Стандарт CU-SeeMe

В экспериментальной системе видеоконференций CU-SeeMe, разработанной в Корнуэлльском университете, входное изображение представляется 16 градациями серого цвета с 4 битами на пиксел. Изображение разбивается на блоки пикселов общим количеством 8х8. Кадр сравнивается с предыдущим, и пересылаются только блоки, в которых произошли значимые изменения. Компрессия этих блоков происходит по алгоритму сжатия без потерь, разработанному специально для системы CU-SeeMe. С учетом возможных потерь данных в канале связи периодически пересылаются и неизменившиеся блоки. Степень сжатия изображения составляет 1,7:1. Алгоритм компрессии изначально был разработан для аппаратно-программной платформы Macintosh. Он работает с восемью 4-битными пикселами как 32-битными словами. Для системы CU-SeeMe минимальная пропускная способность канала связи должна быть не ниже 80 Кбит/с.

Стандарт Indeo

Фирма Intel разработала метод компрессии/декомпрессии Indeo. В основе метода лежит расчет изображения текущего кадра по данным предыдущего. Передача кадра происходит только в том случае, если расчетные значения значимо отличаются от реальных. Компрессия осуществляется по методу 8х8 FST (Fast Slant Transform), в котором используются только алгебраические операции сложения и вычитания. Степень сжатия в методе Indeo составляет 1,7:1.

Стандарты компрессии/декомпрессии аудиосигнала

Методы ИКМ

Некоторые стандарты компрессии аудиосигнала основаны на технологии оцифровки звука, называемой импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ [4](PCM, pulse code modulation). Аналоговый звуковой сигнал дискретизируется по времени и квантуется по амплитуде. Чем большее количество бит используется для квантования по амплитуде, тем более высококачественным будет воспроизведение звука. Если использовать логарифмический шаг квантования, то звук, квантованный 8 битами, будет соответствовать по качеству звуку, квантованному 14 битами с равномерным шагом. При этом степень сжатия сигнала составит 1,75:1. Известны два метода логарифмического квантования: A-law PCM и mu-law PCM. Mu-law PCM используется в США и Японии на цифровых линиях связи ISDN. В других странах на линиях ISDN используется метод A-law PCM. Оба метода вошли в рекомендацию стандарта G.711 ITU-TSS и требуют минимальной пропускной способности канала не ниже 64 Кбит/с.

В методе импульсно-кодовой модуляции при временной дискретизации аудиосигнала соседние по времени аудиоимпульсы кодируются независимо друг от друга. Но, как правило, амплитуду каждого импульса можно предсказать с большой долей вероятности, используя значение амплитуды предыдущего импульса. В методе адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) рассчитывается разница между амплитудой каждого импульса и его рассчитанным по предыдущему импульсу значением. Для кодировки такой разницы требуется всего 4 бита, поэтому в методе ADPCM степень компрессии аудиосигнала составляет 2:1. ITU-TSS рекомендует несколько стандартов, основанных на методе ADPCM - G.721, G.722, G.723, G.726, G.727. В методе G.722 используется "двухуровневый" ADPCM (Sub-Band ADPCM) со степенью дискретизации 16 КГц, 14 бит на кодировку разницы сигналов. Метод предназначен для пропускной способности канала не ниже 64 Кбит/с.

Компрессия/декомпрессия голоса

Для кодировки только человеческого голоса могут использоваться некоторые специальные методы. При кодировании методом линейного предсказания LPC (Linear Predictive Coding) реальная речь накладывается на аналитическую модель голосового тракта. По каналу связи передаются только "параметры наилучшего совпадения", которые при декодировании используются для генерации синтетического голоса, близкого по звучанию к оригиналу. Для LPC-кодировки требуется полоса пропускания не ниже 2,4 Кбит/с. Развитие метода LPC, метод линейного предсказания с возбуждением кодов CELP (Code Excited Linear Prediction), использует такую же аналитическую модель голосового тракта, как и в методе LPC. Но в методе CELP рассчитываются отклонения между исходной речью и аналитической моделью. По каналам связи передаются параметры модели и отклонения. Отклонения представлены как индикаторы. Индикаторы заносятся в общую книгу кодов, которая доступна кодировщику и декодировщику. Дополнительные данные в виде индикаторов позволяют добиться декодированного сигнала более высокого качества, чем при простой кодировке LPC. CELP требует пропускной способности канала не ниже 4,8 Кбит/с. В качестве стандарта G.728 ITU-SS предложен метод LD-CELP (Low Delay CELP), для которого требуется полоса пропускания не менее 16 Кбит/с. Метод LD-CELP требует большой вычислительной мощности и специальных аппаратных средств.



