Системы видеоконференц связи

Необходимость передачи аудио- и видеоинформации  по Internet привела к созданию нового транспортного протокола RTP (Real-time Transport Protocol). Его рабочая спецификация была предложена группой AVT (Audio/Video Transport working group) разработчиков средств передачи аудио/видеоинформации, входящей в организацию IETF (Internet Engineering Task Force). Протокол RTP отвечает за очередность, тайминг и качество аудио/видеоинформации, передаваемой в режиме "точка-точка" или "точка-многоточка". Большинство разработчиков систем MBone используют в своих системах RTP. Среди них такие как Communique! (InSoft), InPerson (Silicon Graphics), ShowMe (Sun Microsystems).

На сегодняшний  день системы настольных видеоконференций, разработанные разными производителями, практически несовместимы друг с  другом. Поэтому возникла острая необходимость  создания общепринятых стандартов на эти системы.

Организация ITU, о которой речь уже шла ранее, является агентством ООН. В рамках этой организации государственные и  частные компании координируют работы по созданию сетей телекоммуникаций и телекоммуникационных услуг. Сектор ITU-T занимается разработкой стандартов для систем видеоконференций, работающих по каналам ISDN. Рекомендация стандарта  для систем конференц-связи H.320, предложенная ITU-T, носит название "Narrow-Band Visual Telephone System and Terminal Equipment". Спецификацию H.320 зачастую называют Р*64, где Р — целое число, поскольку она была разработана для каналов ISDN с пропускной способностью, кратной 64 Кбит/c. H.320 представляет из себя набор рекомендаций по использованию стандартов компрессии/декомпрессии аудио- и видеосигнала, а также cинхронизации, мультиплексирования и фрагментирования данных. Рекомендация T.120 ITU-T называется "Transmission Protocols For Multimedia Data". Рекомендация разработана для обмена данными в режиме конференц-связи. Такими данными могут являться изображения и заметки "настенной доски", бинарные файлы и пр.

Рекомендация ITU-T H.324 называется "Multimedia terminal for low bitrate visual telephone services over the GSTN". H.324 определяет стандарты для передачи аудио, видео и данных через модемы V.34 со скоростью 28,8 Кбит/с по аналоговым телефонным линиям общего назначения.

Настольные  системы видеоконференц-связи можно  использовать для самых разнообразных  целей: проведения совещаний территориально рассредоточенных рабочих групп, для  дистанционной связи со специалистами, для целей заочного обучения, при  трансляции телевизионных программ, проведении брифингов и т.п. Если члены группы, разрабатывающей программный  продукт, находятся на значительном расстоянии друг от друга, они могут  отказаться от личных встреч и согласовывать  свои действия посредством видеоконференций, экономя тем самым время и деньги.

2.2 Выбор метода кодирования - декодирования, описание стандарта кодирования

Современный рынок требует сокращения производственных циклов, повышения качества поставляемой продукции, сотрудничества между различными фирмами и глобализации их деятельности. Средства связи, их расширенные возможности, играют при этом решающую роль. Наличие  быстрой и эффективной связи  определяет конкурентоспособность  фирмы. Выигрывает тот, кто стартует раньше других, используя самые современные  технологии.  На данный момент самым широко используемый протоколом, по моему мнению, является стандарт  Н.323.

Рассмотрим, что представляет собой рекомендация Н.323.

Рекомендация  Международного Телекоммуникационного  Объединения (ITU) H.323 - международная  спецификация, определяющая взаимодействие компьютеров при передаче аудио- и видео- потоков по сетям intra- или Internet.

Система Intel Internet Phone создана на основе набора коммуникационных средств, предлагаемых стандартом H.323 для работы с Internet. Передача звука при использовании системы Intel Internet Phone осуществляется с помощью кодека G.723, который обеспечивает возможность трансляции очень небольшого звукового потока при сохранении хорошего качества звука.

Основное  преимущество коммуникационных программных  продуктов, совместимых с H.323, - возможность  правильного взаимодействия друг с  другом. Смысл введения стандарта H.323 прост - он предлагает протокол, с помощью  которого коммуникационные программные  продукты, созданные различными производителями, могут работать совместно (то есть взаимодействовать). Компания Intel внесла большой вклад в создание, развитие и распространение технологии H.323.

