视频技术的发展趋势

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    □ 北京邮电大学 魏春成

     随着计算机技术和微电子技术的不断进步，视频处理技术与应用技术有了很大的发展，而通信网的巨大发展，也为视频技术的高速发展带来了机遇。在通信网中，无论是有线技术还是无线技术都在朝着宽带化和IP化方向发展，而宽带化的网络最重要的特征就是能够充分地支持多媒体业务，主要就是支持不同速率、不同质量的视频业务。而通信网协议IP化的发展，也对实时性要求较高的视频应用提出了新的要求。本文将从信源压缩技术、多媒体系统通信协议、宽带网络技术以及多媒体运营系统等方面探讨视频技术未来发展的趋势。
     一、视频信源压缩编码标准
     在多媒体应用中，视频数据量方面可压缩的信息量最多，而压缩处理后的视频质量的高低是决定多媒体服务质量好坏的主要因素，因此视频技术是多媒体应用的核心技术。在学术和应用领域许多人都在致力于视频压缩技术的研究，并且制订了几个标准，如：ITU-T H.261，H.263和ISO/IEC的 MPEG-1和MPEG-2。这些标准覆盖了很大的视频速率范围和应用领域，支持不同速率、不同的图像质量要求等条件的视频业务，能够满足包括电视会议、视频电子邮件、可视电话、广播级视频应用等不同要求的服务。随着视频应用需求的不断发展，视频压缩技术也有了很大的提高，新出现的压缩标准有了更高的压缩效率（在相同的图像质量下需要更低的传送码率或在相同的传输速率提供质量更好的图像），同时支持不同的传输速率以适应不同的传送网络。
     在目前已经大量应用的压缩标准中，MPEG-1和MPEG-2是面向广播级或准广播级应用的。MPEG-1标准主要是为了视频存贮媒体如VCD而制定，该标准能够适应变码流的处理，其主要目的是在1～1.5Mbit/s的情况下，提供30帧CIF (352×288) VHS的质量的图像。MPEG-1 的实时编码通常需要硬件才能完成，解码可以用软件来完成。MPEG-1 不能提供分级图像编码，也不能在丢包率高的情况下应用。
     MPEG-2 标准扩展了MPEG-1标准，能够支持高分辩率图像和声音。目标码率是 在3～15Mbit/s传输速率条件下提供广播级的图像，而且能够提供SNR、时间、空间三种分级编码。该标准应用于卫星广播时，在当前的一个模拟信道中，不牺牲质量的情况下能提供5路数字的编码节目。
     H.261与H.263标准主要面向于低码率的视频应用，如可视电话和会议电视。H.261是最早出现的视频编码标准，它的输出码率是64kbit/s的倍数。 H.261主要是为了ISDN的会议电视和可视电话的应用。H.261所需要的计算量能够显著下降。这种算法通过均衡图像质量和运动来优化带宽，所以图像快速运功时质量会下降。H.261的输出速率是恒定的，而图像质量非恒定。
     H.263是为了支持低速率的通信而制定的标准，但希望能够适应较大的动态范围，而不仅限于低码率，而且能取代H.261。H.263能适应误码率高的信道具备容错的能力。
     由于公用电话网(PSTN)和无线网络上的传输速率仍然很有限，而且误码率高，上述的标准不能满足这类高压缩效率和强信道冗错能力的应用要求。针对以上压缩算法的不足，目前出现了一些新的压缩标准，如H263+和MPEG-4标准。H263+以及后来的H263++、H26L能很好地解决低码率视频应用问题，它们在提高编码压缩效率的同时，提高码流对高误码率信道的容错能力，而且都是通过选项（option）的形式提供的，方便灵活，且能够兼容本标准的以前版本。H.263 VERSION 2 （或称H263+）是在H.263的基础上以增加编码的可选项的形式改进的，在语法上与H.263兼容，但编码效率有很大提高，适用范围也更大。其主要的应用方向仍是低码流的视频业务，用于PSTN以及无线接入的高误码比的通信环境，因此在H263+中既增加了一些改进编码效率的方法，同时也提高了抗误码性能的能力。由于实现成本较低，H263+标准已经越来越多地被采用。
