无线网络中的视频通信

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无线网络中的视频通信

作者：师亚莉，… 来源：现代电子技术点击：次发布时间:2005-8-8 12:32:00

　　摘　要：无线网络中的视频通信，对高效率的视频压缩和网络的友好设计是一个极具挑战性的任务。对无线网络中基于终端和网络的一些技术方案进行了研究。

　　关键词：无线网络；视频通信；QoS；视频编码标准；多媒体应用

　　近年来，无线通信技术的发展进入了空前活跃的历史时期。呼之欲出的第三代(3G)移动通信不仅能提供现有的各种移动电话业务，还能提供高速率的宽带多媒体业务，支持高质量的话音、分组数据业务以及实时的视频传输。3G开创了无线通信与因特网、多媒体融合的新时代，由此产生的无线多媒体和无线IP业务必将成为未来无线移动通信业务新的增长点，传送有一定的QoS（服务质量）保证的实时视频流是多媒体应用的主要内容。

　　移动通信系统的共同点是误码率很高，因此在无线通信系统开展视频业务十分困难，要求视频编解码和传输系统能够克服信道的高误码比、包丢失以提供QoS保证。

1基于终端的技术方案

　　解决无线网络QoS的方案中，必须要满足：

　　(1)平滑的质量降级当网络状态改变时，服务的图像质量的变化是平稳的。

　　(2)有效性充分使用带宽资源，当网络带宽资源下降时就降低输出图像码率；如果带宽资源增加则加大输出图像的码流。

1.1图像的分级编码

　　图像的分级编码是一个有效的途径。将图像编码压缩成几种不同质量的码流，每一种码流有其对应的QoS。

　　(1)有其叠加性每一级码流可以和其对应的低一级的码流组成更高一级的图像；

　　(2)有很强的灵活性根据网络的带宽状态随时将分级图像组合成适应网络带宽的码流；

　　(3)有很强的鲁棒性如果出现丢包或误码时，只能影响其中一层图像而不会影响整帧图像，使图像质量可以被接受。

　　分级图像特别适用于组播业务中。因为网络的不对称性，每个收端的网络状态不一致，因此可以对每个接收端发一个码流；而在发送端是相同的码流。视频的分级可以有3种分级编码方式：空间分级、时间分级、SNR（质量信噪比）分级。空间分级是将图像分成几种分辨率的差分图像分别进行编码，形成几种码流；时间分级比较简单，直接在码流中略过图像帧就能完成；SNR分级是将图像按宏块DCT采用几种不同的量化参数对差分结果进行量化编码，得到几种码流进行传输。

1.2视频压缩标准［1，2］

1.2.1ITUT的H.263和 H.263+

　　多媒体通信系统，特别是视频的应用，对高容量的数据进行操作并要求大量的可用带宽。由于这些业务在不断增长，但无线网络上的传输率仍然有限，这就要求新的编码标准应该具有更高的压缩率。1996年，ITUT提出的H.263可以达到上述要求。他的编码结构基于H.261，但能够在低比特率的情况下改进图像质量。而H.263+是第一个被特别设计用来在不同网络技术上进行工作的国际化视频编码标准。他提供了12种可选模式,用于在易于发生差错和无QoS保证的网络中提高图像质量。尽管H.263+的差错弹性模式主要是为有线网络设计的，但是他对于无线网络也很有帮助。由于对无线网络上视频会议业务的需求在不断增长，国际标准化组织因此对编码技术进行了优化。

1.2.2ISO/IEC的MPEG 4视频标准

　　MPEG 4视频标准包括了视频对象Vos(Video Objects)，视频对象层VOL(Video Obj ects Layer)，和视频对象平面VOP(Video Object Plane)。这些不同的元素以不同的层次组合起来，结合MPEG 4视频脚本(MPEG 4 Visual Profile)，成为表示图像的数据流。

　　移动多媒体应用面临的技术挑战不同于桌面多媒体系统。这是因为当前的移动计算技术的固有限制，如计算能力的限制、带宽限制和不可靠的传输等。MPEG 4 作为自适应方案非常适合于移动多媒体的应用，因为MPEG 4具有以下几个方面的优点：

