無(wú)線(xiàn)視訊通信系統及其應用中的問(wèn)題淺析
2004/08/03
一、引言
近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了空前活躍的階段，音頻、視頻和數據的無(wú)線(xiàn)傳輸成了網(wǎng)絡(luò )信息技術(shù)的核心。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相比成本低，隨著(zhù)芯片價(jià)格的下跌以及消費者對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的期待，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )必然成功。而且，隨著(zhù)第三代移動(dòng)通信的發(fā)展，各種不同移動(dòng)業(yè)務(wù)的出現，為寬帶視訊業(yè)務(wù)提供了廣闊的市場(chǎng)前景。無(wú)線(xiàn)視訊業(yè)務(wù)將成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)新的亮點(diǎn)。
視頻通信對于我們來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)新事物，可視電話(huà)早就已經(jīng)實(shí)現。但無(wú)線(xiàn)視訊就不這么簡(jiǎn)單了。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與固定網(wǎng)絡(luò )相比，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，但是有更多的問(wèn)題需要面對和解決。
首先，視訊業(yè)務(wù)的數據量大，受帶寬的限制，對誤比特率要求高。其次，無(wú)線(xiàn)信道具有時(shí)變、易錯等特點(diǎn)。在無(wú)線(xiàn)視訊系統的實(shí)用化過(guò)程中將會(huì )面臨更多的問(wèn)題。因此，要實(shí)現無(wú)線(xiàn)視頻通信，必須對視頻信號和無(wú)線(xiàn)信道兩方面提出一個(gè)高要求。
二、無(wú)線(xiàn)視訊給我們帶來(lái)了什么
當前，用于視頻信號的主要傳輸網(wǎng)絡(luò )有PSTN、ISDN、廣播網(wǎng)以及Internet。最初，視訊會(huì )議使用PSTN和ISDN傳輸，這兩種網(wǎng)絡(luò )的誤碼率都十分低。但這些并不是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行傳輸的。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設備諸如小靈通、多媒體移動(dòng)電話(huà)、掌上PC的出現，無(wú)線(xiàn)視訊開(kāi)始成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)和需要。圖1是一個(gè)無(wú)線(xiàn)視訊的典型應用場(chǎng)景。從一個(gè)視訊內容到一個(gè)無(wú)線(xiàn)終端之間的傳輸過(guò)程。
這里，我們可以想象，無(wú)論你處在什么地方，你都可以隨時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)終端（諸如手機、PDA等）來(lái)收看電視節目、觀(guān)看實(shí)況轉播、參加會(huì )議、參與網(wǎng)絡(luò )游戲、相互之間發(fā)送視頻剪輯、進(jìn)行遠程監控和教學(xué)等。這些都是未來(lái)無(wú)線(xiàn)視訊能夠帶給我們的。
目前，普遍的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )諸如GPRS的數據傳輸速率很低，實(shí)際使用只有9.6~28.8kbit/s。無(wú)線(xiàn)視訊系統中即使采用了先進(jìn)的視頻壓縮技術(shù)，圖像的運動(dòng)速率也只能達到1～4幀/秒，這些只是最初的無(wú)線(xiàn)視訊應用，其質(zhì)量也僅僅比靜止圖像稍好。因此最初也只用于一些諸如家庭安全監控和保姆監控等。在這種情況下，無(wú)線(xiàn)視訊完全不能體現其真正的價(jià)值和優(yōu)勢。
隨著(zhù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始從2G演變到2.5G甚至3G。一旦這些網(wǎng)絡(luò )獲得應用，高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)視訊將能夠實(shí)現。
