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摘要:视频会议系统能实时传送图像和声音,是及时、生动的信息交流工具,得到各行业的青睐和应用。高校更是把视频会议系统作为现代化教学手段,在远程教育、跨校区教学中广泛应用。但是,视频会议系统在实际应用中暴露出清晰度低、效果差等问题,本文就实现视频会议系统的高清化进行探讨。
关键词:视频会议系统;高清晰
视频会议系统能实时传送视频图像和声音,是及时、准确、生动、全面传输与交流信息的通讯工具,多年来,得到政府、社区、教育、交通、安全、医疗、商业、金融等各行业的青睐和应用。尤其是高校,更是把视频会议系统作为现代化教学手段,在远程教育、跨校区教学中广泛应用。但是,视频会议系统在实际应用中也暴露出清晰度低、时延长、稳定性差、效果不理想等问题,严重影响视频会议系统发展与使用。
视频会议系统作为信息传输手段,其保真与清晰度极为重要,它直接影响使用效果。例如,利用视频会议系统开展远程教育教学、学术交流研究,往往需要对实验过程,反应过程,X光片,MRI核磁共振影像,ECG心电图,超声检查结果,数据,设计图,流程图,地图和照片等信息内容,进行细节分析、解读、探讨和诊断。这就要求视频会议系统能够高保真地传送高清晰度的信息内容。探讨研究和开发高分辨率、高清晰视频会议系统(HDVShow)具有积极的现实意义。
本文主要对影响视频会议系统清晰度、时延长、画音不同步的原因进行剖析,对实现视频会议系统高清化的关联技术、系统构架、技术策略等展开探讨。
一、影响视频会议系统清晰度的原因剖析
1.视频会议系统画面清晰度低源于早期模拟电视制式
我们使用几十年的模拟电视为NTSC制和PAL制,NTSC制式水平解像度为525线,每秒30帧画面,PAL制式为625线,每秒24帧画面。先扫描静止画面的奇数行,然后扫描偶数行。两幅画面同时在显示屏上显示,称为每秒50/60场。这种奇/偶扫描模式被称为隔行扫描,可节约传输宽带。这种分辨率被称为480i,提供240线画面。家用25英寸以下的电视机,看上去比较清晰、流畅。但是,如果用超过25英寸的电视机,或是用大屏幕投影观看,图像质量会有明显地下降,如视觉噪声、锯齿线、褪色、轮廓模糊等。因此,基于早期模拟电视的视频会议系统清晰度必然偏低。
2.视频会议系统画面清晰度低源于低数据率交换格式(CIF)
以往的视频会议系统数据都是基于通用交换格式(CIF)进行编码。国际电信联盟-电信标准部(ITU-T)制定了视频标准,称为H.261和H.263。H.261标准只定义了QCIF和CIF格式。1/4的CIF(QCIF)格式只被用于最低数据率(64千位/秒及更低)的会议,视频会议系统基于低数据率交换格式(CIF)进行编码,其视频会议图像信息必然受到较大损耗,造成画面清晰度下降。
3.视频会议系统画面清晰度低源于传输网络状况差
早期视频会议系统是通过同轴电缆传输,同轴电缆固有的频率传输特性,使电视图像信号经过同轴电缆超远距离传输后损耗大、噪波增加,画面清晰度降低。视频会议系统采用窄带网络传输,画面信息需经过高压缩比处理后才能传输,视频会议画面因为网络传输时大量数据降低,其清晰度必然下降。
4.视频会议系统画面清晰度低源于硬件档次低
(1)视频会议系统现场摄像设备没有选用专业级摄像机,大多数采用业余级和家用摄像器材,档次偏低,致使视频会议系统现场摄录到的图像信号源质量差、清晰度低。
(2)视频会议系统显示终端设备档次低,使用普通模拟电视机或使用流明度低、分辨率低的投影机,造成显示视频会议系统现场图像画面质量差、清晰度低。
5.视频会议系统画面清晰度低源于会场环境布光不佳
一般情况下,都是利用现有的学术报告厅、会议室或会堂布装视频会议系统,往往对视频会议现场环境布光没有足够的重视,没有参照电视演播室的要求进行布光。学术报告厅、会议室和会堂原有的常规灯光照明,离专业摄像环境照明的亮度、色温的要求差距较大。更有甚者,在视频会议现场为了让参会者能观看清楚本来亮度就偏低的投影画面,总是把会场的大部分灯光关闭,视频会议系统的摄像机只能在照度极低的环境中拍摄,致使会议现场的视频画面灰暗、清晰度低。
二、视频会议系统时延长、画音不同步的原因剖析
视频会议系统选用处理能力低的编码/解码技术格式时,视频会议传输画面信号编码与接收端画面信号解码过程需要消耗较多的时间,造成处理过程的延时,使得视频会议系统收看画面信号出现时延长、画面与声音不同步现象。