2. Технические требования к абонентским устройствам видеоконференцсвязи

2.1 Выбор структуры и форматов данных в системе видеоконференций

Идея создания Internet была предложения в связи с необходимостью построения коммуникационной отказоустойчивой сети, которая могла бы продолжить операции, если даже большая часть ее стала не доступной для работы. Решение состояло с том, чтобы создать сеть , где информационные пакеты могли бы передаваться от одного узла к другому без какого-либо централизованного контроля. Если основная часть сети не работает, пакеты самостоятельно передвигалась бы по доступным узлам до тех пор, пока не попадут в точку своего назначения. Кроме того сеть должна быть устойчива к возможным ошибкам при передаче пакетов.

В начале 80-х годов были подключены первые локальные сети и для использования в построенной сети (Internet) был выбран, адаптирован и затем повсеместно принят для работы набор протоколов Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) [9]. (TCP/IP) вполне удовлетворял всем требованиям, которые на него возлагались.

Существует много причин, почему протоколы семейства TCP/IP были выбраны за основу Internet. Это прежде всего возможность работы с этими протоколами как локальных (LAN), так и в глобальных (WAN) сетях, способность протоколов управлять большим количеством стационарных и мобильных пользователей.

К данному протоколу больше подходит название «Комплекс протокол Internet». В его состав входят протоколы UDP,ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие и другие, но часто используют только термин TCP/IP.

Часть из семейства протоколов TCP/IP обеспечивает выполнение "низкоуровленых" сетевых функций для множества приложений, таких, как работа с аппаратными протоколами, поддержка механизма доставки пакета по адресу, назначения через множества сетей и хостов, обеспечение достоверности и надежности соединения и др.

Другая часть протоколов предназначена для выполнения прикладных задач, таких, как передача файлов между компьютерами, отправка электронной почты или чтение гипертекстовой страницы сервера.

Задачей ТСР является доставка всей информации компьютеру получателя, контроль последовательности передаваемой информации, повторная отправка не доставленных пакетов в случае сбоя работы сети. Кроме того, если сообщение достаточно большое, чтобы отправить его в данном пакете, ТСР делит и отправляет его несколькими блоками. ТСР также осуществляет контроль за составление первоначального сообщения из этих блоков на компьютере получателя.

Подобно тому, как почтовый протокол использует ТСР, сам ТСР использует протокол IP, который обеспечивает доставку пакета по адресу, т.е. адресацию и маршрутизацию. Функции, которые представляет ТСР, необходимы для работы множества приложений, однако существуют приложения, для работы которых эти функции не требуются. Эти приложения используют вместо ТСР свой протокол, обеспечивающий взаимодействие приложений, например UDP, которому для работы также необходимы механизм, который бы осуществлял доставку пакета по адресу (т.е. уровня IP).

Схему использования проколов легче всего представить в виде дерева. На этом дереве листьями будут пользовательские приложения, которые работают с протоколами самого верхнего уровня (например, почтовым протоколом). В свою очередь, протоколы верхнего уровня представляют собой ветви кроны. Уровень ТСР можно представить как толстые сучья, которые растут из ствола и держат крону. А сам ствол - это уровень IP.

Подобная модель построения нескольких уровней протоколов называется "многоуровневым передаванием сетевых протоколов". Под этим подразумеваем, что протокол на более высоком уровне при своей работе использует сервисы, передавленные протоколами более низкого уровня. Семейство протоколов TCP/IP имеет 4 ярко выраженных уровня:

- уровень приложений ( прикладной уровень)

- уровень, реализующий транспортные функции (транспортный уровень)

- уровень, обеспечивающий доставку и маршрутизацию пакета (сетевой уровень)

- уровень сопряжения с физической средой (канальный уровень)

Опишем состав и основные функции протоколов каждого уровня семейства TCP/IP:

Уровень сопряжения с физической средой (канальный) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Этот уровень решает задачи физической адресации, уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Ниже этого уровня расположен только аппаратный уровень, который определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активизации, поддержания и деактивизации физического канала между конечными системами (уровни напряжений, синхронизации изменений напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединения и др.)