三、無(wú)線(xiàn)視訊系統
無(wú)線(xiàn)視訊系統的構成必然包括視頻編解碼部分和無(wú)線(xiàn)信道兩部分。但除了這兩部分外還有發(fā)送和接收設備以及服務(wù)器。
1.無(wú)線(xiàn)視訊系統的構成
無(wú)線(xiàn)視訊系統的構成框圖如圖2所示。它由視頻內容、編碼器、服務(wù)器、基站和接收設備組成。
編碼主要由算法結合硬件設計完成，而服務(wù)器應該具有相應的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議RTP，RSTP以確保視頻流在網(wǎng)絡(luò )中低延時(shí)傳輸。同時(shí)，接收設備的設計要與前面的設計兼容，不僅要具有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和編解碼器，還要考慮能量損耗和設備的體積，以便于攜帶。
在源編碼后，壓縮的視頻流準備通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。這里往往包含一個(gè)打包過(guò)程。尤其是使用IP網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行傳輸的情況。包的正確傳輸需要網(wǎng)絡(luò )提供大量的功能，諸如路由、傳遞、包的分離和組合、流控制等等。
在無(wú)線(xiàn)視訊中，可以使用IETF推薦的RTP和RTSP來(lái)完成實(shí)時(shí)數據傳輸。IETF是國際網(wǎng)絡(luò )工程任務(wù)特別小組的簡(jiǎn)稱(chēng)(InternetEngineering
Task Force)，其主要目的是為基于IP的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，提供所謂的推薦標準。
RTP是Real Time Protocol的簡(jiǎn)稱(chēng)，它以實(shí)時(shí)的方式來(lái)傳送數據流，RTP使用UDP，其主要原因是，TCP是面向連接的協(xié)議，它的實(shí)時(shí)性并不好，而UDP是盡力而為的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議，適合要求傳輸延時(shí)小的數據。在RTP的包頭有序號、時(shí)標和載荷類(lèi)型比特位，RTP還使用客戶(hù)程序來(lái)監視網(wǎng)絡(luò )流量，在客戶(hù)端還應該負責將數據包重新按照正確的順序排序。
RTCP是實(shí)時(shí)的TCP，它克服了TCP實(shí)時(shí)性不好的缺點(diǎn)，增加了流量保護機制，確保實(shí)時(shí)數據包以盡量小的延時(shí)到達目的地。
在無(wú)線(xiàn)視訊系統中，端到端的傳輸一般在傳輸鏈的開(kāi)始或者結束處包括有無(wú)線(xiàn)設備。所以，打包的比特流至少通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道被傳輸一次。和有線(xiàn)相比，無(wú)線(xiàn)信道的容量會(huì )受到無(wú)線(xiàn)電的頻率帶寬和各種噪聲、干擾的限制。所以無(wú)線(xiàn)信道可以被認為未來(lái)多媒體網(wǎng)絡(luò )的“最弱聯(lián)接”，并且尤其是當移動(dòng)性導致衰落和突發(fā)錯誤時(shí)，更應該引起注意。引入的最終傳輸錯誤需要使用錯誤控制技術(shù)。其中一個(gè)技術(shù)是FEC，混合交錯使用它可以減少突發(fā)錯誤的影響。另一個(gè)是閉循環(huán)錯誤控制技術(shù)像ARQ，在錯誤的變化范圍很大時(shí)尤其有用。這些錯誤控制技術(shù)是信道編碼的一部分。
2．無(wú)線(xiàn)視訊系統的特征
從以上的分析可以看出，無(wú)線(xiàn)視訊通信至少具有以下3個(gè)特征。
(1)高壓縮率
這是從視頻源來(lái)講的，面對無(wú)線(xiàn)信道的帶限特點(diǎn)，原始容量很大的視頻數據必須經(jīng)過(guò)壓縮才能在只限于低比特速率業(yè)務(wù)的無(wú)線(xiàn)系統中進(jìn)行傳輸。因此在進(jìn)行傳輸之前必須進(jìn)行高的壓縮操作，并且考慮到實(shí)際的硬件實(shí)現，壓縮算法必須盡量簡(jiǎn)單且保證性能。諸如MPEG-4就是一種高性能的壓縮標準。
(2)高信道容錯能力
