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無線視訊通信系統(tǒng)及其應用中的問題淺析
2004/08/03
一、引言
近年來，無線通信技術(shù)的發(fā)展進入了空前活躍的階段，音頻、視頻和數(shù)據(jù)的無線傳輸成了網(wǎng)絡信息技術(shù)的核心。無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡相比成本低，隨著芯片價格的下跌以及消費者對無線網(wǎng)絡的期待，無線網(wǎng)絡必然成功。而且，隨著第三代移動通信的發(fā)展，各種不同移動業(yè)務的出現(xiàn)，為寬帶視訊業(yè)務提供了廣闊的市場前景。無線視訊業(yè)務將成為未來無線移動通信業(yè)務新的亮點。
視頻通信對于我們來說并不是一個新事物，可視電話早就已經(jīng)實現(xiàn)。但無線視訊就不這么簡單了。無線網(wǎng)絡與固定網(wǎng)絡相比，不受時間和地點的限制，但是有更多的問題需要面對和解決。
首先，視訊業(yè)務的數(shù)據(jù)量大，受帶寬的限制，對誤比特率要求高。其次，無線信道具有時變、易錯等特點。在無線視訊系統(tǒng)的實用化過程中將會面臨更多的問題。因此，要實現(xiàn)無線視頻通信，必須對視頻信號和無線信道兩方面提出一個高要求。
二、無線視訊給我們帶來了什么
當前，用于視頻信號的主要傳輸網(wǎng)絡有PSTN、ISDN、廣播網(wǎng)以及Internet。最初，視訊會議使用PSTN和ISDN傳輸，這兩種網(wǎng)絡的誤碼率都十分低。但這些并不是通過無線通信網(wǎng)絡來進行傳輸?shù)�。隨著無線移動設備諸如小靈通、多媒體移動電話、掌上PC的出現(xiàn)，無線視訊開始成為人們關(guān)注的焦點和需要。圖1是一個無線視訊的典型應用場景。從一個視訊內(nèi)容到一個無線終端之間的傳輸過程。
這里，我們可以想象，無論你處在什么地方，你都可以隨時通過無線終端（諸如手機、PDA等）來收看電視節(jié)目、觀看實況轉(zhuǎn)播、參加會議、參與網(wǎng)絡游戲、相互之間發(fā)送視頻剪輯、進行遠程監(jiān)控和教學等。這些都是未來無線視訊能夠帶給我們的。
目前，普遍的移動通信網(wǎng)絡諸如GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速率很低，實際使用只有9.6~28.8kbit/s。無線視訊系統(tǒng)中即使采用了先進的視頻壓縮技術(shù)，圖像的運動速率也只能達到1～4幀/秒，這些只是最初的無線視訊應用，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(jiān)控和保姆監(jiān)控等。在這種情況下，無線視訊完全不能體現(xiàn)其真正的價值和優(yōu)勢。
隨著移動網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，移動網(wǎng)絡開始從2G演變到2.5G甚至3G。一旦這些網(wǎng)絡獲得應用，高質(zhì)量的無線視訊將能夠?qū)崿F(xiàn)。
三、無線視訊系統(tǒng)
無線視訊系統(tǒng)的構(gòu)成必然包括視頻編解碼部分和無線信道兩部分。但除了這兩部分外還有發(fā)送和接收設備以及服務器。
1.無線視訊系統(tǒng)的構(gòu)成
無線視訊系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖2所示。它由視頻內(nèi)容、編碼器、服務器、基站和接收設備組成。
編碼主要由算法結(jié)合硬件設計完成，而服務器應該具有相應的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議RTP，RSTP以確保視頻流在網(wǎng)絡中低延時傳輸。同時，接收設備的設計要與前面的設計兼容，不僅要具有網(wǎng)絡協(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一個網(wǎng)絡進行傳輸。這里往往包含一個打包過程。尤其是使用IP網(wǎng)絡來進行傳輸?shù)那闆r。包的正確傳輸需要網(wǎng)絡提供大量的功能，諸如路由、傳遞、包的分離和組合、流控制等等。
在無線視訊中，可以使用IETF推薦的RTP和RTSP來完成實時數(shù)據(jù)傳輸。IETF是國際網(wǎng)絡工程任務特別小組的簡稱(InternetEngineering Task Force)，其主要目的是為基于IP的網(wǎng)絡服務，提供所謂的推薦標準。