视频会议系统通过网络传输画面信号的大量数据信息需要消耗时间,当传输网络带宽过窄时,消耗时间就更多,造成处理过程的延时,视频会议系统收看画面信号出现时延长、画面与声音不同步现象就更为严重。
三、高清视频会议系统的实现
1.选用高清视频格式
为了提高电视画面的清晰度,人们开发了逐行扫描技术,将480线图像信息行合并为一帧,然后自动修正画面质量,单纯从数字上看,逐行扫描技术较隔行扫描提供240线画面高出1倍。逐行扫描减少了大屏幕上的锯齿画面,使画面更为流畅,画面质量得到了提高。这种分辨率被称为480p,俗称为标清电视。真正的高清视频,其图像分辨率为1080i或者720p。高清格式提供的图像信息量比隔行扫描480i格式高出4倍以上,更高的像素数大幅提升画面质量。显然,要实现视频会议系统高清化,不可能再选用隔行扫描480i格式和逐行扫描480p格式,而应采用高清视频720p格式。
2.采用高清编码/解码技术
采用国际电信联盟-电信标准部的建议,高清晰度视频会议使用视频压缩新标准H.264。H.264和H.261,H.263相比,具备更高的处理性能,提供优质的视频传输和低延时的编解码,H.264编码标准提供互联互通的通用平台,具有更强的灵活性。其最突出优点在于减小了整个视频文件,视频文件可以通过容量更小的网络连接(更低的数据率/宽带)进行传输,以比较低的数据传输率提供高质量画面。H.264的效率是H.263的2倍,在特定线路速率下的视频质量也要高出1倍,使视频流更为流畅、自然。增强型H.264技术还带有交互视频的差错隐消算法,可自动调整视频处理,即便在网络负担过重、不稳定或者出错率高的情况下,也保证操作自如,提供高品质的视频流。现在,H.264已成为HD-DVD(高清DVD)以及广播、有线、视频会议和消费电子产品的强制标准。
3.选用高清化硬件
视频会议系统中的所有硬件设备都必须支持高清,这是实现视频会议系统高清化的关键。视频会议系统前端设备,尤其是视频、图形图像源拍摄、制作、采集设备,如摄像单元:主摄像机、辅助摄像机、图文摄像机、录像机、电子白板等,选用支持1080i图像分辨率全高清专业级设备,确保现场拍摄图像信号源的高清质量。
视频会议系统的多点控制单元MCU,会议终端设备选用,必须能够支持1080i高清。视频会议系统的终端显示设备,选用支持1080i图像分辨率的全高清数码投影机、液晶电视和等离子电视,保证视频会议画面还原显示清晰流畅,色彩逼真。
4.采用光纤宽带传输
小局域视频会议系统,如高校多校区教学视频会议系统,由于传输线路距离不长,建设规模小,投入不大,可考虑采用专线光纤物理端对端模式传输。会议视音频信号上传、下传,控制信号上传、下传分别采用单独光纤芯通道传送,各行其道。这种传输模式具有两大优点:一是避免视音频信号经过混合/解调处理环节的损失,使得会议现场画面信息数据几乎达到无损耗的传输。二是没有传输带宽的限制,从而保证视频会议系统有固定的信号质量,实现声画高保真。
广域视频会议系统,在条件许可的情况下,最好也采用专线物理光纤端对端模式传输信号。若是只能通过网络传输,必须有足够的网络带宽。正常情况下,视频会议的数据传输速率在2Mbit/s带宽下图像可达到DVD以上高清效果。为了避免因传输带宽窄,视频会议画面的信息数据过度压缩处理而大幅降低,造成清晰度下降、时延长、画面与声音不同步等问题,充分利用高带宽来保证视频会议视音频的稳定、高保真。综合考虑各种影响因素,实际数据传输速率最好设定为10Mbit/s以上。
5.视频会议系统会场合理布光
参照电视演播室的要求,对视频会议系统会场(报告厅、会议室、会堂)进行布光,主要保证会场拍摄区域内的环境照明亮度、色温基本达标。确保视频会议系统拍摄到的现场视频源比较清晰、画面质量良好。
四、高清视频会议系统构架及范例
1.基于SIP的高清晰视频会议系统
基于SIP的高清晰视频会议系统,可传输1080iHD的全场景高清晰视频,远程再现生动逼真的会议现场实况。视频会议系统采用可靠混合组播协议(RCMP)作为多媒体传输协议,RCMP(如图1所示)结合了IP组播应用层组播(ESM)的优点,解决了传统C/S结构带来的服务器负载过重问题。采用SIP作为会话控制协议,具备良好的可扩展性和兼容性。在采用基于SARLM的可靠混合组播协议(RCMP)之上采用RTP协议,高效率实现视频的分发以及丢包处理,从而实现HD在互联网的传输。视频会议系统具有自适应带宽功能,在防止网络阻塞的同时能够充分利用空闲带宽,并根据带宽的波动实时调整多媒体传输的质量。系统采用重传和FEC编码相结合的机制恢复网络传输过程中丢失的视频帧,从而有效改善了网络状况欠佳时的视频质量。和传统的视频会议相比,基于SIP的高清晰视频会议系统在高带宽下能充分利用可用带宽,从而有更高质量的视音频,在低带宽下也可有更加稳定的视音频质量。同时还具有良好交互性,可靠性。
