基于IP网络的视频系统设计与应用研究

王钰博　王刚　翟晓宁　刘亚卓

摘 要：伴随着快速发展的网络通信技术与多媒体技术，基于IP的视频系统开始取代话音通信成为人们进行视频会议的重要方式，它可以对文件、声音和图像等进行实时传送，使人们可以全方位感知，并以自然的方式沟通。IP视频系统实际上就是一种人们用来交流的协作工具，它不但可以实时传输，而且具有协作性和分布性等特征，该文首先介绍了该系统的发展状况以及相关标准，并在此基础上介绍了IP视频系统所采用的关键技术和在互联网会议中的应用。

关键词：IP网络 视频系统 视频压缩 拥塞控制

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0040-02

迅猛发展的网络通信技术与多媒体技术，以及它们之间的完美融合，极大地改变着人们的交流方式。视频系统主要有三种方式：基于LAN的视频系统、基于PSTN的视频系统、基于IP网络的视频系统，第一类系统的覆盖范围比较小，第二类系统的业务质量不高，而基于IP网络的视频会议系统是一个非常有前途的发展方向，原因是它可以支持实时业务功能，并提供不同带宽。伴随着Internet网络在全球的快速发展，IP应用必定成为发展趋势[1]。

但是，具备“流”特性的视频会议业务需要较多的带宽资源，且需要长时间占用，而Internet网络暂时还不能保证长时间内为其提供足够的带宽，另外，基于IP网络的实时通信也不能提供QoS保证，所以，基于IP的视频会议系统研究的关键就在于如何在当前的Internet环境下对视频会议业务的质量进行更好的保证。

1 IP网络应用于视频系统中的关键技术

IP视频系统的质量高低关键在于视频流能否在Internet网络中进行实时可靠的传输。实时视频流在进行传输时，对网络带宽、数据包丢失、数据传输时延方面都有着严格的要求，而如今的通信网还不能保证每时每刻为媒体流提供足够的带宽，也不能保证服务质量Qos，所以，若要提高视频的质量，必须为视频流提供最小带宽的保证；并在一定范围内完成各个数据包的到达时延，以此来保证视频流的连续性；严格限制数据包的丢失率，实现视频的完整传输。而这些功能的实现需要更多技术支持。在视频会议应用中，基于IP网络的视频系统关键技术包括合适的数据传输机制、视频编码、会议管理、拥塞控制等[2]。

1.1 视频编码

视频会议系统中所有功能实现的基础是视频编码。当前国际上广泛应用的两大视频编码标准是H.26X系列和MPEG-X系列。H.26X系列的编码标准是属于低比特率的，包括H.261、H.263、H.263+等，它们的图像质量比较低。其中，H.263标准强调系统的实时性，这对于基于IP的视频会议系统来说是至关重要的。人们通过对运动估算和快速DCT算法的详细研究，提出了与之对应的快速算法，目的就是提高H.263标准的编码速度。运动估计是系统能否实现数据实时传输的关键，因为它的运算量比其它任何一个模块的运算量都要大，所以必须有效的缩短其计算时间，而TSS三步搜索算法就做到了这一点。ANN算法是如今被人们广泛使用的快速DCT算法，也就是使用16点的DFT来实现8点的DCT变换。相对于H.263的实时性，H.263+更注重对不同终端的需求的适应，在该标准中，需要对视频信息进行分层编码，以此来获得各个层面的多速率的视频序列。在MPEG-X系列中，MPEG-1与MPEG-2的质量较好，只是比特率较高。MPEG-7标准是在2000年所推出的，通过它可以对各类媒体信息进行描述，并对媒体对象按自由文本、内容、属性、综合信息、N维时空结构或者统计信息进行检索，被叫作“多媒体内容描述器”。所以，该标准在广播媒体和数字图书馆中获得了广泛的应用。

为了获得高质量的视频编码，可以在变换编码中引入小波技术。通过小波技术，可以把变换编码（Transform coding）和子带编码技术（SBC，Sunband Coding）进行完美结合，其处理过程为：首先利用十字卷积法把信号划分为子带树的二进制结构，接着独立部分分解，然后完成输入信号的能量压缩，最后利用熵编码和量化将冗余信息去除。在相位空间内的小波可以与自然图像进行完美匹配，所以，基于小波技术的变换编码具有较高质量的图像，较低的帧率。在IP视频会议系统中，为了使各接收端尽可能获得高质量的视频，视频编码器所输出的视频流需要具备多级视频质量[3]。

1.2 传输与控制

足够的网络带宽、多点通信、实时通信、数据同步等是实现视频会议的重要保障。视频会议的实现主要有两种技术路线，一种是使用WDM、ATM等新型网络通信技术，来实现支持视频会议的宽带多媒体网络；另一种是在已有网络环境下，扩展其网络协议功能使其尽可能的满足视频会议系统的传输要求。（1）实时传输协议：与传输控制协议TCP相比，用户数据报协议UDP的传输速度较快，但是传输不可靠，即没有相应的服务质量Qos保证机制。RTP（多媒体实时传输协议）是一种面向应用的网络传输协议，支持多点会议，并提供了具备实时特征的端到端传输服务，包括序列号、传输控制、负载类型标识等。RTP通常是在UDP上运行的，所遵循的原则是“应用层分帧，集成层处理”。（2）通讯方式：基于IP网络的视频会议系统中，传输多媒体数据的方式有单播和多播。单播建立的是点对点的连接，即单个发送端和单个接收端之间的连接。多播建立的是点对多的连接，即一个发送端可以与多个接收端进行连接，而且发送端发出的数据包可以被所有接收端同时收到，这样就大大地提高了网络带宽资源的利用率。虽然我国互联网暂时还不支持多播通信，但是可利用RTP的转换器对多播功能进行模拟或者利用路由器的隧道功能对多播网络进行构造[4]。