與其他通信信道相比，無(wú)線(xiàn)信道是最為復雜的一種，再加上移動(dòng)終端本身的運動(dòng)，使得無(wú)線(xiàn)信道多變且難以控制。在無(wú)線(xiàn)信道中，各種問(wèn)題都可能發(fā)生，信號有干擾和衰落的影響。它是一種易錯、時(shí)變的系統。因此在無(wú)線(xiàn)視訊傳輸中，信道必須具有高的容錯能力才能保證接收視頻的質(zhì)量。這一點(diǎn)在整個(gè)系統中尤其重要。因為易錯的環(huán)境對于數字視頻來(lái)說(shuō)是難以忍受的，在一個(gè)視頻數據流中丟失數據所產(chǎn)生的效果與在數字音頻中遇到相似情況完全不同，在后者中可能僅僅導致一些聽(tīng)得見(jiàn)的跳躍和卡嚓聲，而前者可能產(chǎn)生令人討厭，而且持久的色斑并且使物體變得模糊，這將導致視頻傳輸實(shí)際上無(wú)法廣泛應用。
(3)低功率
這一點(diǎn)是針對于無(wú)線(xiàn)視訊系統的終端來(lái)講的，因為無(wú)線(xiàn)視訊系統往往是便攜式系統，容量的限制就需要低的功率消耗，如此才能保證整個(gè)系統的正常工作。
四、MPEG-4無(wú)線(xiàn)視訊系統
從以上無(wú)線(xiàn)視訊必須具有的條件來(lái)看，基于MPEG-4的無(wú)線(xiàn)視訊系統非常適合于移動(dòng)多媒體的應用，因為MPEG-4具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)可以達到很高的壓縮比；(2)具有靈活的編碼和解碼復雜性，如不同的空間分辨率、時(shí)間分辨率以及靈活的質(zhì)量、性能和代價(jià)的折衷；(3)基于對象的編碼方式，允許視頻、音頻對象的交互；(4)具有很強的容錯能力。
MPEG-4按照如下5個(gè)層次組織要編碼的圖像，從上至下依次為：視頻段（VS,Video Session）、視頻對象（VO,Video Object）、視頻對象層（VOL,Video
Object Layer）、視頻對象組層（GOV,Group of Video Object Plane）、視頻對象平面（VOP,Video Object
Plane）。這些不同的元素以不同的層次組合起來(lái)，結合MPEG-4視頻檔次(MPEG-4 Visual Profile)，成為表示圖像的數據流。
交互性是MPEG-4的一個(gè)重要概念。事實(shí)上，由于其本身的復雜性，AV（Audio Video，音頻、視頻）研究被分割到許多技術(shù)領(lǐng)域，而各領(lǐng)域都或多或少地在進(jìn)行獨立的研究。為此MPEG提出了一個(gè)AV信息可以以不同方式顯現和處理的方案，這意味著(zhù)MPEG-4試圖同時(shí)集成自然的與合成的AV物體，包括單聲道、立體聲和多聲道音頻，以及2D和3D或者單目、立體或多目視頻。
最近剛剛提出不久的H.264（ITU-T命名），或稱(chēng)之為MPEG-4 AVC（ISO/IEC命名），是一種由ITU-T與ISO/IEC正在聯(lián)合進(jìn)行開(kāi)發(fā)的視頻編解碼方案，它即將成為MPEG-4標準的第10部分（ISO
MPEG-4 Part 10）。盡管H.264/MPEG-4 AVC這項技術(shù)還沒(méi)有得到正式批準，但是可以降低50%或更多帶寬的能力，將會(huì )對無(wú)線(xiàn)視頻通信的應用產(chǎn)生巨大的影響。
基于MPEG-4的無(wú)線(xiàn)視訊技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)主要是MPEG-4的編碼和解碼技術(shù)。
1.MPEG-4編碼器
編碼器可以分為預處理、速率控制、運動(dòng)估計和比特流編碼算法等部分。每一部分在實(shí)現過(guò)程中都有很大的彈性，而且每一部分都針對不同的應用和實(shí)現方案進(jìn)行了優(yōu)化。
在預處理中，主要功能是對輸入的可視素材進(jìn)行再采樣，使之符合標準的分辨率和數據格式。這使得它對來(lái)自不同類(lèi)型設備的輸入有著(zhù)很靈活的適應性。
速率控制也是一個(gè)重要的編碼問(wèn)題。其目標是分配必需的量化時(shí)間和空間，盡可能在保持最佳圖像質(zhì)量的情況下來(lái)維持一個(gè)恒定的比特率，或是在盡可能低的速率下保持一個(gè)固定的圖像質(zhì)量。
具體算法開(kāi)發(fā)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是其靈活性，速率控制算法應該是可調節的，而且能夠適應不同的網(wǎng)絡(luò )和系統。這一點(diǎn)在移動(dòng)通信中是非常重要的。比方說(shuō)，一個(gè)手機所接收到的數據流速率是非常低的，而一個(gè)移動(dòng)的筆記本電腦在通信過(guò)程中所要求的帶寬要大于手機的帶寬，軟件的設計要充分考慮不同的使用情況。這種靈活性還可以動(dòng)態(tài)地在服務(wù)器端和客戶(hù)端調整通信速率，在第2.5代和第3代無(wú)線(xiàn)通信中是非常有意義的，因為在它們的通信標準中規定了不同的數據流發(fā)送速率，以確保在不同的網(wǎng)絡(luò )狀況中保證服務(wù)質(zhì)量。