2.小局域高清视频会议系统构架(如图2所示)
3.广域高清视频会议系统构架(如图3所示)
笔者所在单位是多校区学校,全校视频会议系统采用小局域高清视频会议系统构架,专线光纤物理端对端模式传输。多年应用实践的体会是,视频会议系统信号传输非常稳定,声画质量实现了高保真,达到和超过DVD效果。学校对外视频会议系统采用广域高清视频会议系统构架,试用阶段经测试,视频会议信号交互性良好、稳定通畅,视频会议图像质量具有较高的清晰度。
参考文献
[1]徐奇.一种基于SIP的交互式高清晰视频会议系统[J].计算机仿真,2007,6
[2]雨柯.浅谈真正的高清晰视频会议系统及其优势[J].视像通信,2008,7
The high definition of video conferencing system
Wang Daguang
Yulin teachers’ college, Yulin, 537000, China
Abstract: Video conference systems transmit video into real-time voice, which be favored and applicator in a variety of industries as a timely and lively exchange of information tools. Especially, video conference system as a modern teaching method used in distance education, mute widely teaching in university. However, the video conference system exposed the low definition, poor reaction and so on in the practical application, this paper to discuss how to achieve high definition of video conference system.
Key words: video conference system; high definition
关键词:视频会议系统;高清晰
视频会议系统能实时传送视频图像和声音,是及时、准确、生动、全面传输与交流信息的通讯工具,多年来,得到政府、社区、教育、交通、安全、医疗、商业、金融等各行业的青睐和应用。尤其是高校,更是把视频会议系统作为现代化教学手段,在远程教育、跨校区教学中广泛应用。但是,视频会议系统在实际应用中也暴露出清晰度低、时延长、稳定性差、效果不理想等问题,严重影响视频会议系统发展与使用。
视频会议系统作为信息传输手段,其保真与清晰度极为重要,它直接影响使用效果。例如,利用视频会议系统开展远程教育教学、学术交流研究,往往需要对实验过程,反应过程,X光片,MRI核磁共振影像,ECG心电图,超声检查结果,数据,设计图,流程图,地图和照片等信息内容,进行细节分析、解读、探讨和诊断。这就要求视频会议系统能够高保真地传送高清晰度的信息内容。探讨研究和开发高分辨率、高清晰视频会议系统(HDVShow)具有积极的现实意义。
本文主要对影响视频会议系统清晰度、时延长、画音不同步的原因进行剖析,对实现视频会议系统高清化的关联技术、系统构架、技术策略等展开探讨。
一、影响视频会议系统清晰度的原因剖析
1.视频会议系统画面清晰度低源于早期模拟电视制式
我们使用几十年的模拟电视为NTSC制和PAL制,NTSC制式水平解像度为525线,每秒30帧画面,PAL制式为625线,每秒24帧画面。先扫描静止画面的奇数行,然后扫描偶数行。两幅画面同时在显示屏上显示,称为每秒50/60场。这种奇/偶扫描模式被称为隔行扫描,可节约传输宽带。这种分辨率被称为480i,提供240线画面。家用25英寸以下的电视机,看上去比较清晰、流畅。但是,如果用超过25英寸的电视机,或是用大屏幕投影观看,图像质量会有明显地下降,如视觉噪声、锯齿线、褪色、轮廓模糊等。因此,基于早期模拟电视的视频会议系统清晰度必然偏低。
2.视频会议系统画面清晰度低源于低数据率交换格式(CIF)
