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無線視訊通信系統(tǒng)及其應(yīng)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(jìn)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(luò)信息技術(shù)的核心。無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相比成本低，隨著芯片價(jià)格的下跌以及消費(fèi)者對無線網(wǎng)絡(luò)的期待，無線網(wǎng)絡(luò)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(wù)的出現(xiàn)，為寬帶視訊業(yè)務(wù)提供了廣闊的市場前景。無線視訊業(yè)務(wù)將成為未來無線移動通信業(yè)務(wù)新的亮點(diǎn)。

　　視頻通信對于我們來說并不是一個(gè)新事物，可視電話早就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。但無線視訊就不這么簡單了。無線網(wǎng)絡(luò)與固定網(wǎng)絡(luò)相比，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，但是有更多的問題需要面對和解決。

　　首先，視訊業(yè)務(wù)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(shí)變、易錯(cuò)等特點(diǎn)。在無線視訊系統(tǒng)的實(shí)用化過程中將會面臨更多的問題。因此，要實(shí)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(gè)高要求。

二、無線視訊給我們帶來了什么

　　當(dāng)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。但這些并不是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行傳輸?shù)�。隨著無線移動設(shè)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(diǎn)和需要。圖1是一個(gè)無線視訊的典型應(yīng)用場景。從一個(gè)視訊內(nèi)容到一個(gè)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(shí)通過無線終端（諸如手機(jī)、PDA等）來收看電視節(jié)目、觀看實(shí)況轉(zhuǎn)播、參加會議、參與網(wǎng)絡(luò)游戲、相互之間發(fā)送視頻剪輯、進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和教學(xué)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(luò)諸如GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速率很低，實(shí)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(jìn)的視頻壓縮技術(shù)，圖像的運(yùn)動速率也只能達(dá)到1～4幀/秒，這些只是最初的無線視訊應(yīng)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(jià)值和優(yōu)勢。

　　隨著移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)開始從2G演變到2.5G甚至3G。一旦這些網(wǎng)絡(luò)獲得應(yīng)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(shè)備以及服務(wù)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(wù)器、基站和接收設(shè)備組成。

　　編碼主要由算法結(jié)合硬件設(shè)計(jì)完成，而服務(wù)器應(yīng)該具有相應(yīng)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(shè)備的設(shè)計(jì)要與前面的設(shè)計(jì)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(shè)備的體積，以便于攜帶。

　　在源編碼后，壓縮的視頻流準(zhǔn)備通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。這里往往包含一個(gè)打包過程。尤其是使用IP網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行傳輸?shù)那闆r。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。

　　在無線視訊中，可以使用IETF推薦的RTP和RTSP來完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。IETF是國際網(wǎng)絡(luò)工程任務(wù)特別小組的簡稱(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(biāo)準(zhǔn)。

　　RTP是Real Time Protocol的簡稱，它以實(shí)時(shí)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(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(shù)據(jù)。在RTP的包頭有序號、時(shí)標(biāo)和載荷類型比特位，RTP還使用客戶程序來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)流量，在客戶端還應(yīng)該負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)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(hù)機(jī)制，確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包以盡量小的延時(shí)到達(dá)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(shè)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(rèn)為未來多媒體網(wǎng)絡(luò)的“最弱聯(lián)接”，并且尤其是當(dāng)移動性導(dǎo)致衰落和突發(fā)錯(cuò)誤時(shí)，更應(yīng)該引起注意。引入的最終傳輸錯(cuò)誤需要使用錯(cuò)誤控制技術(shù)。其中一個(gè)技術(shù)是FEC，混合交錯(cuò)使用它可以減少突發(fā)錯(cuò)誤的影響。另一個(gè)是閉循環(huán)錯(cuò)誤控制技術(shù)像ARQ，在錯(cuò)誤的變化范圍很大時(shí)尤其有用。這些錯(cuò)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(gè)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(diǎn)，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(wù)的無線系統(tǒng)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(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(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)高信道容錯(cuò)能力
　　與其他通信信道相比，無線信道是最為復(fù)雜的一種，再加上移動終端本身的運(yùn)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(cuò)、時(shí)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(cuò)能力才能保證接收視頻的質(zhì)量。這一點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中尤其重要。因?yàn)橐族e(cuò)的環(huán)境對于數(shù)字視頻來說是難以忍受的，在一個(gè)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(dǎo)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(dǎo)致視頻傳輸實(shí)際上無法廣泛應(yīng)用。

　　(3)低功率
　　這一點(diǎn)是針對于無線視訊系統(tǒng)的終端來講的，因?yàn)闊o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(gè)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(yīng)用，因?yàn)镸PEG-4具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)可以達(dá)到很高的壓縮比；(2)具有靈活的編碼和解碼復(fù)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(qiáng)的容錯(cuò)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，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(gè)重要概念。事實(shí)上，由于其本身的復(fù)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(dú)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(xiàn)和處理的方案，這意味著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)行開發(fā)的視頻編解碼方案，它即將成為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第10部分（ISO MPEG-4 Part 10）。盡管H.264/MPEG-4 AVC這項(xiàng)技術(shù)還沒有得到正式批準(zhǔn)，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(yīng)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(yù)處理、速率控制、運(yùn)動估計(jì)和比特流編碼算法等部分。每一部分在實(shí)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(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

