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会议电视又称视频会议或视讯会议,实际上是一种多媒体通信系统,是二十一世纪多媒体通信领域中一个非常热门的话题。会议电视技术是融计算机技术、通信网络技术、微电子技术等于一体的产物,它要求将各种媒体信息数字化,利用各种网络进行实时传输并能与用户进行友好的信息交流。在会议电视发展初期,网络环境相对简单,基本上是专线2Mb/s速率,各公司单纯追求一流的编解码技术,各自怀揣专利算法(至今,会议电视供给商还是或多或少保留一些自己的专用算法),产品间无法互通,技术垄断,设备价格昂贵,会议电视市场受到很大限制。随着各种技术的不断发展和一系列国际标准的出台,打破了会议电视技术及其设备由少数大公司一统天下的垄断局面,逐渐发展成为由国外如VTEL、Picture-Tel、VCON公司和国内中兴、华为等大企业共同分享国内会议电视市场的竞争局面。另外,高速IP网络及Internet的迅猛发展,各种数字数据网、分组交换网、ISDN以及ATM的逐步建设和投入使用,使会议电视的应用与发展进入了一个新的时期,同时,市场对会议电视的接受能力也上升到一个新水平。
1 会议电视系统的要求
会议电视就是利用会议电视系统设备和通信网召开会议的一种信息交流方式。在召开电视会议时,处于两地或多个不同地点的与会者,既可以听到对方的声音,又能看到对方的形象,同时还能看到对方会议室的场景,以及展示的实物、图片、表格、文件等,就像是在同一处参加会议,与平时开会的“面对面”的情形相似,能使与会的代表具有真实感和亲切感。要开好电视会议,要求系统具备:
* 高质量的音频信息。
* 高质量的实时视频编解码图像。
* 友好的人机交互界面。
* 多种网络接口(ISDN、DDN、PSTN、Internet、卫星等接口)。
* 明亮、庄重、优雅的会议室布局和设计也是开好电视会议的一个方面。
2 会议电视系统的构成
会议电视系统由终端设备、多点控制器(MCU)和传输网络三部分组成。会议电视的传输网络可利用现有的几乎所有数字网络,所占用的信道带宽视实际应用需求及信道能力而定。因此,作为会议电视系统的特定部件,主要是指会议电视终端和多点控制器这两类。
多点控制器
MCU是会议电视系统中不可缺少的重要部分。是实现各与会终端之间信息交换和控制的主要设备。MCU的作用是实现多点的呼叫和连接和对输入的多路会议电视信号的切换。但是由于会议电视信号中包含图像、语音及数据三类不同的信号,因此,MCU的切换作用又不像电话交换那样只是简单地将语音进行连接,而是要对三类信号进行不同的处理。为了适应不同的会议模式,MCU可采用集中式和分布式两种方案。
在分布式方案中,各个终端均完成一定的控制与交换功能,灵活性强,在组网时可利用现有的通信电路,与会端加入/退出会议功能易于实现,但是通信协议比较复杂,且没有统一的标准,因而未广泛应用。在集中式方案中,MCU采用广播方式向各个会场发送信息。目前实际使用的MCU几乎都采用集中式,并按照星形方式组网。
会议电视终端
会议电视终端设备实际上也就是多媒体通信终端设备,它将本地会场的视频图像、语音和数据信息进行压缩编码、处理后发送出来,同时将接收到的各种信息进行解码,再现图像、语音和数据信号。会议电视终端根据不同的网络所采用的标准有所不同,主要表现在“复用控制”及“通信接口”模块的不同,此外,所使用的视、音频处理的标准也有所差别,但其实现的功能是相同的。
在会议电视终端实现方案中,虽然用户的应用需求在很大程度上影响着多媒体通信终端的实现,实际上最终起作用的还是相关技术的发展水平,只有当这些技术发展到一定水平之后,开发商才能提供满足用户价格需求、质量需求和使用需求的产品。根据会议电视终端核心芯片所采用的技术不同,会议电视终端通常有以下三种。
1)基于PC机的CPU技术