     MPEG-4标准则是今后一段时间压缩标准的主流。MPEG-4标准既能够支持码率低于64kbit/s的视频应用，也能够支持广播级的视频应用。与其他压缩标准相比，MPEG-4标准在DCT的基础上引入了图像模型的概念从而具有更高的压缩效率。MPEG-4的工作集中于发展MSDL (MPEG-4 Syntactic Description Language)语言。MSDL和Java的思想一样，能够通过下载功能模块部分建立新编解码器。
     二、多媒体信息系统通信协议
     目前使用最为广泛且发展前景最好的多媒体业务主要是会议电视、远程教学、远程医疗、可视电话等业务，而实现这一系列业务的核心就是多媒体会议体系标准。ITU-T 的H系列标准是为多媒体会议而制订的，其中包含了视频编解码，语音编解码，复接/解复接等内容。不同的标准组采用了相同的系统框架，其对应的各部分内容也基本相同，主要区别在于为了适应不同网络而设计的包优化和网络接口的定义。目前主要的几个协议组包括H.320 、H.324 和H.323。
     H.320是基于ISDN的视频会议系统，是目前会议电视和可视电话主要采用的协议，也是应用得比较广泛和成功的协议组。 H.320规定了视频和语音编解码的标准、复接、解复接和控制一整套协议。其中有语音的编解码的标准G.711、G.722、G.728、G.729，编码速率8kbit/s～64kbit/s，不同的标准所提供的语音质量不一样。视频编解码标准有H.261、H.263、H.263+，其中复接采用定义到比特的H.221标准，控制部分采用H.242进行终端之间的能力交互。由于ISDN协议是基于电路交换的，其优点是能够保证传输带宽，从而充分保证视频服务的实时性，使传输带宽在目前实际应用中具有更高的商业可操作性。
     H.324是基于PSTN的视频会议系统，同样也规定了视频和语音编解码的标准、复接、解复接和控制一整套协议。其中语音编解码的标准有G.723.1、G.729等，视频编解码标准有H.261、H.263、H.263+，其中复接采用H.223，控制部分采用H.245。自从1996年就有了符合标准的系统，但是因为传输速率很低，视频质量比较差，因而没有很大的发展。但第三代移动通信可能采用H.324系统，这样H.324系统将会有很大的发展。
     H.323是基于IP分组网的视频会议系统，用于分组网络，通常包头是40字节，包大小是1500字节。能够达到一个合理的开销和净荷比。H.323中语音的编解码的标准G.723.1、G.722、G.728、G.729传输速率达8kbit/s～64kbit/s。视频编解码标准有H.261、H.263、H.263+，其中复接采用H.225.0，控制采用H.245，其协议结构如图1所示。由于IP协议不仅已经统治了桌面和通信网络的接入层，而且通信网络的骨干层和汇聚层也越来越多使用IP协议，这使得H.323协议组有了非常旺盛的生命力。实际上，早期的IP电话系统就已经使用了H.323协议组框架，由于IP协议是面向无连接的数据报通信，网络的时延、时延抖动在理论上都没有保证，这增加了H.323在应用中的复杂性，需要网络提供商、视频服务提供商密切地配合并采用更加合理的网络资源分配方案。
     三、宽带网络技术的发展
     近几年来，宽带网络技术有了很大的发展。对于视频应用来说，网络发展产生的影响主要在两个方面：一是网络（包括有线网络和无线网络）可以提供更高的接入带宽，这为大规模开展视频服务奠定了基础；二是针对视频服务，在网络建设过程中，尤其是在IP网络建设过程中越来越强调QoS/CoS的概念，使商用化的多媒体应用成为现实。
     有线网络的发展主要体现在接入带宽的不断提高，目前正逐渐成为主流以及有潜力成为未来主流的接入技术，它包括4个方面。