在視頻編碼器中，計算復雜度最大的部分是運動(dòng)預測。這是因為運動(dòng)預測包括一種反復計算，以確定鄰近幀中宏塊的相關(guān)性。該計算其實(shí)是進(jìn)行一種匹配操作來(lái)尋找最佳匹配，它將產(chǎn)生最佳預測。這通常用稱(chēng)為絕對差值和(SAD)的一種均方誤差的近似來(lái)完成。
此外，比特流編碼、MPEG-4重同步（使解碼器和比特流在錯誤被檢測后能夠再同步）、MPEG-4數據分割（通過(guò)將運動(dòng)信息和宏塊頭信息從紋理信息中分離出來(lái)完成）、MPEG-4數據恢復（它使用MPEG-4中提供的工具，例如用于恢復數據的變長(cháng)編碼等）等也是關(guān)鍵的編碼技術(shù)。
2.MPEG-4解碼器
基于MPEG-4的無(wú)線(xiàn)視訊的另一個(gè)關(guān)鍵部分是它的解碼方案。為了傳輸數字視頻而需要達到的高壓縮率導致了比特流對錯誤非常敏感。這是提高壓縮比對相應的信息內容所帶來(lái)的影響。
對于個(gè)人通信中的無(wú)線(xiàn)視訊傳輸來(lái)說(shuō)，當需要壓縮的素材滿(mǎn)足ITU-T Rec. 601 （720×480×30或720×576×25）時(shí)，視頻壓縮比要超過(guò)5000:1。因此，1比特錯碼將對未壓縮的5000個(gè)比特產(chǎn)生影響。由于在已壓縮和未壓縮域中的誤碼的關(guān)系是非線(xiàn)性的，在一般情況下，這些技術(shù)標準對誤碼非常敏感。基于對這一問(wèn)題的考慮，解碼技術(shù)的重點(diǎn)在于容錯解碼技術(shù)，即錯誤限制、丟失數據的恢復以及對在播放前還殘留的錯誤的隱藏等，同時(shí)，開(kāi)發(fā)最佳解碼器中的技術(shù)還應集成有后處理算法等。這些技術(shù)能夠為特定的播放應用保證盡可能好的播放質(zhì)量。
在大多數情況下，大幅壓縮的視頻數據無(wú)法避免由信道退化帶來(lái)的誤碼影響。然而，只要通過(guò)采用一系列適當的方法和工具來(lái)減小誤碼的影響，高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)視訊傳輸是完全可能實(shí)現的。
另外，MPEG-4還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，諸如MPEG-4作為一個(gè)國際化的標準具有很好的兼容性及開(kāi)放性。MPEG-4提供高壓縮比的同時(shí)，對數據的損失很小，達到了以最小的數據獲得最佳的圖像質(zhì)量的目的。MPEG-4是個(gè)開(kāi)放標準，具有高質(zhì)量的數字影像，允許內容創(chuàng )建者對內容全程進(jìn)行品質(zhì)和帶寬的均衡，因此被全世界的無(wú)線(xiàn)、電腦及娛樂(lè )公司廣泛采用。
從以上這些分析，MPEG-4是一種非常適合于無(wú)線(xiàn)視頻通信系統的視頻壓縮標準。目前，已經(jīng)被廣泛應用著(zhù)，在2.5G和3G時(shí)代將會(huì )得到更加廣泛的應用。
五、無(wú)線(xiàn)視訊的應用
無(wú)線(xiàn)視訊的應用范圍很廣，諸如我們前面提到的可視電話(huà)、視訊會(huì )議、視頻游戲等等。其中，隨著(zhù)3G時(shí)代的到來(lái)，3G視訊應用尤其3G移動(dòng)可視電話(huà)將成為人們最主要的應用。
目前有很多的公司已經(jīng)在致力于開(kāi)發(fā)用于3G移動(dòng)可視電話(huà)的芯片，諸如安凱公司、Wavecom、以及Emblaze等。安凱公司開(kāi)發(fā)的AK3210M移動(dòng)多媒體處理芯片是專(zhuān)門(mén)為新一代多媒體手機(智能手機、PDA手機)和其它手持設備定制，也將是第三代移動(dòng)通訊終端的應用處理器。
AK3210M移動(dòng)多媒體應用處理器是世界上第一顆集支持400萬(wàn)像素數碼相機接口、二維/三維圖形圖像加速器、運動(dòng)圖像(MPEG4)編解碼器、MP3編解碼器、40和弦MIDI解碼器、PDA處理器以及眾多接口于一體的高度集成的超大規模集成電路芯片。芯片有一千多萬(wàn)個(gè)晶體管。在國際同類(lèi)產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位。