基于PC机的CPU技术实际上是一种以软件为主的实现技术。会议电视终端主要是由PC机完成运算量特大的各种视、音频数据处理以及通信控制等工作。这一方法的主要优点在于充分利用PC的计算能力,降低实现成本。但对于视、音频信号的采集,各种通信网络接口的设计与实现,还需要配置一定的辅助硬件设备来完成。如视频采集卡、声卡、调制解调器等。较之全部利用硬件实现方法,其花费是很低的。近年来PC的飞速发展,尤其是MMX技术的引入,使CPU对多媒体信息的处理能力有了较大提高,于是基于PC的软件多媒体通信终端相继推出并走向市场。如Intel在1997年推出的基于MMX200的符合H.324标准的桌面视频会议电视系统,就是以较低价格提供中等水平通信质量的系统。同样VTEL公司推出的WG500就是以奔腾计算机和SmartTV软件、Modem为基础,提供128kb/s或384kb/s数据速率,适用于LAN、Internet网的工作组型视频会议系统。甚至PC机厂商和软件商为了适应多媒体通信的要求,通过在PC机上附加视频处理、音频处理和网络接口模块,配置相应的应用软件,使普通的PC机升级为具有多媒体处理功能的通信终端。如PictureTel的Live50、Live100和Live200以及Microsoft的NetMeeting等。
2)基于媒体处理器技术
基于PC的方式必须要有计算机支持,而且在使用时要占据CPU的绝大部分处理能力。因此,在有些应用中不适合采用这种方式。于是发明了基于媒体处理器技术的独立机型的会议电视终端。目前在会议电视系统中,常见的媒体处理器主要有:Philip公司的TriMedia系列、美国ESS公司的LVP、Chromatic公司的Mpact、LUCnet公司的AV4400等。此外,还有ADI公司的ADSP2106X器件、TI公司的C6X、C8X多媒体DSP芯片,其高速的运算能力完全可以实现适合不同协议的会议电视通信终端。采用这些芯片可以很方便地实现MPEG视频和音频处理、H.263视频处理,还可以实现其它的多媒体应用如DVD、数字机顶盒、数字电视等。
3)基于专用芯片组技术
采用专用的视频、语音编解码芯片组也可实现会议电视终端。如采用台湾Winbond公司的多协议视频编解码芯片W9960F、图像控制器W9971和核心处理器W90210可组成符合H.324标准的可视电话系统,其产品已在市场上推出。采用Harris Semicon公司的视频处理芯片HMP8112/8156、系统压缩与解压缩芯片HMP8364、G.723语音处理器HMP8201可组成符合H.320标准的会议电视系统。
3 会议电视系统的要害技术
会议电视技术实际上不是一个完全崭新的技术,也不是一个界限十分明确的技术领域,是随着现有通信技术、计算机技术、芯片技术、信息处理技术的发展而发展起来的。假如没有这些技术的发展,多媒体通信、会议电视、可视电话等都只能停留在理论研究上。更谈不上会议电视实用系统。会议电视系统的要害技术可以概括为以下几个方面。
1)多媒体信息处理技术
多媒体信息处理技术是会议电视十分要害的技术,主要是针对各种媒体信息进行压缩和处理。可以这样说,会议电视的发展过程也反映出信息处理技术非凡是视频压缩技术的发展历程。非凡是早期的会议电视产品,各厂商都以编解码算法作为竞争的法宝。目前,编解码算法从早期的、经典的熵编码、变换编码、混合编码等发展到新一代的模型基编码、分形编码、神经网络编码等。另外,还不断地将图形图像识别、理解技术、计算机视觉等内容引入到压缩编码算法中。这些新的理论、算法不断推进多媒体信息处理技术的发展,进而推动着会议电视技术的发展。非凡是在网络带宽不富裕的条件下,多媒体信息压缩技术已成为会议电视最要害的问题之一。
2)宽带网络技术
影响会议电视发展的另外一个非常重要的因素就是网络带宽问题。多媒体信息的特点就是数据量大,即使通过上述压缩技术,要想获得高质量的视频图像,仍然需要较宽的带宽。如384Kbps的ISDN提供会议中的头肩图像是可以接受的,但不足以提供电视质量的视频。要达到广播级的视频传输质量,带宽至少应该在1.5Mb/s以上。作为一种新的通信网络,B-ISDN网的ATM带宽非常适合于多媒体数据的传输,它可以把不同种类的多种业务集中起来,在同一网络上既能传输VBR数据,又能传输CBR视频。过去,ATM由于成熟度不足且交换设备价格昂贵难以推广应用。经过这些年的大量工作,ITU-T和ATM论坛已经完善了许多标准,各大通信公司生产、安装了大量的ATM设备,同时,ATM接入网也逐步扩充,越来越多的应用已经在2Mb/s的速率上运行。