以往的视频会议系统数据都是基于通用交换格式(CIF)进行编码。国际电信联盟-电信标准部(ITU-T)制定了视频标准,称为H.261和H.263。H.261标准只定义了QCIF和CIF格式。1/4的CIF(QCIF)格式只被用于最低数据率(64千位/秒及更低)的会议,视频会议系统基于低数据率交换格式(CIF)进行编码,其视频会议图像信息必然受到较大损耗,造成画面清晰度下降。
3.视频会议系统画面清晰度低源于传输网络状况差
早期视频会议系统是通过同轴电缆传输,同轴电缆固有的频率传输特性,使电视图像信号经过同轴电缆超远距离传输后损耗大、噪波增加,画面清晰度降低。视频会议系统采用窄带网络传输,画面信息需经过高压缩比处理后才能传输,视频会议画面因为网络传输时大量数据降低,其清晰度必然下降。
4.视频会议系统画面清晰度低源于硬件档次低
(1)视频会议系统现场摄像设备没有选用专业级摄像机,大多数采用业余级和家用摄像器材,档次偏低,致使视频会议系统现场摄录到的图像信号源质量差、清晰度低。
(2)视频会议系统显示终端设备档次低,使用普通模拟电视机或使用流明度低、分辨率低的投影机,造成显示视频会议系统现场图像画面质量差、清晰度低。
5.视频会议系统画面清晰度低源于会场环境布光不佳
一般情况下,都是利用现有的学术报告厅、会议室或会堂布装视频会议系统,往往对视频会议现场环境布光没有足够的重视,没有参照电视演播室的要求进行布光。学术报告厅、会议室和会堂原有的常规灯光照明,离专业摄像环境照明的亮度、色温的要求差距较大。更有甚者,在视频会议现场为了让参会者能观看清楚本来亮度就偏低的投影画面,总是把会场的大部分灯光关闭,视频会议系统的摄像机只能在照度极低的环境中拍摄,致使会议现场的视频画面灰暗、清晰度低。
二、视频会议系统时延长、画音不同步的原因剖析
视频会议系统选用处理能力低的编码/解码技术格式时,视频会议传输画面信号编码与接收端画面信号解码过程需要消耗较多的时间,造成处理过程的延时,使得视频会议系统收看画面信号出现时延长、画面与声音不同步现象。
视频会议系统通过网络传输画面信号的大量数据信息需要消耗时间,当传输网络带宽过窄时,消耗时间就更多,造成处理过程的延时,视频会议系统收看画面信号出现时延长、画面与声音不同步现象就更为严重。
三、高清视频会议系统的实现
1.选用高清视频格式
为了提高电视画面的清晰度,人们开发了逐行扫描技术,将480线图像信息行合并为一帧,然后自动修正画面质量,单纯从数字上看,逐行扫描技术较隔行扫描提供240线画面高出1倍。逐行扫描减少了大屏幕上的锯齿画面,使画面更为流畅,画面质量得到了提高。这种分辨率被称为480p,俗称为标清电视。真正的高清视频,其图像分辨率为1080i或者720p。高清格式提供的图像信息量比隔行扫描480i格式高出4倍以上,更高的像素数大幅提升画面质量。显然,要实现视频会议系统高清化,不可能再选用隔行扫描480i格式和逐行扫描480p格式,而应采用高清视频720p格式。
2.采用高清编码/解码技术
采用国际电信联盟-电信标准部的建议,高清晰度视频会议使用视频压缩新标准H.264。H.264和H.261,H.263相比,具备更高的处理性能,提供优质的视频传输和低延时的编解码,H.264编码标准提供互联互通的通用平台,具有更强的灵活性。其最突出优点在于减小了整个视频文件,视频文件可以通过容量更小的网络连接(更低的数据率/宽带)进行传输,以比较低的数据传输率提供高质量画面。H.264的效率是H.263的2倍,在特定线路速率下的视频质量也要高出1倍,使视频流更为流畅、自然。增强型H.264技术还带有交互视频的差错隐消算法,可自动调整视频处理,即便在网络负担过重、不稳定或者出错率高的情况下,也保证操作自如,提供高品质的视频流。现在,H.264已成为HD-DVD(高清DVD)以及广播、有线、视频会议和消费电子产品的强制标准。
3.选用高清化硬件
视频会议系统中的所有硬件设备都必须支持高清,这是实现视频会议系统高清化的关键。视频会议系统前端设备,尤其是视频、图形图像源拍摄、制作、采集设备,如摄像单元:主摄像机、辅助摄像机、图文摄像机、录像机、电子白板等,选用支持1080i图像分辨率全高清专业级设备,确保现场拍摄图像信号源的高清质量。
视频会议系统的多点控制单元MCU,会议终端设备选用,必须能够支持1080i高清。视频会议系统的终端显示设备,选用支持1080i图像分辨率的全高清数码投影机、液晶电视和等离子电视,保证视频会议画面还原显示清晰流畅,色彩逼真。
4.采用光纤宽带传输
