高清视频通信的技术要求和发展现状分析样本.doc

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深度观察--高清视频通信的技术要求和发展现状分析
工业与信息化部电信研究院 中国泰尔实验室 刘晓红
近年来, 越来越多的视频会议产品厂商推出高清产品和解决方案, 技术的进步和价格的走低使高清化视频会议系统应用得到广泛应用成为可能, 高清产品进一步的迅速普及, 高清市场正在逐渐成熟并得到认可。
高清视频会议的出现是应运而生的。在诸多阻碍传统视频会议行业发展的因素中, 低等级的视频质量、 特别是视频的清晰度不佳使得沟通效果大打折扣, 是用户抱怨的首要因素。随着网络带宽的进一步扩展, 编解码技术的突破和处理器运算能力的提升, 特别是H.264编码协议的普及, 使得以更少的带宽传送更高质量图像成为可能, 高清视频会议系统得以迅速发展。
下面我们从高清视频的概念、 标准、 技术要求和特点等层面阐释什么是高清晰视频会议系统, 并深入分析现有主流高清视频会议系统的状况以及高清视频会议的发展趋势。
一．高清视频的概念
”高清视频”(High Definition Television Video)的概念是从专业广电行业发展起来, 美国电影电视工程师协会(SMPTE)制定的最高等级的高清数字电视的格式为: 1920 ×1080。实际上, 高清晰数字电视(HDTV)领域规定的视频解析度主要有三种格式, 即720P、 1080I、 1080P (其中”P”为逐行扫描方式, ”I”为隔行扫描方式), 屏幕纵横比为16:9, 符合以上条件才能称之为高清视频, 同时要求能兼容接收其它较低格式的信号。
　　传统视频会议等多媒体视频应用中, 常见视频分辨率为有CIF( 352*288) 和4CIF( 704*576) 等, 因此4CIF为标清视频会议的最高图像标准。 之前, 产品只能达到4CIF格式。之后, 出现支持高清视频( 1280x720像素)的会议电视设备, 并逐步从普通高清(720p)到全高清(1080p)。
　　用来承载高清信号的视频接口必须是以下接口之一: YPbPr接口YCbCr接口( 色差分量接口) 、 HD-SDI接口、 HDMI接口( 高清晰度多媒体接口) 、 DVI接口 , 其中后三个接口传输的是无压缩转换的数字信号。性能最好的高清接口是HD-SDI接口, 广泛应用于广电行业标准, 而视频会议中多使用HDMI和DVI高清接口。
 二、 高清视频系统的特征
　　不同于标清视频会议系统的简单结构, 高清视频会议系统需要一个整体的高清解决方案作为支持。也就是说, 高清系统远不止是简单地提高视频分辨率, 而是能显著提高整体用户体验, 包括语音质量、 视频质量和内容共享的能力等; 同样, 高清也不是指一款产品, 而是一个系统, 包括高清视／音频信号采集设备、 核心终端本身、 网络传输、 以及显示、 麦克等外围设备等四个要素。
当前, 市面上各家厂商标榜的高清标准让用户眼花缭乱, 价格也千差万别, 纵观中国视频会议系统市场, 在上百家厂商中, 能实现高清视频会议的厂商不算很多, 而真正高清系统的性能应达到以下基本要求:
1. 高清视／音频信号采集设备
是保证视频信号高清、 音频信号高保真的基础, 外加输入视频源也必须是高清播放的。高清摄像头需要支持至少720p分辨率, 摄像机和高清视频会议终端往往经过HD-SDI接口连接。   
2. 核心终端本身
  对于标清视频会议, 一般所使用的视频压缩标准为H.261、 H.263/H.263+/H.263++、 H.264、 MPEG-4等, 用于处理CIF或 4CIF视频。而对于高清视频会议, 需支持H.264这一主流标准, 这是最适合高清应用的编解码算法之一。某些增强的H.264技术还包括交互视频的差错隐消算法, 即便在网络负担过重、 不稳定或者出错率高的情况下, 都能够保证操作自如, 并提供更高品质的视觉享受。
在高清视频通信中, 不能忽略的是, 用户同时期待更清晰、 连续的音频效果。对于传统标清视频会议, 一般采用G.711、 Ｇ.722、 Ｇ.722.1、 Ｇ.728等音频编解码标准, 音频宽度仅有50Hz～7kHz单声道。而到了高清视频会议时代, 系统能提供的音频频响范围达到22kHz, 支持双声道立体声回放, 带来了高保真的听觉享受。一般应支持支持AAC-LC 、 AAC-LD等编解码算法。　
高清晰数据应用应采用H.239双流技术, 实现辅助视频流或数据( 如ppt、 设计图、 流程图、 地图或者照片等) 传送是高清通讯中不可或缺的应用。