另外,还要解决目前通信中的接入问题,它一直是多媒体信息到用户端的“瓶颈”。全光网、无源光网络(PON)、光纤到户(FTTH)被公认为理想的接入网。但目前就全世界来说,仍还处于一个“过渡”时期,即使在日本,要实现FTTH的目标,也要到2010年之后,因此,目前的xDSL技术、混合光纤同轴(HFC)、交互式数字视频系统(SDV)仍然是当前高速多媒体接入网络的发展方向。
正在迅速发展的IP网络,由于它是面向非连接的网络,因而对传输实时的多媒体信息而言是不适合的,但TCP/IP协议对多媒体数据的传输并没有根本性的限制。目前世界各个主要的标准化组织、产业联盟、各大公司都在对IP网络上的传输协议进行改进,并已初步取得成效,如RTP/RTCP、RSVP、IPv6等协议,为在IP网上大力发展诸如会议电视之类的多媒体业务打下了良好的基础。据猜测,在不远的将来,IP网上的会议电视业务将会大大超过电路交换网上的会议电视业务。
3)分布式处理技术
电视会议不单是点对点通信,更主要的是一点对多点、多点对多点的实时同步通信。会议电视系统要求不同媒体、不同位置的终端的收发同步协调,MCU有效地统一控制,使与会终端数据共享,共享工作对象、工作结果、数据资料,有效协调各种媒体的同步,使系统更具有接近我们人类的信息交流和处理方式。实际上通信、合作、协调正是分布式处理的要求,也是交互式多媒体协同工作系统(CSCW)的基本内涵。在这个意义上说,会议电视系统是CSCW主要的群件系统之一。
4)芯片技术
会议电视系统对终端设备的要求较高。要求接收来自于摄像机的视频输入、麦克风的音频输入、共享白板的数据输入,接收来自于网络的信息流数据,同时进行视频编解码、音频编解码、数据处理等,并将各种媒体信息复用成信息流之后传输到其它终端。在此过程中要求能与用户进行友好的交流,实行同步控制。目前,会议电视终端有基于PC机的软件编解码解决方案、基于媒体处理器的解决方案和基于专用芯片组(ASIC)的解决方案三种。不管采用何种方案,高性能的芯片是实现这些会议电视方案所必须的基础。
4 国际标准
与会议电视技术有关的标准为会议电视、多媒体通信的实现提供了十分灵活的组网方式,使厂商把发展的重点放在提高产品质量和服务质量上来,规范了多媒体通信产业的发展。
在这些不同类型的会议电视系统中,H.321和H.322实质上是将H.320系统的码流分别重新组装为ATM网和LAN可接收的码流,起着一种网间适配的作用,本质上仍然是H.320系统。因此,在现有的通信网上传输多媒体视听信息的主要有H.320(基于ISDN)、H.324(基于PSTN)、H.310(基于ATM)和H.323(基于LAN)四类系统。
5 IP网上的H.323会议电视
由于现代通信正在由以电路交换为主的方式逐步向以分组交换的IP方式转变,因此作为IP网上的多媒体通信应用协议H.323对会议电视技术现在和将来的发展有着举足轻重的作用。H.323标准是ITU-T在1996年制定的,称为“不保证服务质量的局域网上的多媒体视听系统”,并在1998年扩展为“基于分组的多媒体通信系统”,即ITU-T H.323 V2,该建议采用实时协议(RTP)来解决发送数据包的时序问题,采用资源预留协议(RSVP)解决多个用户分享带宽时超载的问题。ITU-T明确表示在今后若干年内,多媒体通信终端将定位于运行在IP网上的H.323 V2终端。有关H.323建议及其从属建议的更新版本和新增附加项正在制定当中。如H.323 V3于1999年5月颁布,H.323 V4的草案目前也由ITU-T第16研究组提出。H.323是一个十分繁杂的建议族,这里只能以H.323 V2为例简要介绍一下它的基本内容。
1)终端的协议结构
H.323 V2标准的分层结构主要包括:H.225.0标准的分组和同步,H.261和H.263标准的视频编解码,G.711、G.722、G.728、G.723等标准的音频编解码,以及有关通信控制协议H.245等。
H.323 V2规定了基于IP 网络的视、音频信息、数据及控制信令的传输。其中信令和控制信息通过TCP包进行可靠传输;由于视频、音频的数据量大,而且还有实时性要求,网络和终端都不能承受大量的重传,所以采用UDP传输协议。
RTP在UDP的上层,从上层接收多媒体信息码流(如G.723音频),组装成RTP数据包,然后发送给下层UDP,相当于OSI的会话层,提供同步和排序服务。故RTP协议适于传送连续性强的数据,如视频、音频等,并对网络引起的时延差错有一定的自适应能力。RTCP为实时控制协议,用于治理传输质量和提供QoS信息。其上一层为应用层,主要有音频(G.7XX)、视频(H.26X)、数据(T.120)等。