Совместимые с H.323 приложения и поддерживающая их инфраструктура Internet являются основой нового направления развития коммуникационных возможностей, связанных с использованием ПК. Программное обеспечение, разработанное Intel и другими компаниями на основе стандарта H.323, впервые позволит нам без проблем, с помощью простого нажатия кнопки, осуществлять обмен аудио- и видео- данными.

Технический обзор H.323

Рекомендация H.323 описывает требования к терминалам, другому оборудованию и различным  службам, предъявляемые при передаче мультимедиа-потоков по локальной  сети с негарантированным качеством  соединения. Терминалы, а также другое оборудование, соответствующее требованиям H.323, могут использоваться для передачи голоса, цифровых данных и видеоинформации, а также произвольного сочетания  этих потоков (например, для видеотелефонной  связи) в реальном масштабе времени.

Локальная сеть, с помощью которой связаны  совместимые с H.323 терминалы, может  быть простым сегментом, соединением  по типу "кольцо" или целым набором  сегментов сложной топологии  соединений. Необходимо заметить, что  сложность структуры сети влияет на производительность H.323-терминалов. К сожалению, рассмотрение способов, с помощью которых можно добиться нужной производительности терминалов при работе со сложными сетями, выходит  за рамки рекомендации H.323.

H.323-совместимые  терминалы могут быть встроены  в персональные компьютеры или  выполнены в виде отдельных  устройств, например, видеотелефонов. Поддержка обмена звуковыми данными  для них обязательна, в то  время как возможность передачи  цифровой информации и видеоданных  является дополнительной. Однако, при использовании режима обмена видеоданными или цифровой информацией для совместной работы требуется поддержка нужного режима всеми устройствами. H.323 дает возможность одновременно передавать данные по нескольким каналам каждого типа. Среди стандартов, связанных с H.323, - рекомендации по сжатию и синхронизации H.225.0, управлению H.245, видеокодированию H.261 и H.263, аудиокодированию G.711, G.722, G.728, G.729 и G.723, а также серия коммуникационных мультимедиа-протоколов T.120.

Стандарт H.323 разработан с учетом Рекомендаций H.245, описывающих последовательность специальных процедур при открытии логического канала передачи информации. Эти процедуры, определяющие содержание логического канала, необходимы для  согласования передающего устройства с приемным - таким образом, передатчик будет транслировать только ту информацию, которую способен воспринять приемник. Приемник может потребовать от передатчика  ведения обмена данными в нужном ему режиме. Поскольку аналогичные  процедуры, описанные стандартом H.245, предлагаются также в Рекомендациях H.310 для ATM-сетей, H.324 для GSTN и V.70, взаимодействие H.323-систем с системами на их основе возможно без преобразования H.242-H.245, как этого потребовали бы системы стандарта H.320.

Терминалы стандарта H.323 могут работать в многоточечных  конфигурациях и взаимодействовать  с терминалами стандарта H.310 для B-ISDN, стандарта H.320 для N-ISDN, стандарта H.321 для B-ISDN, стандарта H.322 для локальных  сетей с гарантированным качеством  соединения, стандарта H.324 для GSTN и беспроводных сетей и стандарта V.70 для GSTN.

Для передачи видеоизображения стандарт Н.323 требует  использования стандарта Н.261.

Видео поток  стандарта Н.261.

Рекомендация ITU-T Н.261. была разработана для передачи видеоинформации при уровнях  битового потока Рх64 Кбит/с, где р - может меняться от1 до 30. Стандарт включает как кодирование отдельных кадров в стиле JPRG, так и использование компенсации движения для устранения временной корреляции между кадрами. Он относится к гибридным системам сжатия  в пространственной и временной областях.

Burst bandwidth assumes that the transfer of video occurs only during the active period.

Continuous bandwidth assumes entire frame time is used to transfer active video.