RTP是Real Time Protocol的簡稱，它以實時的方式來傳送數(shù)據(jù)流，RTP使用UDP，其主要原因是，TCP是面向連接的協(xié)議，它的實時性并不好，而UDP是盡力而為的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，適合要求傳輸延時小的數(shù)據(jù)。在RTP的包頭有序號、時標和載荷類型比特位，RTP還使用客戶程序來監(jiān)視網(wǎng)絡流量，在客戶端還應該負責將數(shù)據(jù)包重新按照正確的順序排序。
RTCP是實時的TCP，它克服了TCP實時性不好的缺點，增加了流量保護機制，確保實時數(shù)據(jù)包以盡量小的延時到達目的地。
在無線視訊系統(tǒng)中，端到端的傳輸一般在傳輸鏈的開始或者結(jié)束處包括有無線設備。所以，打包的比特流至少通過無線信道被傳輸一次。和有線相比，無線信道的容量會受到無線電的頻率帶寬和各種噪聲、干擾的限制。所以無線信道可以被認為未來多媒體網(wǎng)絡的“最弱聯(lián)接”，并且尤其是當移動性導致衰落和突發(fā)錯誤時，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尤其有用。這些錯誤控制技術(shù)是信道編碼的一部分。
2．無線視訊系統(tǒng)的特征
從以上的分析可以看出，無線視訊通信至少具有以下3個特征。
(1)高壓縮率
這是從視頻源來講的，面對無線信道的帶限特點，原始容量很大的視頻數(shù)據(jù)必須經(jīng)過壓縮才能在只限于低比特速率業(yè)務的無線系統(tǒng)中進行傳輸。因此在進行傳輸之前必須進行高的壓縮操作，并且考慮到實際的硬件實現(xiàn)，壓縮算法必須盡量簡單且保證性能。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，無線信道是最為復雜的一種，再加上移動終端本身的運動，使得無線信道多變且難以控制。在無線信道中，各種問題都可能發(fā)生，信號有干擾和衰落的影響。它是一種易錯、時變的系統(tǒng)。因此在無線視訊傳輸中，信道必須具有高的容錯能力才能保證接收視頻的質(zhì)量。這一點在整個系統(tǒng)中尤其重要。因為易錯的環(huán)境對于數(shù)字視頻來說是難以忍受的，在一個視頻數(shù)據(jù)流中丟失數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的效果與在數(shù)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得見的跳躍和卡嚓聲，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際上無法廣泛應用。
(3)低功率
這一點是針對于無線視訊系統(tǒng)的終端來講的，因為無線視訊系統(tǒng)往往是便攜式系統(tǒng)，容量的限制就需要低的功率消耗，如此才能保證整個系統(tǒng)的正常工作。
四、MPEG-4無線視訊系統(tǒng)
從以上無線視訊必須具有的條件來看，基于MPEG-4的無線視訊系統(tǒng)非常適合于移動多媒體的應用，因為MPEG-4具有以下幾個方面的優(yōu)點：(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、時間分辨率以及靈活的質(zhì)量、性能和代價的折衷；(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，結(jié)合MPEG-4視頻檔次(MPEG-4 Visual Profile)，成為表示圖像的數(shù)據(jù)流。
交互性是MPEG-4的一個重要概念。事實上，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)領域，而各領域都或多或少地在進行獨立的研究。為此MPEG提出了一個AV信息可以以不同方式顯現(xiàn)和處理的方案，這意味著MPEG-4試圖同時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），或稱之為MPEG-4 AVC（ISO/IEC命名），是一種由ITU-T與ISO/IEC正在聯(lián)合進行開發(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)還沒有得到正式批準，但是可以降低50%或更多帶寬的能力，將會對無線視頻通信的應用產(chǎn)生巨大的影響。