     1．ADSL是目前最令人注目的宽带接入技术,ADSL业务能力可提供的传输通道为非对称高速传输通道，ADSL可提供6～8Mbit/s的下行数据流，上行通信速率可以达到640kbit/s，同时可进行PSTN上的模拟话音通信。由于宽带多媒体业务的发展有一个过程，从近期的主要业务需求看，1.5Mbit/s的传输速率已可满足，因此ADSL是目前宽带接入的首选技术。
     2．光纤到小区结合楼内综合布线。随着驻地网的开放，目前很多新的电信运营商都将此方案作为进入电信领域的首选。通过重新铺设五类线，用户可以获得10M甚至100M的接入带宽，可以充分支持多媒体业务。该技术的缺点是将传统的计算机网技术应用于工作环境参差不齐的小区和楼宇，运行维护具有一定的难度，而且覆盖范围比较小。
     3．VDSL是一种传输距离很短的铜线技术，最大下行速率为51～55Mbit/s ，距离不超过300米，上行为1.6Mbit/s以上。实际使用时常常提供对称10Mbit/s接入速度，覆盖范围可以达到1公里左右。该技术很可能成为替代LAN接入的最好的方式。
     4．APON代表了面向21世纪的宽带接入技术的最新发展方向。从长远看，可满足丰富多彩的多媒体业务日益增长的需要，是一种结合ATM多业务、支持多比特率和透明宽带传送能力的较理想的长远解决方案。
    
     无线通信近几年的发展使移动多媒体变得越来越现实，无线通信宽带化发展的主流技术有以下几项。
     1．在移动通信中，GPRS已经在实际中得到应用，在欧洲3G牌照也已经被竞拍。而多媒体（2Mbit/s）和超多媒体业务（ 10Mbit/s ）的迅速增长，还带动了4G系统的研发。4G移动通信系统的关键技术有抗干扰性强的宽带接入技术、高性能小型化、低成本的自适应阵列天线以及软件无线电等。使用这种系统，用户的数据传输速率在准静止情况下可达20Mbit/s ，在高速移动下达2Mbit/s 。
     2．宽带无线ATM网正在发展。将ATM应用于无线环境的技术即无线ATM，这是一种宽带无线网络，目前已有欧盟ACTS计划支持的Magic WAND、AWACS、SAMBA和MEDIAN系统，其无线载频为5GHz、19GHz、40GHz和60GHz，可提供相应的20Mbit/s、34Mbit/s 、155Mbit/s传输码率，以满足多媒体业务和高速Internet接入的需求。
     3．LMDS（本地多点分配业务）将有迅猛发展，其载频达28GHz，可提供高达155Mbit/s的码率，能提供话音、视频、高速数据业务。LMDS可提供大量新兴宽带业务，如高速Internet接入，实时多媒体文件传输、交互式视频，即时点播、电视会议、远程医疗、远程教学、远程工作等等。
     与传统的窄带通信相比，视频应用对通信网络有着更高的要求，尤其是在数据网络越来越多的采用IP技术的时候，如何保证满足视频应用的QoS要求是非常关键的。
     传统电信网络的建立是先有业务后有网络，因此有QoS保证，而IP网络的建立具有不同的思路，网络在构造时就是为了开展多种业务。很多业务都可以在IP网络上实现，但是每增加一种业务，都要占用一定的网络带宽资源，虽然网络的传输能力在增强，但还是不可能满足大量业务的要求，网络必然出现拥塞。为了提高网络的服务质量，必须对带宽进行有效管理。QoS就是针对这一种管理策略的协议，QoS本身并不增加带宽，只是对带宽进行有效的管理。现在的QoS主要分为二种。
     ★资源预留管理（集成业务）
     根据申请QoS请求进行资源分配，根据带宽资源进行管理。RSVP提供了这一种管理机制。
     ★优先级管理（区分业务）
     对网络流量进行分类，根据带宽资源管理策略的准则进行资源分配。为了保证QoS，对于要求高的业务给与更高的优先级。QoS的协议和算法不是相互排斥和竞争的，它们是相互补充的，它们的制定就是为了用于不同的网络环境。