在H.323 V2系统中,RTP协议的主要作用如下:
(1)在多媒体数据的帧头加上定时标志,对于视听业务,丢失几个包,不会使质量下降很多,而时延和抖动却严重影响QoS。尽管数据包有0.25秒的时延,但依靠定时标志可使在接收端的数据包的定时关系得以恢复,从而降低了网络引起的时延和抖动。
(2)提供包内数据类型的标志,说明媒体信息采用的编码方式。例如对视频信息流是采用H.261还是H.263建议。
(3)具有排序服务,包序号可用来在接收端建立正确的包顺序。
2)多点控制器
多点控制器为基于IP 的电视会议系统提供多点会议的服务,如多点会议的治理、定义、安排和控制,信道的建立和控制;声音和图像的混合、切换和模式选择等。与基于ISDN的会议系统相比,它显著地降低了会议系统的成本,另外由于网络的灵活性,组织会议和参与会议都更加方便。
3)服务质量
IP网络中引入实时视频通信后,网络服务一方面要保证视频通信质量,另一方面还要保证原有的数据通信不受影响。H.323网关的带宽控制和治理功能保证了视频通道只能占用所有网络带宽的一个给定部分,因而不会冲击其它重要数据通信。为了提高网络的服务质量,必须对带宽进行有效治理。现在主要有两种常见的带宽治理策略:
(1)预留资源治理
RSVP技术对于在Internet有限的带宽上传送视频和音频以及其它实时多媒体信息非常重要。由于路由器组成的网络时延和时延抖动很大,使服务质量得不到保证。而RSVP技术,要求通信双方在建立传输信息之前预留足够的带宽,服务质量会得到较好的保证。目前RSVP的资源预留功能已在一些厂商的路由器和应用程序中实现。同时,IETF又公布了IPv6,进一步扩展了IP地址空间,具有动态分配网络地址和支持实时业务功能,增加IP层的安全机制,更加适用于实时会议电视等实时通信业务。然而,在实际应用中,RSVP也还存在一些不足之处:如每一个路由器都需要处理有关的包开销,这对于持续时间较短的码流很不实际。每一个路由器都需要保留很多预留的状态信息,中心路由器要处理的信息很多。路由转换时,在新的路由建立期间,服务质量不能得到保证等。
(2)业务优先级治理
针对RSVP存在的一些问题,对网络流量进行分类,根据带宽资源治理策略进行资源分配,对于要求高的业务分配较高的优先级。
6 会议电视的发展趋势
会议电视作为交互式多媒体通信的先驱,已经有20多年的历史,顺应三网合一的发展趋势,势必要进入一个新的发展阶段。主要原因是:第一、交互式多媒体通信所依附的传输网络基础,由电路交换式的ISDN和专线网络向分组交换式的IP网络过渡。第二、其针对的市场目标将由大型公司、政府机构的会议室向小型化的工作组会议室、个人化的桌面延伸,最终发展到家庭。第三、功能已由原先单纯的电视会议功能发展成远程教学系统、远程监控系统、远程医疗系统等多方面的综合业务。尽管在此转型期间会议电视发展的势头强劲,但就目前这一阶段而言,会议电视的发展仍不会以一种形式取代另一种形式,而是同时存在着多种解决方案。
1)ISDN会议电视仍然大有作为
ISDN技术已有20多年的发展历史,但在相当长的时期内,由于缺乏明确的业务需求而发展缓慢。90年代,随着Internet的兴起,使ISDN第一次真正找到了用武之地,并以较快的速度发展着。因此ISDN仍然是目前最基本的可用于公众会议电视的网络,只要有PSTN网络,就可以很简单地转化为ISDN网络,并且可方便地拨号与联网的任何地区建立确定速率的会议。其它网络目前还难以做到这一点。对于ISDN会议电视业务来说,前期用户主要是企业用户,企业举行垮地区会议才能充分体现远程会议电视工作的价值。会议电视业务带来的办事和决策效率的提高,为企业用户所带来的巨大效益也已被众多的企业和电信运营部门所熟悉。ISDN会议电视业务的开展可以采用多种方式进行。
初期的会议电视系统,通常是由电信部门提供MCU和终端设备,建立对外营业的会议电视网络,企业用户可租用电信部门提供的远程会议室和MCU,这种模式对企业来说无需购买任何设备,但不足之处也非常明显,就是企业要到电信局开会。
现在,一些大企业自己购买MCU和终端,建立完全属于自己的会议电视系统。这种会议的治理由企业自己负责。当然,这种方式投资较大,一般企业难以承受。
