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1、精品论文大集合视频会议及 H.264 关键技术在其应用的研究吴博，杨杰 武汉理工大学信息工程学院，武汉（430063） E-mail：摘要：随着计算机和网络技术的发展，视频会议得到了广泛的发展和应用。针对这种情况 本文在介绍视频会议的概念、框架结构及相关协议，并对其在视频会议系统中的作用进行分 析前提下，提出了目前视频会议系统中存在的一些问题，比如怎样实现高效的视频质量，多 人视频时多路视频流、音频流的处理，视频会议的安全等,着重对 H.264 视频编解码在视频 会议中应用的问题进行分析和研究并给出了解决方案。实验表明本文提出的方案达到了预期 的效果，具有一定的实际应用价值和意义。关键词：视频
2、会议；H.264；H.323中图分类号：TP31.引言在计算机、网络技术高速发展的今天，传统的通讯方式：如电话、传真等无法达到“面 对面”的沟通效果，不能满足人们日益增长的交流需求，视频会议系统相应而生。它支持人 们进行远距离实时信息交流。视频会议系统是利用网络和音频视频设备召开多方会议的通讯 系统，有着广泛的用途。目前，大多数分组交换网上的视频会议系统都是基于 H.323 规范的 集中式、紧耦合会议系统，然而视频会议中还存在很多问题需要解决，本文对基于 H.323 视频会议的体系结构、系统组成以及相关协议进行了研究，着重对视频会议系统中视频编解 码关键技术问题进行了探讨和研究并提出了解决方案
3、。2.视频会议系统的体系结构2.1 基本框架结构和 H.323 协议栈视频会议系统允许三个或三个以上不同地点的参加者同时参与会议，其中多点控制问题 是多点视频会议系统一项关键技术，多点控制单元(MCU)在通信网络上控制各个点的视频、 音频、通用数据和控制信号的流向，使与会者可以接收到相应的视频、音频等信息，维持会 议正常进行。视频会议的框架结构是基于 H.323 标准建立的，H.323 是伞式标准，它参考了其他 ITU-T 标准，提供了系统和组件描述，呼叫模型描述以及呼叫信号处理，完成了多层次的多媒体通 信，这些层次结构包括局域网上的声音通信、声音和视频通信、声音和数据通信、声音和视 频以及数
4、据通信。视频会议由终端(Terminal)、网守(Gatekeep)、网关(Gateway)、多点控制单 元(MCU)组成，不同的会议分组由路由器(Route)接入 Internet1。H.323 协议栈如图 1 所示。图 1 H.323 协议栈- 6 -从图 1 中可以看出，H.323 会议系统中的信息码流使用不同的传输协议，这是因为会议系统中的信息码流各有不同的特点，对下层网络的承载要求也就不同：音频和视频码流对实 时性要求很高，即使少量的时延，对视频会议来说也是无法忍受的，但它们对于少量的丢包 却不太敏感，因此对于音频和视频码流，采用实时传输协议来对它们进行打包再运用面向无 连接的 UD
5、P 协议进行实时传输；RAS 信号对实时性要求较高，因此也采用 UDP 协议来传 输；数据和控制信令对于服务质量要求很高，少量的丢包或出错都是无法忍受的，但对时延 不太敏感，因此在传输层上使用面向连接、提供可靠服务的 TCP 协议进行可靠传送。另外， H.323 会议系统中的各种信息码流最终要复用在一起，同步传送到网络上，以保证对方终端 能同步还原各种信息码流进行播放或操作。在图 1 中，需要特别指出：H.323 会议系统中的 数据应用采用 T.120 系列建议4，该系列建议是由九个建议书（T.120T.128）组成的完整 数据通信协议，它分四个层面来完成会议系统中的数据应用。视 频 编解码
6、H.261,H.263视频 I/O 设备2.2 H.323 终端设备结构音频 I/O 设备接受 通 路音 频 编 解 码延G.711,G.722,G.723,迟网 络G.728,G.799接 口用户 数据 应 用T.120 等系统控制H.255.0层H.245 控制系统控制用户接口呼叫控制 H.255.0RAS 控制 H.255.0图 2 H.323 终端设备结构图H.323 终端设备结构如图 2 所示。H.323 终端是能够在分组交换网络中提供实时、双向通信的节点设备。如上图 2 所示，系统控制单元、H.255 分层、分组网络接口、音频编解码 单元是 H.323 终端必须具备的，视频编解码单
7、元和数据应用是可选的。音频压缩。采用特定的音频编码算法产生数字化音频信号并进行相应的解码。在运用中， 编解码器使用的音频算法是在交换期间通过 H.245 协商得到的，音频流应根据 H.255.0 标准 进行格式化。H.323 终端可以同时发送或接受多个音频信道信息。对于多点会议，H.323 终端需实现音频混合的功能，在音频压缩中，G.711 是必需的，而其余的 G.722、G.728、G723和 G.729 是可选的。 视频压缩。采用特定的视频编码算法产生数字化视频信号并进行相应的解码。视频编码不进行 BCH 纠错，且允许以不对称的视频比特率、帧速率、图像分辨率进行。类似音频编 解码器，视频编