Сетевой уровень - это комплексный уровень. Он обеспечивает возможность соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находится разных географических пунктах. К этому уровню в TCP/IP относится межсетевой протокол IP, который является базовым в структуре TCP/IP и обеспечивает доставку пакету по месту назначения - маршрутизацию, фрагментацию и сборку поступивших пакетов на хосте получателя. Этому уровню принадлежит протокол ICMP, в функции которого входят, в основном, сообщения об ошибках и сбор информации о работе сети.

Транспортный уровень представляет услуги по транспортировке данных. Эти услуги избавляют механизмы передачи данных прикладного уровня от необходимости вникать в детали транспортировки данных. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как надежная и достоверная транспортировка данных через сеть. Транспортный уровень реализует механизмы установки, поддержания и упорядоченного закрытия каналов соединение, механизмы систем обнаружения и устранения неисправности транспортировки, управления информационным потоком.

Транспортный уровень семейства TCP/IP представлен протоколами ТСР и UDP. ТСР обеспечивает транспортировку данных с установлением соединения, в то время как UDP работает без установления соединения. Оба эти протокола имеют дело с конкретными процессами (приложениями) на компьютере и могут обеспечивать связь процессов на различных компьютерах сети, хоть в их компетенцию не входит управлением сеансом работы. Если ТСР обеспечивает полный сервис транспортного уровня - надежность, достоверность и контроль соединения, то UDP может отправлять пакеты от одного процесса к другому без какого либо дополнительного сервиса, за исключением, разве что, проверки контрольной суммы переданных данных.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы , устанавливает соглашения по процедурам устранения ошибок и управления целостности информации. Кроме того протоколы прикладного уровня определяют, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи. Прикладной уровень также отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы была читаемой на прикладном уровне другой системы. При необходимости он осуществят трансляцию между множеством форматов представлений путем использования общего формата и структур данных, а также согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня. Прикладной уровень устанавливает и завершает сеансы связи взаимодействия между прикладными задачами, управляет этими сеансами, синхронизирует диалог между объектами и управляет обменом информации между ними. Кроме того прикладной уровень предоставляет средства для отправки информации и уведомления об исключительных ситуациях передачи данных.

Комплект протоколов Internet включает в себя большое число протоколов высших уровней, имеющих самые разнообразные применения, в том числе управление сети, передача файлов, распределенные услуги пользования файлами, эмуляция терминалов и электронная почта.

Стремительный рост Internet предъявляет новые требования к скорости и объемам передачи данных. И для того , чтобы удовлетворить все эти запросы, одного уведомления емкости сети недостаточно , необходимы разумные и эффективные методы управления трафиком и контролем загруженности линий передач.

Наиболее широко используемый протокол транспортного уровня - это, как было описано выше, ТСР. Несмотря на то, что ТСР позволяет поддерживать множество разнообразных распределенных приложений, он не подходит для приложения реального времени. Использование ТСР в качестве транспортного протокола ТСР для этих приложений невозможно по нескольким причинам:

1 Этот протокол позволяет установить соединение только между двумя конечными точками, следовательно, он не подходит для многоадресной передачи.

2 ТСР предусматривает повторную передачу потерянных сегментов, прибывающих, когда приложение реального времени уже их не ждет.

3 ТСР не имеет удобного механизма привязки информации о синхронизации к сегментам = дополнительное требование приложений реального времени.

Другой широко используемый протокол транспортного уровня - UDP не имеет части ограничений ТСР, но и он не представляет критической информации о синхронизации.

Эту задачу и призван решить новый транспортный протокол реального времени - RTP ( Real-Time Transport Protocol), который гарантирует доставку данных одному или более адресатам с задержкой в заданных пределах, т.е. данные могут быть воспроизведены в реальном времени.

Пакеты RTP содержат следующие поля: идентификатор отправителя, указывающий, кто из участников генерирует данные, отметки о времени генерирования пакета, чтобы данные могли быть воспроизведены принимающей стороной с правильными интервалами, информация о порядке передачи, а также информация о характере содержимого пакета, например, о типе кодировки видеоданных (MPEG, Indeo и др.). Наличие такой информации позволяет оценить величину начальной задержки и объема буфера передачи.

