器和终端之间通过这些控制信息进行交互。 网守模块：实现了加入视频会议成员，查询成员状态、管理通信带宽等功能； 在一个基于 视频会议系统中， 系统的核心部分，能够支持多个节点设备参与的视频会议，负责混合数据与声音、切换视频数据、控制多个用户的连接。通过 以增加系统的规模，最大限度地发挥视频 会议系统的效益。 一个 常由一个多点控制器，数个多点处理器构成。终端间的 C 进行处理， 过控制信息决定了终端对视频和音频信号的处理能力。 点控制器（ 在上文的系统分析中我们了解到，系统需要实现多个端点的视频会议。这些端点互相之间的控制功能就是由多点控制器实现的。 会议的通信模式也是由 定的，本系统的终端之间有主（总公司的主会场）从（下属公司分会场）关系，会议中的主从判定由 规定的程序进行。 对于每一个新加入的终端，由 其分配一个终端好，并且通知其他参与会议的终端。 要实现的是对会议系统地控制功能，主要体现在两个方面。 对会议的控制：例如邀请某一终端用户参加正在进行的多点会议，接受或者拒绝某个终端用户要求参与会议的请求，以及断开某一参会者与视频会议系统的连接等。 对通信的控制：主要是指对视频会议系统各方信息通讯的控制，例如进行终端的能力协商，协调通信模