接收到的壓縮媒體流首先進(jìn)入射頻模塊解調，A/D變換后進(jìn)入基帶數字信號處理，然后轉到多媒體應用處理器中進(jìn)行解碼，最后圖像送到LCD顯示和聲音送到揚聲器播放。
我們知道，由于傳輸多媒體內容數據量大，所以對帶寬的要求很高。而3G其容量大，性能好，效率高等特點(diǎn)正適合于這種應用。因此，目前，很多公司開(kāi)始致力于研究具有視頻功能的手機，也就是可視手機。用于3G的標準很多，諸如WCDMA、CDMA2000以及我國自主開(kāi)發(fā)的TD-SCDMA，都非常適合寬帶應用，同時(shí)其所采用的技術(shù)能使無(wú)線(xiàn)頻率資源達到最優(yōu)利用率。最近，重慶郵電學(xué)院控股的重郵信科股份有限公司進(jìn)行的TD-SCDMA手機的研制開(kāi)發(fā)，研制出了TD-SCDMA樣機，其中包括了MPEG-4可視電話(huà)功能，為無(wú)線(xiàn)視頻通信的發(fā)展向前推動(dòng)了一步。
六、無(wú)線(xiàn)視訊的前景
為了使新一代無(wú)線(xiàn)視訊網(wǎng)絡(luò )和第三代移動(dòng)通信可以正常發(fā)展，ITU-T成立了注重于多媒體通信的研究小組(STUDY GROUP 16)；ISO/IEC成立了注重于圖像和聲音壓縮技術(shù)的工作小組SC29/WG11，在第三代移動(dòng)通信方面，3GPP
SA4是第三代多媒體無(wú)線(xiàn)通信的專(zhuān)門(mén)工作小組，除此之外，3GPP2和無(wú)線(xiàn)多媒體論壇WAF(Wireless Multimedia Forum)也對各項標準的制定做出了不小的貢獻。
無(wú)線(xiàn)視訊的應用前景將是非常廣闊的。它將會(huì )對以下各方面產(chǎn)生較大的推動(dòng)作用：數字電視、動(dòng)態(tài)圖像、萬(wàn)維網(wǎng)（WWW）、實(shí)時(shí)多媒體監控、低比特率下的移動(dòng)多媒體通信、基于內容的存儲和檢索多媒體系統、Internet/Intranet上的視頻流與可視游戲、基于面部表情模擬的虛擬會(huì )議、DVD上的交互多媒體應用、基于計算機網(wǎng)絡(luò )的可視化合作實(shí)驗室場(chǎng)景應用、演播電視等。
隨著(zhù)今年第三代寬帶移動(dòng)通信系統走向實(shí)用，諸如商用移動(dòng)視訊會(huì )議等應用也將會(huì )出現。由于可供新的無(wú)線(xiàn)標準（如MPEG-4等）使用的帶寬將有大幅提高，視頻的質(zhì)量將會(huì )有極大的改善。目前，PacketVideo提供在現有的CDMA網(wǎng)絡(luò )上，以每秒5幀的速度傳送實(shí)時(shí)視頻流的軟件，同時(shí)，它正與Socket
Communications公司合作，為基于Windows CE的掌上設備和手持式個(gè)人計算機（HPC）開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)視訊應用。
此外，還有許多其他大公司也正致力于無(wú)線(xiàn)視訊應用技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。諸如Amphion Semiconductor、Envivio、Equator
Technologies、iVAST、德州儀器、UB Video和VideoLocus等芯片制造商以及軟件技術(shù)供應商都對H.264/MPEG-4技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，其中VideoLocus公司已推出了VLP4000系統用于H.264/MPEG-4
AVC編解碼、流媒體方案及性能的評估。
由于存在著(zhù)巨大的市場(chǎng)需求和許多大公司、研究機構強有力的支持，可以預見(jiàn)，隨著(zhù)視頻技術(shù)和標準（如MPEG-4、H.264）的推廣和應用，無(wú)線(xiàn)視訊的市場(chǎng)前景將十分美好。而MPEG-4在無(wú)線(xiàn)設備中的廣泛使用，將為人們提供一種更加方便、快捷、有效的通信方式。
七、小結
在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，無(wú)線(xiàn)視頻通信網(wǎng)絡(luò )呼之欲出。但是，我們必須看到，要真正實(shí)現無(wú)線(xiàn)視頻通信，研究人員還有很多工作需要做，在相關(guān)標準的完善和協(xié)議一致性方面還很欠缺。相信在大家的努力下，低功耗、小體積的無(wú)線(xiàn)視訊產(chǎn)品會(huì )很快在市面出現。
中國多媒體視訊
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