     基于网络的解决方法虽然在技术上简单有效，但是在实际工作时相当困难，因为视频业务是端到端的服务，要求通过网络来支持QoS业务，但是要网络上的节点都支持QoS通常是不可能的，所以基于终端的QoS策略是一个可行的方法，因为不需要重新配置网络。对于IP分组网中的实时多媒体业务在网络中传输时，由于在每一个网络节点中都要进行路由选择，而且传输包要进行排队会导致包传输的时延，而且延时超过一定时间后，就会采用丢包处理。这些都会对视频处理的质量造成影响。因此视频编码的策略主要是针对这种影响而制订的。基于终端的方法主要有两类：拥塞控制，差错控制。
     因为TCP重传造成的时延对于实时业务质量的影响是不能承受的，通常采用UDP包来传输实时业务。但是UDP包没有提供拥塞控制和质量保证的机制。所以需要在UDP的上层加上拥塞控制的机制。这个过程主要是通过调整视频编码的速率，使得其适应网络的带宽，因为网络的带宽是时变的，并非固定，而且是一个未知量，所以不能直接设定一个编码速率来适应网络状态，只能实时调节。通常采用两个方法：一是窗口法，通过逐渐增大传送的码率，当发现网络上出现了包的碰撞，也就是检测到了丢包时，再减小发送的码率；另外是基于速率的方法，先估计网络的带宽资源，再调整编码的目标速率来适应网络的状态。基于窗口的解决方案会引入类似TCP的重传，所以经常采用基于速率的解决方案。
     特别是在Internet中，因为网络的拥塞会导致丢包，包丢失会导致图像的主观质量下降，需要改善图像质量的容错技术。对于某些数据业务而言，包丢失是不可允许，但是延时是可以的。当包出现了错误后，可以采用两种方法：传统的FEC或包的重传。对于实时的视频业务而言，视频质量的降级是可以的，但是时延必须有限制。对于视频通信的这种特征引入了很多新的机制，这些机制可以分为四类：FEC，重传，纠错，掩错。其中掩错只在收端完成。其它都需要在收端和发端同时工作才能完成。
     四、多媒体运营系统
     除了视频应用本身所涉及的技术以外，未来多媒体服务开展的关键是建立一套完整的运营体系。以传统的语音业务为例，只是一个电话业务就已经需要大量的配套系统。除了交换系统、传输系统、线路资源系统外，电话系统还需要计费系统、帐务系统、运行维护系统、客户服务系统、营收系统等等。这些被认为是辅助的系统却是电信运营商的生存命脉。多媒体业务系统何时能够全面启动与其相应的运营系统，和其具体的经营模式是密切相关的。未来的多媒体业务系统必然是一个综合的业务平台，我们通过一个业务模型来简要介绍综合平台的概念。
     多媒体业务（宽带业务）开展体系结构，整个业务体系可以分为四级结构：网络层、业务服务中心、业务支撑平台、用户终端。用户终端目前主要是指个人计算机和机顶盒等设备；业务服务中心和业务支撑平台构成了多媒体应用的大平台，相对宽带网络而言，是目前急需设计开发的关键部分。最终整个业务体系体现了宽带ISP与宽带ICP有机的结合。
     业务服务中心和业务支撑平台包含三个关键的部分：
     ■ 分布式的BISP（宽带综合业务平台）
     ■ 宽带数据中心（BDC）
     ■ 宽带资源管理中心（BRMC）
     BISP包含用户管理、计费管理、资源管理、业务受理系统等单元。目的是结合网络和业务实现商用宽带应用。BISP需要具有良好的开放性，能够支持不同ICP的各种多媒体应用。
     宽带数据中心是多媒体业务发展的必然产物。BDC是宽带ICP数据存储和配送中心，目前可以预见的存储内容或提供的服务包括：社区的网站或数据中心、因特网缓冲数据配送、VOD/AOD节目配送中心、基于IP网络的会议电视中央控制器、电子图书馆以及远程教育中心。
     宽带资源管理中心是网络资源的调度中心，随着宽带网络的发展网络资源（带宽）的可管理性将越来越强。BRMC可以调配的资源包括网络带宽、服务器资源、VPN等等，同时实现BDC之间的资源管理。BRMC还将包括分层、分权的网管体系，以支持宽带网络和宽带业务持久的发展。

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