由电信部门购买MCU,由企业自己购买终端,类似于ISP运营方式的电视会议,是另一种更轻易得到用户认可的运营方式。用户自己通过Web方式预订会议,自己设置会议密码和指定与会终端的ISDN号码,分会场依其用户权限自己组织会议。随着商务会议电视的应用,以组建整套会议电视系统经营商务电视会议的中间机构模式也正在形成。
2)ATM会议电视难以发展
从窄带综合业务数据网基础发展起来的B-ISDN网,最主要的目标是适应多媒体传输业务。其高达155.2Mb/s的信息传输速率为会议电视提供了非常理想的通道。通过B-ISDN,人们可以得到高清楚度的图像信号、高保真度的数字化立体声信号、高清楚度电视、VOD等。实际上,ITU-T的H.321标准和H.310标准正是针对ATM网络结构的会议电视标准和规范。ATM以快速分组交换和统计时分复用的方式进行信息传输,具有很多优点,但是由于其技术复杂、设备昂贵,加上ATM的各项标准制定迟缓,未能得到大规模的应用。ATM正在由原来设想的端对端的业务平台逐渐成为一种支持多种应用的传送平台。因此基于ATM的会议电视目前尚难起步,今后也很难得到大力发展。
3)IP会议电视将成为主流
从网络技术的发展趋势来看,Internet正在向多媒体网络发展,在Internet上实现会议电视是目前研究和开发的热点之一。但是,Internet原来是用于计算机互联和数据通信的网络,使用TCP/IP协议,就其目前广泛使用的IPv4协议路由器来说,存在无法控制带宽、端对端时延、QoS得不到保证等问题。难以满足多媒体通信业务的发展。但随着ATM技术、IP交换技术、千兆以太网技术在网络层都可以统一到IP上,因此基于IP的会议电视将成为实时多媒体通信最为理想的方向,是会议电视发展的主流。国外公司致力于开发Internet网的实时视频、音频会议电视系统,并取得了很好的效果。如PictureTel公司和Concentric网络公司联合提供一种基于IP协议的会议电视方案,新加坡Wearnes公司的Media-Phone系统、VCON公司的Media Connect全功能电视会议系统等,可运行于企业网Intranet和Internet上。
可以肯定,随着IP的日益普及,随着IP性能的逐步改善,性能良好、使用方便、价格便宜的IP会议电视系统将会得到广泛应用。
7 会议电视的应用
会议电视的应用已从单纯的电视会议向综合业务发展,从单一的电信领域向其它领域渗透,从机构会议室型向个人桌面型、家庭型发展和延伸。非凡是基于IP的H.323系统的推广应用,更加剧了会议电视应用领域的转变和扩张。对于多种多样的会议电视应用,可归纳为以下几个主要方面。
1)视频会议
视频会议一直是会议电视的主要应用领域。而且由于Internet/Intranet视频会议系统在系统结构和功能实现上更加方便,传输费用大大降低。通过多播技术和实时传输协议,可以降低网络的负担同时提高服务的质量。因此,低成本、高效率的网络电视系统的应用前景将是十分可观的。
2)远程教育系统
远程教育系统近几年在国内的应用发展速度很快。远程教育系统不受地域、时间的限制,使教育和专业培训面向个人成为可能。通过远程教育系统,更多的学生能有更多的机会接受教育。
3)远程监控系统
现有的大多数监控系统是一种专用系统,只有在监控室才能观看。假如采用基于ISDN、LAN、IP的视频监控系统,则不论你在任何地方,只要能上网,通过认证和鉴权都可以查看结果。这样可以降低雇佣大量的安全人员在不同地点巡视的成本,同时更加高效、安全。
4)远程医疗系统
远程医疗系统能答应医疗专家与病人进行远程咨询,并能使病人无论身在何处,都能获得有效的、经济的医疗服务。同时,处于异地的远程医疗终端也可共享大医院的高级医疗设备、共享宝贵的专家资源,为更多的病人提供服务。国内正在兴建的“金卫”工程就是包涵了几百个终端的远程医疗系统。
5)其他应用
如视频点播业务、远程购物、电子商务等都是会议电视技术可以拓宽或延伸的业务,其原理也基本类似,只是它们的交互方式和对上下行的带宽要求有所不同。可以相信,随着网络技术的发展,当IPV6广泛使用和视频到桌面、到家庭后,这些应用将会把会议电视的应用推向一个新的广度和深度。
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