8、解码器使用的编解码算法是在交换期间通过 H.245 协商得到的，视频流也应 根据 H.255.0 建议规定的格式进行打包传送。在视频压缩中，H.261 QCIF 方式是必选，而 H.261 CIF 和 H.263 所有图像格式是可选的。数据通道。H.323 终端通过 H.245 的控制消息建立一个或多个数据信道。H.323 会议系 统的数据功能是建立在 T.120 系列基础上的。根据应用的要求，数据通道是双向或单向的逻 辑信道，在这些逻辑信道上实现 H.323 会议系统的全部数据通信功能。H.245 控制。H.245 控制信道承载管理。H.323 通信实体操作端到端控制消息，描述了 用于打开或
9、关闭传输音频、视频和数据的逻辑信道以及容量交换、模式选择请求、流量控制 消息及通用命令和指示。H.245 信令在两个终端间或一个终端和 MCU 间或一个终端和网关 间建立。对于端点参与的呼叫，端点应在每个方向上建立一个 H.245 控制信道，并使用 H.245 建立的消息和规程。H.225 呼叫控制，运用 H.225 呼叫控制信令来建立两个 H.323 终端间或终端与网守间的 连接。其中 H.225.0 描述了媒体（音频和视频）流打包、媒体流同步、控制流打包以及控制 消息格式。呼叫信令信道的建立先于 H.323 终端间的 H.245 控制信道和其他任何逻辑信道， 因此，它的建立不受 H.245
10、 控制信道的管理。RAS 控制。RAS(Registration,Admission and Status,登记、接纳和状态协议)信号运用 H.225 控制消息在终端与网守之间执行登记、接纳、带宽改变和使两者脱离关系等过程。RAS 信 道不受 H.245 控制信道管理。系统没有网守时，无需建立 RAS 信道。若系统中存在网守， RAS 信道建立早于终端间的任何信道。分组网络接口。H.323 终端的网络接口是 H.225 建议所描述的，它规定了下述必需的功 能:对 H.245 控制信道、数据信道、呼叫信令信道提供可靠的端到端服务（TCP、SPX 等）， 对于音频、视频和 RAS 信道提供不可靠的
11、端到端服务（UDP、IPX 等）。这些服务可以是 单工、双工、单播或多播的。3.视频会议关键技术的研究随着视频会议的飞速发展，其中出现了许多的问题，比如怎样实现高效的视频质量，多 人视频时多路视频流、音频流的处理问题，视频会议的安全问题，在此，着重研究在视频会 议中实现 H.264 编解码问题。3.1 在 H.323 系统中实现 H.264 问题的研究H.264/AVC 是 ITU-T 和 ISO/IEC 联合制定的最新编码标准,它最先由 ITU-T 的 VCEG 于1997 年提出,目标是提出一种更高性能的视频编码标准。与先前的一些编码标准相比,H.264 标准继承了 H.263 和 MPE
12、G1/2/4 视频标准协议的优点,但在结构上并没有变化,只是在各个主 要的功能模块内部使用了一些先进的技术,提高了编码效率.H.264 标准具有算法简单易于实 现,运算精度高且不溢出,运算速度快,占用内存小,消弱块效应等优点,是一种更为实用有效的 图像编码标准2.由于 H.264 是一种新的视频编解码标准，在 H.323 体系中应用 H.264 存在一些问题，比如如何在 H.245 能力协商过程中定义实体的 H.264 能力，因此必须对 H.323 标准进行必要的补充和修改。为此 ITU-T 制定了 H.241 标准。首先，要规定如何在 H.245 能力协商过程中定 义 H.264 能力。其次
13、，由于 H.264 中图像的组织结构与传统的标准不同，一些原有的 H.245 信令不再适用于 H.264,因此 H.241 重新定义了几个信令提供相应功能。3.2 在 H.323 系统中实现 H.264 的解决方案在 H.323 协议中并没有提供 H.264 的支持。鉴于此，因此必须对 H.323 标准进行必要的 补充和修改。我们可以对 OpenH323 源代码重新编译，OpenH323 是澳大利亚公司 Equlvalence Pty Ldt 发布的一个开放源代码、开放使用的 H.323 协议栈类库，该协议栈基于 WIN32 和 UNIX 平台源代码兼容的应用程序类库 PWlib 和 Open
14、H323 类库。H.323 视频会议系统中默认的视频标准为 H.261 协议标准，所以在 OpenH323 类库3中 己经直接包含了 H.261 协议标准的实现，而对其他标准则是提供了开放源程序的连接接口， 只需要另外编写 H.264 编解码器，通过 OpenH323 的开放接口就可以实现 H.264 协议标准视 频传输,不过首先需要编写 H.264 编解码标准在 OpenH323 中的定义。OpenH323 类库中并没有定义 H.264 这种标准的视频类型，所以 RTP 协议传输 H.264 视 频内容要在 OpenH323 中定义一种类型标志来表示 H.264 视频类型，以便 RTP 传输
15、时类型 标志能够识别该类型的数据流。在 OpenH323 类库中是在类 RTP_DataFrame 里面的一个枚 举类型 PayloadTypes 中定义的。Enum PayloadTypesPCMU，/ G.7ll u 一 LawFS1016，/ Federal Standard 1016 CELP G721，G726=G721， GSM， G7231， DVI4_8k， DVI4_16k， LPC，PCMA， /G.7ll A 一 LawG722， L16_Stereo， L16_Mono， G723，CN，MPA，/MPEG1 or MPEG2 audioG728， DVI4_llk，