Протокол RTP используется только для передачи пользовательских данных - обычно многоадресной - всем участникам сеанса. Совместно с RTP работает протокол RTCP (Real-Time Transport Control Protocol). , основная задача которого состоит в обеспечении управления передачей RTP, RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и RTP (обычно UDP), но другой номер порта.

RTCP выполняет несколько функций:

1 Обеспечение и контроль качества услуг и обратная связь в случае перегрузки. Так как RTCP-пакеты являются много адресными, все участники сеанса могут оценить, насколько хороша работа и прием других участников. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качества передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи.

Обратная связь с получателями важна также для диагностирования ошибок при распространении. Анализируя сообщения всех участников сеанса, администратор сети может определить, касается данная проблема одного участника или носит общий характер. Если приложение - отправитель приходит к выводу, что проблема характерна для системы в целом, например, по причине отказа одного из каналов связи, то оно может увеличить степень сжатия данных за счет снижения качества или вообще отказаться от передачи видео - это позволяет передавать данные по соединению низкой емкости.

2 Идентификация отправителя. Пакеты RTCP содержат стандартное текстовое описание отправителя. Они проставляют больше информации об отправителе пакетов данных, чем случайным образом выбранный идентификатор источник синхронизации. Кроме того, они помогают пользователю идентифицировать потоки, относящиеся к различным сеансам.

3 Оценка размеров сеанса и масштабирование. Для обеспечения качества услуг и обратной связи с целью управления загруженностью, а также с целью идентификации отправителю все участники периодически посылают пакеты RTCP. Частота передачи этих пакетов снижается с ростом числа участников. При небольшом числе участников один пакет RTCP посылается максимум каждые 5 секунд.



Рисунок 4 - Логическая структура сетевого программного обеспечения (протокол обмена данных)

Таким образом, с протоколом сетевого уровня IP (Internet Prortocol) взаимодействуют два протокола транспортного уровня: TCP и UDP. TCP (transmission control protocol) обеспечивает надежную связь за счет мощных средств контроля ошибок при отправке пакетов и повторной отправки пакета в случае ошибки. UDP (user datagram protocol) такими средствами контроля над ошибками и повторной отправки пакета не обладает. Настольные системы видеоконференций, работающие по сетям Internet, используют протокол UDP для передачи аудио- и видеосигнала. Протокол TCP используется для передачи данных, таких, например, как данные с "настенной доски" или из разделяемых прикладных программ. При организации конференций по сетям Internet возникает одна проблема. Суть конференции в том, чтобы передавать изображение/голос/данные в общем случае в режиме широкого вещания. Однако протокол IP подразумевает связь "точка-точка". Чтобы преодолеть это препятствие, в 1989 г. было предложено расширение IP для поддержки широковещательных пакетов в Internet -- RFC (Request for Comments). Благодаря RFC появилась возможность проводить конференции в Internet в режиме «широковещательной магистрали» Multicast Backbone (MBone), что означает возможность для одного участника конференции в Internet связываться одновременно с несколькими участниками. В режиме MBone группы хостов, поддерживающих широковещательный IP, связаны друг с другом по каналам чистого IP со связью "точка-точка". Данные к хостам группы передаются через широковещательный маршрутизатор. Это, как правило, рабочая станция, работающая в системе Unix. Для выбора оптимального пути от отправителя к получателю широковещательный маршрутизатор использует один из протоколов: DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol), MOSPF (Multicast Open Shortest Path First), PIM (Protocol Independent Multicast).

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

видеоконференция мультимедийный internet кодирование

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.

2 Находятся ошибки предсказания движения.

3 Производится анализ информации о движении и принимается решение о способе кодирования макроблока.

4 В зависимости от результатов предыдущей стадии или исходный или разностный сигнал подвергается дискретному косинусному преобразованию

5 Осуществляется квантование коэффициентов ДКС, Z- упорядочивание, и кодирование кодами переменой длины. На этом этапе необходимо строить выходной поток данных, поддерживая заданное значение битового потока, для чего требуется специальный алгоритм выбора уровня квантования коэффициентов: если заполнение буфера оказывается больше заданной пороговой величины, то уменьшается точность передачи данных.

Кодирование I- блоков.