　　(1)可以达到很高的压缩比。

　　(2)具有灵活的编码和解码复杂性，如不同的空间分辨率、时间分辨率以及灵活的质量、性能和代价的折衷。

　　(3)基于对象的编码方式，允许视频、音频对象的交互。

　　(4)人脸动画可以采用参数驱动的方式。

　　MPEG 4视频压缩标准是目前非常有用的图像压缩技术，在移动多媒体通信中，软件设计要注意MPEG 4模块的适配性。适配性是指软件对数据流的处理要根据通信设备或者网络情况的不同而变化，这一点在移动通信中是非常重要的。适配性还可以动态地在服务器端和客户端调整通信速率，在2.5代和第3代无线通信中是非常有意义的，因为在他们的通信标准中规定了不同的数据流发送速率，以确保在不同的网络状况中保证服务质量。

1.2.3H.264/AVC视频标准

　　在2001年后期，运动图像专家组（MPEG）和VCEG决定共同成立一个联合视频组（JVT），为ITUT即将推出的H.264/AVC以及MPEG 4最新的部分AVC创立一个单独的技术设计。H.264/AVC的主要目标就是提高编码效率和网络适应性。在相同的图像质量下，H.264/AVC的算法比以前的标准如ITUT RECH.263和ISO/IEC JTC 1 MPEG 4的码流都大为下降。在技术上，H. 264标准中有多个闪光之处，如统一的VLC符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于4×4块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施使得H.264算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比H.263节约50％左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP和无线网络的应用。

1.3质量控制技术［3］

　　质量控制技术的主要目的是保证在视频传输过程中改善质量。主要包括拥塞控制和差错控制等方面。拥塞控制的目的是避免因为网络拥塞导致包丢失而造成的质量下降。对于视频流，拥塞控制的主要方法是速率控制。典型的速率调节方法根据编码的扩展性来实现。包括：

　　(1) 帧丢弃过滤他可以区分不同的帧，如MPEG编码的I帧，B帧，P帧，根据帧的重要性丢弃帧（先B帧，再P帧，最后I帧）。

　　(2)分层丢弃过滤。

　　(3)频率过滤。

　　拥塞控制的目的是减少包的丢失，但是无法避免包的丢失。在这种情况下，可能需要一定的差错控制机制。差错控制机制包括：

　　(1)FECFEC的目的是通过增加冗余信息使得包丢失后能够通过其他包恢复出正确的信息。

　　(2)错误弹性编码(Error Resilient Encoding)在编码中通过适当的控制使发生数据丢失后能够最大限度地减少对质量的影响。该方法的优点是实现了对数据丢失的健壮性和增强的质量，但在压缩的效率上受到影响。

　　(3)错误隐藏（Cancealment）错误隐藏是指当错误已经发生后，接收端通过一定的方法尽量削弱对人的视觉影响。主要的方法是时间和空间的插值（Interpolatio n）。近年的研究还包括最大平滑恢复，运动补偿时间预测等。

2基于网络的技术方案

2.1实时传输协议（RTP）与实时传输控制协议（RTCP）

　　在无线视频中，可以使用IETF（国际网络工程任务特别小组）推荐的RTP和RTSP来完成实时数据传输。RTP(Realtime Transport Protocol)和RTCP（Realtime Control Protocol）都是基于IP的应用层协议。RTP为实时音/视频数据提供端到端的传送服务，包括有效载荷类型标识、序列标号、时间标签和源标识，可以提供时间信息和实现流同步。由于TCP中重传机制会引起时延，通常RTP运行于UDP之上。RTP本身并不提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或者拥塞控制，而是通过与RTCP配合使用，使传输效率最佳。RTCP用来监视服务质量和在会议过程中交换信息。他提供QoS反馈、参与者标识、控制包缩放、媒体间同步等服务。RTCP包中包含已发送数据包数量、丢失数据包数量等统计资料。服务器可以根据这些信息动态地改变传输速率甚至有效载荷类型。图1所示为IETF的传输协议栈，表明了RTP/RTCP在协议栈的位置。

2.2视频数据的细化打包［4］

　　视频数据的细化打包可以保证信道使用和差错健壮性之间的最优化关系。单一的MPEG4码流通常被分成一串独立可解码的、有规则长度的视频分组，每个分组都以复同步字开始。这些视频分组通过MPEG 4编码器产生，并被看作是压缩层的一部分。因此他们应与IP、UDP和RTP层所创建的分组分开。区分RTP分组和MPEG 4视频分组很重要，RTP分组的建立是与MPEG 4编码过程分离的，而视频分组则是由MPEG 4编码器生成。对一个固定大小的报头来说，视频载荷的大小是控制平衡的重要因素，可调整打包机制中差错健壮性和吞吐量的最佳关系。