1.3 会议管理

一个完整的视频会议，通常是由多人参与的，长时间的交流。可以有多种的会议形式，可有会议主题或无会议主题，有会议主持或无会议主持，参加会议人员可以动态变化。这种动态变化通常会造成传输路径的动态变化，会议管理面临的问题就是如何协调好各个部分间的工作，以及如何满足动态变化的需求等。会议管理模块需要对会议全过程进行管理，比如：视频会议的开始与结束、会议支持、视频会议主题和会议文档的自动生成管理、节点的加入与退出、以及发言权管理。针对集中式视频会议，可以通过多点控制单元MCU来对会议管理进行实现，与会人员的所有行为都要获得MCU的确认后方可执行，包括加入会议、发言、退出会议等。而分布式视频会议管理模型中，所有端节点上都有各自的会议管理器，通过它，与会人员可以自由加入会议或者退出，也可以自由发言。该会议管理模型尚不成熟，需要制定统一的标准。endprint

1.4 拥塞控制

在分组交换网络中，网络资源可以被所有的源节点所共享，有效地提高了网络带宽的利用率。但是伴随着不断增加的源数目，就会加大网络业务流的突发性和不可预知性，从而导致网络拥塞。在视频会议系统中，控制网络拥塞的机制主要有速率控制机制、速率整形机制以及自适应速率视频编码[5]。而UDP采用的是基于速率的流量控制方式，以此来实现TCP流的公平性和网络拥塞控制。在该方式中，需要从网络中获得一些反馈信息，并根据AIMD（加性增加乘性减少）拥塞控制算法来实现网络拥塞的控制。速率整形机制只是经过平滑用户数据分组的突发性来降低网络拥塞的机会。速率控制机制需要控制发送端的发送速率，而自适应速率视频编码机制中需要对编程器端的输出速率进行调整，以此来实现拥塞控制。

与单播情况不同，IP视频组播通信在拥塞控制的同时，还要尽可能的减少对拥塞节点的影响。接收器报告的损耗率或其他信息给源节点，源端若只是简单地限制流量，就会造成其它未发生拥塞的节点的通信质量下降，从而处于“饥渴”状态。因此，必须选择合适的拥塞控制机制，既能做到网络拥塞的控制，还能最大程度的减少对拥塞节点的影响。

2 IP网络在视频系统中的应用研究

IP视频会议系统主要有两部分组成，一是节点机，二是通信网络。视频会议节点机通常包括：音/视频文件的获取设备与回放设备，视频会议功能模块、通信接口卡和媒体编解码器；而通信网络主要指具有实时多点传输功能的网关和信道。一个完整的基于IP的视频会议系统一般包括六大模块，主要内容如下：

（1）IP系统人际交互模块，就是视频会议系统接口，即人机界面；

（2）视频会议管理模块，通过该模块可以对视频会议及其过程进行管理，实现会议的发起、会话的建立、参会人员的管理和视频会议的结束等。

（3）信息处理模块，该模块的主要功能是实现音/视频信息的处理，包括信息获取、Codec编码以及信息回放等。

（4）共享部件管理模块，通过该模块可以对共享空间进行管理，以及实现电子白板与应用过程的共享。

（5）视频会议文档管理模块，该模块的主要功能是实现与会议文档有关的操作，包括文档的自动生成、文档查询和管理等，以及实现与数据库的连接。

（6）传输与控制部件，包括点-点、多点通信模块，拥塞控制以及服务质量（Qos）处理模块。

3 结语

视频会议发展到今天，用户需求不断变化，视频会议正在成为一个集办公管理、存储、协作于一体的综合信息系统。随着视频会议应用的不断深入，仍有很多问题急待解决，比如：如何提供高品质的视频，如何支持大型会议，如何更有效地提高信道的利用率，如何解决传输过程中的数据包丢失问题等。但是，伴随着多媒体技术和IP技术的不断发展，IP视频会议系统的应用将扩大至社会的所有行业，成为信息化沟通的重要方式，成为市场主流。

参考文献

[1] 曾帅，李乐民，廖丹.一种基于视频转码与IP组播的媒体推送系统设计[J].计算机应用研究，2013，30（2）：521-524.

[2] 涂锐.流媒体技术及其在IP网络视频监控系统中的应用[J].企业技术开发， 2011（4）：16-17.

[3] 田宇.基于IP网络视频会议系统QOS技术方案的研究[J].河南科技，2013（2）.

[4] 周圆，侯春萍，金志刚.面向IP网络的多视点立体视频的实时容错传输[J].天津大学学报，2012（7）.

[5] 毛年胜，卓力.基于H.264SVC的IP网络视频传输系统的实现[J].测控技术，2010，29（5）：5-8.endprint