16、DVI4_22k， G729， Cisco_CN， CelB=25，JPEG，/Motion JPEGH261=31，/H.261MPV， MP2T， H263，/H.263H264，/ H.264LastKnownPayloadType， DynamicBase=96， MaxPayloadType=127，IllegalPayloadType；在其中加入的 H.264 即表示 H.264 视频流，就是在 RTP 包头中媒体流类型 TP 的数值。 同时还必须在 OpenH323 系统能力集里增加 H.264 的能力。OpenH323 的设计思想是将各个能力集合的设定采用嵌套方式，以一个三维的
17、能力集合列表存在于 H323Capabilities 实 体中，它们的存在和从属关系见下:H323Capabilities( 能 力 集 合 实 体 )H323CapabilitiesSet( 能 力 描 述 集 )H323SimultaneousCapabilities( 同 时 能 力 )H323CapabilitiesList( 可 选 能 力 集)H323Capability(能力表的基本能力项)。首先通过类 classH323Endpoint 的一个成员函数 AddCapability，其作用是增加一个多媒 体数字信号编解码器到能力表。H.245 协议中进行对话建立时会通知双方交换各
18、自通信能 力，在这时候也要定义好如何通知对方具有 H.264 视频能力，这个功能要在 OpenH323 类库 中定义与实现。能力交换的目的在于使通讯双方都了解对端接收和发送信号的能力，在 OpenH323 中主叫通过 H.245 消息向被叫发送本地能力集列表，被叫接收以后建立起对端能 力列表实体，以该能力作为创建和主叫的前向媒体信道的对端能力参考值。同样如果主叫没 有给出能力集列表，那么被叫同样启动能力交换过程，发送本地能力列表给主叫，作为创建 和被叫的前向媒体信道的对端能力参考值。当能力交换完成后，即可开传输信道，进行音视 频等的传输。由此就完成了一次从能力增加呼叫连接传输媒体流的过程，也即
19、完 成 H.264 视频编解码在视频会议系统中的实现。4.结语随着 Internet 和 IP 网络的普及,视频会议也得到了飞速发展，相应着也出现许多相关的 技术问题，本文就基于 H.323 的视频会议系统进行了分析，对视频会议中应用 H.264 编解码 问题作了分析和研究并提出了解决方案，然而视频会议中的很多关键问题还得进一步深入的 研究。参考文献1吴志军 马兰 沈笑云.Visual C+ 视频会议开发技术与实例M.北京:人民邮电出版社,2006. 2吴晓红,黄永峰.H.323 标准下会议系统关键技术分析J.数据通信,2004(5).33http:/ Mouchtaris,Telcordia
20、 Technologies.Voice over IP Signaling:H.323 and BeyondJ.IEEE Communication Magazine,2000,10.Research on Key Technology in the application of video conferencing based on h.264Wu Bo, Yang Jiewuhan university of technology information engineering school (430063)AbstractWith the development of computer
21、network technology, the video conference has been greatly improved and wide applications. The structure of the video conference framework, related protocolsand their functions in the video conference system are analyzed in this paper, and some problems in video conference are also discussed, such as
22、 how to realize the effective video quality, the process ofthe audio stream, the security of video conference, ect. In particularly, the applications of video codecbased on H.264 in video conference system are analyzed, and also we propose some solutions. The experiment shows that the solutions proposed in this paper attain the expected results, possesses a certain practical value and meaning.Keywords：video conference; H.264; H.323