基于MPEG-4的無線視訊技術(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、運動估計和比特流編碼算法等部分。每一部分在實現(xiàn)過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現(xiàn)方案進行了優(yōu)化。
在預處理中，主要功能是對輸入的可視素材進行再采樣，使之符合標準的分辨率和數(shù)據(jù)格式。這使得它對來自不同類型設備的輸入有著很靈活的適應性。
速率控制也是一個重要的編碼問題。其目標是分配必需的量化時間和空間，盡可能在保持最佳圖像質(zhì)量的情況下來維持一個恒定的比特率，或是在盡可能低的速率下保持一個固定的圖像質(zhì)量。
具體算法開發(fā)中的一個關(guān)鍵問題是其靈活性，速率控制算法應該是可調(diào)節(jié)的，而且能夠適應不同的網(wǎng)絡和系統(tǒng)。這一點在移動通信中是非常重要的。比方說，一個手機所接收到的數(shù)據(jù)流速率是非常低的，而一個移動的筆記本電腦在通信過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態(tài)地在服務器端和客戶端調(diào)整通信速率，在第2.5代和第3代無線通信中是非常有意義的，因為在它們的通信標準中規(guī)定了不同的數(shù)據(jù)流發(fā)送速率，以確保在不同的網(wǎng)絡狀況中保證服務質(zhì)量。
在視頻編碼器中，計算復雜度最大的部分是運動預測。這是因為運動預測包括一種反復計算，以確定鄰近幀中宏塊的相關(guān)性。該計算其實是進行一種匹配操作來尋找最佳匹配，它將產(chǎn)生最佳預測。這通常用稱為絕對差值和(SAD)的一種均方誤差的近似來完成。
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(shù)據(jù)分割（通過將運動信息和宏塊頭信息從紋理信息中分離出來完成）、MPEG-4數(shù)據(jù)恢復（它使用MPEG-4中提供的工具，例如用于恢復數(shù)據(jù)的變長編碼等）等也是關(guān)鍵的編碼技術(shù)。
2.MPEG-4解碼器
基于MPEG-4的無線視訊的另一個關(guān)鍵部分是它的解碼方案。為了傳輸數(shù)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(nèi)容所帶來的影響。
對于個人通信中的無線視訊傳輸來說，當需要壓縮的素材滿足ITU-T Rec. 601 （720×480×30或720×576×25）時，視頻壓縮比要超過5000:1。因此，1比特錯碼將對未壓縮的5000個比特產(chǎn)生影響。由于在已壓縮和未壓縮域中的誤碼的關(guān)系是非線性的，在一般情況下，這些技術(shù)標準對誤碼非常敏感�；趯@一問題的考慮，解碼技術(shù)的重點在于容錯解碼技術(shù)，即錯誤限制、丟失數(shù)據(jù)的恢復以及對在播放前還殘留的錯誤的隱藏等，同時，開發(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(shù)情況下，大幅壓縮的視頻數(shù)據(jù)無法避免由信道退化帶來的誤碼影響。然而，只要通過采用一系列適當?shù)姆椒ê凸ぞ邅頊p小誤碼的影響，高質(zhì)量的無線視訊傳輸是完全可能實現(xiàn)的。
另外，MPEG-4還有其他一些優(yōu)點，諸如MPEG-4作為一個國際化的標準具有很好的兼容性及開放性。MPEG-4提供高壓縮比的同時，對數(shù)據(jù)的損失很小，達到了以最小的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量的目的。MPEG-4是個開放標準，具有高質(zhì)量的數(shù)字影像，允許內(nèi)容創(chuàng)建者對內(nèi)容全程進行品質(zhì)和帶寬的均衡，因此被全世界的無線、電腦及娛樂公司廣泛采用。
從以上這些分析，MPEG-4是一種非常適合于無線視頻通信系統(tǒng)的視頻壓縮標準。目前，已經(jīng)被廣泛應用著，在2.5G和3G時代將會得到更加廣泛的應用。
五、無線視訊的應用
無線視訊的應用范圍很廣，諸如我們前面提到的可視電話、視訊會議、視頻游戲等等。其中，隨著3G時代的到來，3G視訊應用尤其3G移動可視電話將成為人們最主要的應用。