 

Таблица 1 - Форматы исходных данных CIF QCIF

Формат	Разрешение		Ширина Полосы Частот
			Мбайт/сек (1)	Мбайт/сек (непрерывный)
QCIF	216x156	176x144	1.69	1.27
CIF	432x312	352x288	6.74	5.07

 

Для того, чтобы обеспечить преобразование данных различных систем телевидения к единому стандарту, был разработан стандарт CIF (общий промежуточный стандарт). Для яркостной компоненты Y разрешение составляет 288 по вертикали и 360 пикселов по горизонтали, из которых не используется по четыре крайних пиксела с каждой стороны для обеспечения кратности 16 используется цветовая модель - 4:2:0  с серединным расположением пикселов цветности. Для яркости используется разрешение 352х288 область значимых пикселов, а для обоих цветоразностных компонентов разрешение - 176х144. Используется также формат QCIF с половинным разрешением.

Частота кадров составляет 29,97 кадров/сек, но может  быть и понижена до 10-15 кадров/се. Декодер должен способен рас кодировать поток с пропущенными кадрами, так. Как для увеличения сжатия предусмотрена возможность опускать при кодировании отдельные кадры вместо того, чтобы поддерживать постоянную частоту кадров.

Стандартом  предусмотрено разбиение видео  потока на четыре уровня:

- уровень  кадров ( для CIF-формата - 352х288 пикселов, 396 макроблока, 1584 блока, 12 групп блоков):

код начала кадра (20 бит, 0000 0000 0000 0001 0000)

номер кадра  в последовательности (5 бит)

тип кадра  в последовательности (6 бит)

дополнительные  данные

- уровень  группы блоков (GOB) (176х48 пикселов, 132 блока.  33 макроблока)

код начала группы (16 бит, 0000 0000 0000 0001)

номер группы в кадре (4бита)

уровень квантования в группе (5 бит)

дополнительные  данные

- уровень  макроблока (16х16 пикселов, 4 блока)

код адреса макроблока (код переменной длины, до11 бит)

код  типа макроблока (код переменной длины)

- уровень квантования маклоблока (5 бит)

код вектора  движения (код переменной длины, до 11 бит)

код присутствия  данных блоков (код переменной длины, до 9 бит)

- уровень блока (8х8 пикселов)

коэффициенты  ДКП (коды переменной длины, до 13 бит)

 

Рисунок 5 - Структура свертки видеоизображения в декодере по стандарту н. 261

 

Алгоритм  кодирования.

Стандарт  не специализирует конкретных методов  сжатия, и поиск наиболее эффективных  алгоритмов сжатия  является задачей  разработчиков кодера. Для передачи CIF изображения по каналу (64 кбит/сек)  степень сжатия должна превышать 300:1. В алгоритме кодирования можно выделить следующие этапы:

1.Входной  поток подвергается предварительной  обработке:

Если  исходное изображение передается в  виде чересстрочных полей, то из них  формируются кадры с прогрессивной  разверткой, кадры передискретизиуются до формата CIF или QCIF;

Производится  преобразование RGB в YUV

Производится  преобразование из формата цветности 4:4:4 в 4:2:0 ( горизонтальная и вертикальная поддискретизация цветоразностных компонентов).

 

Схема выборки 4:2:2                                          Схема выборки 4:2:0

- выборка только Y

- выборка Y, Cb, Cr

- выборка Сb, Cr

Рисунок 6

 

Эта схема  преобразования обычно используется для стандарта Н. 261.

На рисунке 6 изображена двумерная 2:1 подвыборка  цветоразностных элементов по отношению к элементам яркости. Элементы Cb и Cr не совпадают по расположению с элементами яркости, но представляют информацию о цвете для группы четырех элементов яркости, расположенных по углам квадрата.  Значение Си СR обычно вычисляются 4:4:4 путем горизонтальной и вертикальной фильтрации и интерполяции.  Обычно значения Cb и Cr вычисляются только для каждой второй линии элементов яркости. Т. о. Остальные линии несут только яркостную составляющю.4:2:0. Ширина полосы сигнала 4:2:0 идентична полосе сигнала 4:1:1. На рисунке 5 представлен построчный видеосигнал, в котором используется  только одно поле сигнала.

Для устранений возможных искажений типа появления  ложных элементов на границе объектов или смещения позиции, может применяться  перефильтрация низкочастотным фильтром.

1 Изображение разбивается на макроблоки, для которых находятся вектора движения. Вектора движения для макрблоков могут быть только целочисленными и по абсолютной величине не превышать 15 пикселов.