小局域视频会议系统,如高校多校区教学视频会议系统,由于传输线路距离不长,建设规模小,投入不大,可考虑采用专线光纤物理端对端模式传输。会议视音频信号上传、下传,控制信号上传、下传分别采用单独光纤芯通道传送,各行其道。这种传输模式具有两大优点:一是避免视音频信号经过混合/解调处理环节的损失,使得会议现场画面信息数据几乎达到无损耗的传输。二是没有传输带宽的限制,从而保证视频会议系统有固定的信号质量,实现声画高保真。
广域视频会议系统,在条件许可的情况下,最好也采用专线物理光纤端对端模式传输信号。若是只能通过网络传输,必须有足够的网络带宽。正常情况下,视频会议的数据传输速率在2Mbit/s带宽下图像可达到DVD以上高清效果。为了避免因传输带宽窄,视频会议画面的信息数据过度压缩处理而大幅降低,造成清晰度下降、时延长、画面与声音不同步等问题,充分利用高带宽来保证视频会议视音频的稳定、高保真。综合考虑各种影响因素,实际数据传输速率最好设定为10Mbit/s以上。
5.视频会议系统会场合理布光
参照电视演播室的要求,对视频会议系统会场(报告厅、会议室、会堂)进行布光,主要保证会场拍摄区域内的环境照明亮度、色温基本达标。确保视频会议系统拍摄到的现场视频源比较清晰、画面质量良好。
四、高清视频会议系统构架及范例
1.基于SIP的高清晰视频会议系统
基于SIP的高清晰视频会议系统,可传输1080iHD的全场景高清晰视频,远程再现生动逼真的会议现场实况。视频会议系统采用可靠混合组播协议(RCMP)作为多媒体传输协议,RCMP(如图1所示)结合了IP组播应用层组播(ESM)的优点,解决了传统C/S结构带来的服务器负载过重问题。采用SIP作为会话控制协议,具备良好的可扩展性和兼容性。在采用基于SARLM的可靠混合组播协议(RCMP)之上采用RTP协议,高效率实现视频的分发以及丢包处理,从而实现HD在互联网的传输。视频会议系统具有自适应带宽功能,在防止网络阻塞的同时能够充分利用空闲带宽,并根据带宽的波动实时调整多媒体传输的质量。系统采用重传和FEC编码相结合的机制恢复网络传输过程中丢失的视频帧,从而有效改善了网络状况欠佳时的视频质量。和传统的视频会议相比,基于SIP的高清晰视频会议系统在高带宽下能充分利用可用带宽,从而有更高质量的视音频,在低带宽下也可有更加稳定的视音频质量。同时还具有良好交互性,可靠性。
2.小局域高清视频会议系统构架(如图2所示)
3.广域高清视频会议系统构架(如图3所示)
笔者所在单位是多校区学校,全校视频会议系统采用小局域高清视频会议系统构架,专线光纤物理端对端模式传输。多年应用实践的体会是,视频会议系统信号传输非常稳定,声画质量实现了高保真,达到和超过DVD效果。学校对外视频会议系统采用广域高清视频会议系统构架,试用阶段经测试,视频会议信号交互性良好、稳定通畅,视频会议图像质量具有较高的清晰度。
参考文献
[1]徐奇.一种基于SIP的交互式高清晰视频会议系统[J].计算机仿真,2007,6
[2]雨柯.浅谈真正的高清晰视频会议系统及其优势[J].视像通信,2008,7
The high definition of video conferencing system
Wang Daguang
Yulin teachers’ college, Yulin, 537000, China
Abstract: Video conference systems transmit video into real-time voice, which be favored and applicator in a variety of industries as a timely and lively exchange of information tools. Especially, video conference system as a modern teaching method used in distance education, mute widely teaching in university. However, the video conference system exposed the low definition, poor reaction and so on in the practical application, this paper to discuss how to achieve high definition of video conference system.
Key words: video conference system; high definition