　　一个分组头部任何一部分的损坏，都会导致整个RTP分组的丢失。由于一个MPEG 4视频分组内数据敏感度的不同，情况就更复杂了。已数据分割的MPEG 4分组被分成2部分，第一部分包含了头和运动数据，第二部分包含了实质数据。没有第一部分，第二部分就不能被译码。因此，第一部分的损坏导致一个完整视频分组丢失。任何RTP打包分析都必须考虑这些因素。

　　有2种打包机制可将MPEG 4数据封装进RTP分组中。在第一种机制中 (见图2(a)) ，一个MPEG 4分组被封装进单一的RTP分组；而在第二种机制中(见图2(b))，一个RT P分组包含一个视频帧，每个视频帧包含许多个MPEG 4分组，每个MPEG 4分组末尾都插入8 b的循环冗余效验码（CRC），来帮助实现视频分组数据中的差错隐藏，同时保持和标准MPEG 4解码器的向后兼容性。

2.3移动网络上的优先级传输［1， 3］

　　当前的视频编码方案主要考虑带宽的限制，而对高误码率和分组丢失率的考虑不够。可行的解决办法是采用基于分层的可伸缩编码方案，根据人的视觉特性，分层视频编码通常使用不平等的差错保护（UEP），即将编码视频流分割成几个误码保护等级不同的子流，主要保护最重要的子流，使高优先级基本层获得一个可保证的服务质量并使之细化。这种方法称为带传输优先级的分层编码，在视频传输系统中专门用来使差错恢复变得更加容易。

　　为实现视频传输质量的提高还可以通过将视频数据作为两个独立的数据流发送，来实现视频比特流不同部分的优化。这种情况下编码器要求网络通过不同优先级的信道来发送数据，将更重要的和差错敏感的数据分配给更可靠更安全的信道。因此，运动和报头数据流被设定为更高的差错保护等级，再经比纹理数据流更可靠的载体来传送。在MPEG 4压缩标准系统中，数据分割是将关键数据放在每个视频分组的开始，从而当第二部分中低敏感性的纹理数据出错时，抑制丢失视频分组的可能性。｝

　　优先级传输方法的应用范围包括视频分层、视频数据分割、UEP和分优先级的多重载体的视频传输，然而在移动无线网络中，在应用层优先级机制的应用将使所有网络和传输层报头失去保护，高差错比特率也会导致分组附件重要部分的损坏，例如敏感载荷数据的报头等。而且，在应用层使用优先级机制会对各种应用的共同运行产生限制，这意味着系统提高服务质量需要修改所有运行的网络协议。

　　第三代移动通信多媒体应用协议正在研究制订之中，现在基本有3种方案：H.324适应无线协议的扩展；H.324的复接部分为无线应用做的改进；采用H.323的IP／UDP／RTP的传输协议。如果采用IP／UDP／RTP协议，所采用的物理和链路层协议必须保证误码率很低、基本没有比特错，只有包丢失。

3结语

　　通信系统的特点决定了图像通信只能建立在现有的通信网络的基础上。因此，图像通信所面临的问题有2个方面：一方面，对图像信息进行适当的处理使他尽可能地适应现有的通信设施和通信方式；另一方面，改造现有的通信系统使他尽可能地适应图像信息的特点。所以，我们必须看到，要真正实现无线视频通信，在相关标准的制定、网络协议的研究等方面还有很多工作要做，相信在大家的努力下，无线网络的明天会更好，也一定会成为多媒体应用的主流网络。

参考文献

［1］朱秀昌.图像通信应用系统［M］.北京：北京邮电大学出版社，2003
［2］Thomas Stockhammer,Miska M，Hannuksela,et al. H.264/AVC in Wireless Environments′IEEE. Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2003,13(7):657-671
［3］沈庆国.移动计算机通信网络［M］.北京：人民邮电出版社，1999
［4］张敬辕，谢剑英.基于Internet 的实时视频信号传输研究进展［J］通信学报，2001，22(7):92-99
［5］Worrall S T, Sadka A H, Sweeney P，et al. Optimal Packetisation of MPEG 4 Using RTP Over Mobile NetworksIEE Proccommun2001,(4):197-201

责任编辑:everest

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