目前有很多的公司已經(jīng)在致力于開發(fā)用于3G移動可視電話的芯片，諸如安凱公司、Wavecom、以及Emblaze等。安凱公司開發(fā)的AK3210M移動多媒體處理芯片是專門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，也將是第三代移動通訊終端的應用處理器。
AK3210M移動多媒體應用處理器是世界上第一顆集支持400萬像素數(shù)碼相機接口、二維/三維圖形圖像加速器、運動圖像(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(guī)模集成電路芯片。芯片有一千多萬個晶體管。在國際同類產(chǎn)品中處于領先地位。
接收到的壓縮媒體流首先進入射頻模塊解調(diào)，A/D變換后進入基帶數(shù)字信號處理，然后轉(zhuǎn)到多媒體應用處理器中進行解碼，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(nèi)容數(shù)據(jù)量大，所以對帶寬的要求很高。而3G其容量大，性能好，效率高等特點正適合于這種應用。因此，目前，很多公司開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以及我國自主開發(fā)的TD-SCDMA，都非常適合寬帶應用，同時其所采用的技術(shù)能使無線頻率資源達到最優(yōu)利用率。最近，重慶郵電學院控股的重郵信科股份有限公司進行的TD-SCDMA手機的研制開發(fā)，研制出了TD-SCDMA樣機，其中包括了MPEG-4可視電話功能，為無線視頻通信的發(fā)展向前推動了一步。
六、無線視訊的前景
為了使新一代無線視訊網(wǎng)絡和第三代移動通信可以正常發(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，在第三代移動通信方面，3GPP SA4是第三代多媒體無線通信的專門工作小組，除此之外，3GPP2和無線多媒體論壇WAF(Wireless Multimedia Forum)也對各項標準的制定做出了不小的貢獻。
無線視訊的應用前景將是非常廣闊的。它將會對以下各方面產(chǎn)生較大的推動作用：數(shù)字電視、動態(tài)圖像、萬維網(wǎng)（WWW）、實時多媒體監(jiān)控、低比特率下的移動多媒體通信、基于內(nèi)容的存儲和檢索多媒體系統(tǒng)、Internet/Intranet上的視頻流與可視游戲、基于面部表情模擬的虛擬會議、DVD上的交互多媒體應用、基于計算機網(wǎng)絡的可視化合作實驗室場景應用、演播電視等。
隨著今年第三代寬帶移動通信系統(tǒng)走向?qū)嵱�，諸如商用移動視訊會議等應用也將會出現(xiàn)。由于可供新的無線標準（如MPEG-4等）使用的帶寬將有大幅提高，視頻的質(zhì)量將會有極大的改善。目前，PacketVideo提供在現(xiàn)有的CDMA網(wǎng)絡上，以每秒5幀的速度傳送實時視頻流的軟件，同時，它正與Socket Communications公司合作，為基于Windows CE的掌上設備和手持式個人計算機（HPC）開發(fā)無線視訊應用。
此外，還有許多其他大公司也正致力于無線視訊應用技術(shù)的研究開發(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)進行了相關(guān)的研究及產(chǎn)品開發(fā)，其中VideoLocus公司已推出了VLP4000系統(tǒng)用于H.264/MPEG-4 AVC編解碼、流媒體方案及性能的評估。
由于存在著巨大的市場需求和許多大公司、研究機構(gòu)強有力的支持，可以預見，隨著視頻技術(shù)和標準（如MPEG-4、H.264）的推廣和應用，無線視訊的市場前景將十分美好。而MPEG-4在無線設備中的廣泛使用，將為人們提供一種更加方便、快捷、有效的通信方式。
七、小結(jié)
在無線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，無線視頻通信網(wǎng)絡呼之欲出。但是，我們必須看到，要真正實現(xiàn)無線視頻通信，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、小體積的無線視訊產(chǎn)品會很快在市面出現(xiàn)。
中國多媒體視訊
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