Процедура кодирования I-блоков похода на методику кодирования неподвижных блоков стандарт JPEG. Однако в отличии от JPEG уровень квантования может быть переменным, и коэффициент квантования подбирается кодером.

Кодирование Р-блоков.

Процедура кодирования Р-блоков гораздо сложнее процедуры кодирования неподвижных блоков. Кодер должен выбрать метод кодирования макроблока. В этом случае также стандарт не предписывает какого-либо алгоритма, оставляя это на разработчиков кодера

1 Принимается решение, следует ли использовать компенсацию движения, т.к. в случае отсутствия движения используется разность между текущим макроблоками и его несмещенным базовым макроблоком (можно считать нулевым вектором движения). Достигается экономия за счет того, что вектор движения не передается. Для этого вычисляется сумма несмещенной разности между текущим макроблоков и его базовым макроблоком (т.е. с нулевым вектором движения) D1., и та же сумма для разности с вектором движения, D2.На основании ряда численных экспериментов была получена эмпирическая крива выбора решения. Кривая имеет сложную форму в области небольших значения разностей, т. к. любое ложное движение фона, вызванное медленным движением перемещением объекта, является крайне нежелательным эффектом. , заметно ухудшающее визуальное изображение.

В Р- блоках вектор движения передается с помощью разностного кодирования, что обеспечивает значительную экономию для изображений с движением, вызванным перемещением камеры, в которых вектора движения для большинства микроблоков будут примерно одинаковы.

2 После получения информации об оптимальном варианте компенсации движения кодер решает, следует ли ее использовать (т. е. Использовать нулевой или ненулевой вектор движения и кодировать разностный сигнал) или кодировать исходный макроблок как I-блок. Это можно было бы сделать, сравнив количество бит, необходимое для передачи кодированной информации о макроблоке с компенсацией движения и без нее при том же коэффициенте квантования. Однако ввиду значительных вычислительных затрат на эту процедуру на основе численных экспериментов была получена эмпирическая кривая выбора решения о внутрикадровом или межкадровом кодирования на основе сравнения дисперсий текущего макроблока и разностного сигнала.

Дисперсия V1 для текущего макроблока вычисляется:

,

А дисперсия V2 - для разностного сигнала, полученного с учетом принятого решения о компенсации движения, т. е. С использование вектора движения (N,M), нулевого или ненулевого по формуле:

Для устранения блокинг-эффекта, связанного с компенсацией движения, может производится фильтрация. Фильтрация осуществляется только внутри блока и применяется как к яркостной, так и к цветоразностным компонентам. Фильтрация ошибок в кодере после компенсации движения дает лучшие результаты, чем постфильтрация в декодере.

3 После квантования принимается решение, следует ли изменять коэффициент квантования, установленный по умолчанию. Визуально восприятие изображения будет улучшаться, если применять переменный коэффициент квантования в зависимости от детальности в блоке и свойство зрительного анаизатора при их восприятии.

Промышленные стандарты призваны сделать видеоконференции столь же распространенными, как телефонная и факсимильная связь. Благодаря им системы поддержки видеоконференций разных производителей могут без проблем устанавливать связь между собой, как связываются между собой другие телекоммуникационные устройства.

Продукты, соответствующие стандартам ITU, позволяют любому абоненту связываться с любым другим абонентом. Стандарты, разработанные сектором стандартизации в области телекоммуникаций ITU (ITU-TSS, предыдущее название - CCITT), сделали для систем поддержки видеоконференций для ПК то, что сделали ранее выработанные стандарты "V.xx" и "Group-III" для модемов и факсимильных аппаратов - обеспечили совместимость изделий разных производителей в мировом масштабе.



Выводы и рекомендации

Видеоконференции предоставляют нам возможность работать и общаться в режиме реального времени, а также использовать разделяемые приложения, интерактивного обмена информацией, ВКС начинают рассматривать не только как нечто экспериментальное, но и как частичное решение проблемы автоматизации деятельности на предприятии, дающее существенное преимущество по сравнению с традиционными решениями.

Традиционно видеоконференции характеризовались как комбинация специализированного видео и звука, а также технологии работы с сетями связи для взаимодействия в реальном времени и часто использовались рабочими группами, которые собирались в специализированном месте (обычно это был зал заседаний, оснащенный специализированным оборудованием), чтобы связаться с другими группами людей. Стоимость систем видеоконференций, используемых для этого, была очень велика из-за необходимости использования арендованных каналов связи и дорогого качественного оборудования.