　　在預(yù)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(biāo)準(zhǔn)的分辨率和數(shù)據(jù)格式。這使得它對來自不同類型設(shè)備的輸入有著很靈活的適應(yīng)性。

　　速率控制也是一個(gè)重要的編碼問題。其目標(biāo)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。

　　具體算法開發(fā)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是其靈活性，速率控制算法應(yīng)該是可調(diào)節(jié)的，而且能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。這一點(diǎn)在移動通信中是非常重要的。比方說，一個(gè)手機(jī)所接收到的數(shù)據(jù)流速率是非常低的，而一個(gè)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(jī)的帶寬，軟件的設(shè)計(jì)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(wù)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?yàn)樵谒鼈兊耐ㄐ艠?biāo)準(zhǔn)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(luò)狀況中保證服務(wù)質(zhì)量。

　　在視頻編碼器中，計(jì)算復(fù)雜度最大的部分是運(yùn)動預(yù)測。這是因?yàn)檫\(yùn)動預(yù)測包括一種反復(fù)計(jì)算，以確定鄰近幀中宏塊的相關(guān)性。該計(jì)算其實(shí)是進(jìn)行一種匹配操作來尋找最佳匹配，它將產(chǎn)生最佳預(yù)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(cuò)誤被檢測后能夠再同步）、MPEG-4數(shù)據(jù)分割（通過將運(yùn)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(fù)（它使用MPEG-4中提供的工具，例如用于恢復(fù)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(gè)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(dá)到的高壓縮率導(dǎo)致了比特流對錯(cuò)誤非常敏感。這是提高壓縮比對相應(yīng)的信息內(nèi)容所帶來的影響。

　　對于個(gè)人通信中的無線視訊傳輸來說，當(dāng)需要壓縮的素材滿足ITU-T Rec. 601 （720×480×30或720×576×25）時(shí)，視頻壓縮比要超過5000:1。因此，1比特錯(cuò)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)系是非線性的，在一般情況下，這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對誤碼非常敏感。基于對這一問題的考慮，解碼技術(shù)的重點(diǎn)在于容錯(cuò)解碼技術(shù)，即錯(cuò)誤限制、丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)以及對在播放前還殘留的錯(cuò)誤的隱藏等，同時(shí)，開發(fā)最佳解碼器中的技術(shù)還應(yīng)集成有后處理算法等。這些技術(shù)能夠?yàn)樘囟ǖ牟シ艖?yīng)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(dāng)?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(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)具有很好的兼容性及開放性。MPEG-4提供高壓縮比的同時(shí)，對數(shù)據(jù)的損失很小，達(dá)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(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。目前，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用著，在2.5G和3G時(shí)代將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

　　五、無線視訊的應(yīng)用

　　無線視訊的應(yīng)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(shí)代的到來，3G視訊應(yīng)用尤其3G移動可視電話將成為人們最主要的應(yīng)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(jī)(智能手機(jī)、PDA手機(jī))和其它手持設(shè)備定制，也將是第三代移動通訊終端的應(yīng)用處理器。

　　AK3210M移動多媒體應(yīng)用處理器是世界上第一顆集支持400萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)接口、二維/三維圖形圖像加速器、運(yùn)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(gè)晶體管。在國際同類產(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(diào)，A/D變換后進(jìn)入基帶數(shù)字信號處理，然后轉(zhuǎn)到多媒體應(yīng)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(yáng)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(diǎn)正適合于這種應(yīng)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(jī)，也就是可視手機(jī)。用于3G的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用，同時(shí)其所采用的技術(shù)能使無線頻率資源達(dá)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(jī)的研制開發(fā)，研制出了TD-SCDMA樣機(jī)，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(luò)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定做出了不小的貢獻(xiàn)。

　　無線視訊的應(yīng)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(shí)時(shí)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(yīng)用、基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可視化合作實(shí)驗(yàn)室場景應(yīng)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(yīng)用也將會出現(xiàn)。由于可供新的無線標(biāo)準(zhǔn)（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(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(shè)備和手持式個(gè)人計(jì)算機(jī)（HPC）開發(fā)無線視訊應(yīng)用。

　　此外，還有許多其他大公司也正致力于無線視訊應(yīng)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(yīng)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(jī)構(gòu)強(qiáng)有力的支持，可以預(yù)見，隨著視頻技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)（如MPEG-4、H.264）的推廣和應(yīng)用，無線視訊的市場前景將十分美好。而MPEG-4在無線設(shè)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(luò)呼之欲出。但是，我們必須看到，要真正實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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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