В основе любой современной системы проведения видеоконференций лежит устройство, называемое кодер-декодером (кодеком). Кодек ответствен за кодирование, декодирование, сжатие и декомпрессию звуковых и видеосигналов. При всех прочих равных условиях (например, при одинаковом качестве камер) чем лучше реализован кодек, тем лучше звуковой и видеосигнал. Функции кодеков могут быть выполнены программным обеспечением либо аппаратным путем с помощью DSP или некоторой комбинации из программного и аппаратного обеспечения. Главный фактор, влияющий на цену системы, - цена и возможности кодека. Реализованные программно кодеки иногда в несколько раз дешевле аппаратных. Однако для успешного использования их необходима значительно более высокая производительность компьютера, а также нужно больше места на жестком диске и больше оперативной памяти. Иногда групповые и настольные системы так близки по возможностям и ценам между собой, что бывает трудно корректно позиционировать их, тем более что большинство поставщиков имеют в своем арсенале и те и другие.

Настольные системы видеоконференций, работающие по сетям Internet, используют протокол UDP для передачи аудио- и видеосигнала. Протокол TCP используется для передачи данных, таких, например, как данные с "настенной доски" или из разделяемых прикладных программ. При организации конференций по сетям Internet возникает одна проблема. Суть конференции в том, чтобы передавать изображение/голос/данные в общем случае в режиме широкого вещания.

Продукты, соответствующие стандартам ITU, позволяют любому абоненту связываться с любым другим абонентом. Стандарты, разработанные сектором стандартизации в области телекоммуникаций ITU (ITU-TSS, предыдущее название - CCITT), сделали для систем поддержки

видеоконференций для ПК то, что сделали ранее выработанные стандарты "V.xx" и "Group-III" для модемов и факсимильных аппаратов - обеспечили совместимость изделий разных производителей в мировом масштабе.



Библиографический список

1 «Системы компьютерной видеоконференцсвязи» (Синепол В.С., Цикин И.А. Издатель: Мобильные коммуникации Год издания: 1999 Страниц: 166

2 Eckard S. ISO/IEC MPEG-2 Software Video Codec./ : Algorithms amd Technologies, Ed., Proc. SPIE 2419, 1995, 265 с.

3 GEC PLESSEY . MEDIA.-IDEE Trans, 1997, 630 с.

4 http://ru.wikipedia.org

5 http://www.axess-group.ru

6 http://www.connect.ru

7 ISO/IEC DIS 10918-2. Information Techology - Digital Conpression and Coding of Continuous-tone Still Images: Extensions./Ed.1/SC 29, 1994, 340 с.

8 ITU-R Recommendation BT.601, Encoding parameters of digital television for studios, 1982, 105 с.

9 ITU-R Recommendation H.261, 125 стр .

10 ITU-R Recommendation H.323, 140 с.

11 Meng J.-H., Scene Change Detection in a MPEG Compressed Video Sequence .Proc. SPIE 1995

12 Бунтов В.Д., Сороцкий В.А., Цикин И.А. и др. Зарубежное образование в области информационно-коммуникационных технологий. Изд-во Саратовского университета. 2004

13 Годьберг Л.М. , Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов. Справочник.- М.:Радио и связь, 1995, 235 с.

14 Золотов С. , Протоколы INTERNET. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1998 - 304 с.

15 Катермоул Б.В. Принципы имнульсно-кодовой модуляции./Перевод с английского под ред. В.В. Маркова.-М.:-Связь, - 1994 , , 240 стр .

16 Клименко Р. Удаленная работа на компьютере: Санкт-Петербург, изд-во Питер. - 2008. С. 272

17 ММКР . Параметры кодирования сигналов цифрового телевидения для студий.-Рекомендации 601., 450 с.

18 Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Т.1,т.2.-М.:Мир, 1982, 150 с.

19 Телевизионная техника. Справочник./ Под общей ред. Ю.Б. Зубарева и Г.Л. Глориозова.- М.:Радио и связь, 1994, 310 с.

20 Цифровое телевидение / Под редакцией М.И.Кривошеева. - М.:Связь, 1980, 570 с.

Размещено на Allbest.ru