许多终端设备内置了MCU功能, 此时必须支持高清( 至少720p) 并保持30帧/秒, 才能使多点视频通话达到点对点的通话效果。　
3. 一定的传输带宽
为实现高质量的视频会议, 一定的传输带宽是保证高清音视频包传输的必要条件, 当前能达到很好的高清传输带宽一般在1Mbps以上。网络QoS也是必须的, 它能够保证视频会议进行期间稳定的效果。
4. 高清显示等外围设备
    清视频显示器( 液晶、 等离子或投影仪) 必须支持最低为720p的水平分辨率。配有支持高清信号的接口, 例如DVI-I数字接口或者分量输入接口YPbPr。事实上, 对于显示分辨率来讲, 有可支持分辨率和物理分辨率之分。可支持分辨率是指电视内部图像驱动芯片能够驱动的图像分辨力; 而物理分辨率, 是能够看得到的实物指标。高清显示分辨率主要是看物理分辨率。   
综上所述, 高清摄像头、 高清编解码设备、 高清显示等设备以及一定的网络条件组成了高清系统, 只有高清的架构才能从根本上提升了系统整体的通信质量和互操作性。
　三．高清视频通信的现状
　　从 初高清产品登陆中国到现在, 三年多的时间里, 高清视频会议在中国市场普及速度之快令人始料不及。不论是由于技术推动力, 还是因为视频厂商急于摆脱传统视频市场的激烈竞争, 许多大型厂商都已先后推出了自己的高清解决方案, 围绕高清的概念的新一轮市场争夺就此展开。由此, 高清产品从小露峥嵘、 逐渐成长, 到现在的全面开花, 形成一股热潮的同时也深入人心, 高清通信已经成为了中国企业用户的首要选择, 整个行业正在逐步走向成熟, 高清进标清退已是必然。
在这里, 需要深入探讨一下不同高清产品的性能特点、 在视音频质量上的差异、 不同高清产品间的互通性以及高清和标清系统兼容性。
当前, 一流的高清产品都能够提供高清级别的视频质量, 在1M的带宽条件下传送720p以上分辨率、 25fps帧率的视频、 采用22kHz宽频语音技术、 实现基于H.239的双流传输的综合多媒体应用; 支持加密; 具有内置多点功能, 且支持多画面显示高清分辨率; 可与标清系统互通; 有丰富的输入输出接口。
需要注意的是:
1. 关于视频性能
主流产品中, 有的在1Mbps以上带宽下能够达到720p 的分辨率, 并在此带宽下保证30 fps的帧率。有的在384kbps以上带宽下就能够达到720p 的分辨率, 但视频帧率较低。
许多产品在图像质量上允许设置清晰度( sharpness) 优先方式或运动性( motion) 优先方式, 在较低带宽下(< 1Mbps)不同的优先级设置会影响呼叫质量感受。
例如, 当设置为sharpness优先时, 某些系统在 384 and 768 kbps使用高清分辨率是以牺牲帧率为代价的( 例如: 帧率仅为8 – 10 fps) , 因此, 建议此时设置系统为运动( motion) 优先方式以保证连续的视频感受。但有的产品在以上低速率下可使用4SIF( 4CIF) 且达到 25 – 30 fps的帧率, 相对于以牺牲帧率为代价保证高清的方案来讲, 这一点大大的提升了用户感知的视频质量。
某些系统能够在任意呼叫速率下总是优先提供连续的视频感受。在一定的呼叫带宽下( 例如 1152 kbps时) 若设置为清晰度优先, 则强制系统使用HD720p分辨率, 在更高分辨率( 如1920 kbps) 时, 系统使用HD720p, 同时也保证帧频的连续性。
某些系统高清性能受限, 例如, 在高清(1280x720)分辨率下, 视频编解码能力受限, 其解码帧率只能最多10fps左右。显然, 在低速运动的图像下, 解码质量尚可接受, 但对于高速运动图像时, 其质量不能接受。
严格来讲, 只有支持1280x720或更高分辨率, 同时达到一定的视频帧率( 例如25 fps以上) 时, 才能称为具有720p或更高分辨率能力。
2. 某些产品麦克风输入信号不支持立体声。
3. H.239 应用
在应用H.239双流时, 有的高清设备会留出部分呼叫带宽给H.239数据信道, 即H.239数据信道带宽固定; 有的产品可动态调整239信道的比特率, 实际使用的H.239比特率取决于图像中运动的程度; 另外, 激活239可能会引起主流的视频发送分辨率下降。
4. 某些终端内置的MCU模块不能支持多画面显示高清分辨率
5. 某些产品存在高清输出接口输出信号不一致的问题, 即在未发起呼叫时, 高清视频输出接口能够高清分辨率输出视频, 但一旦建立点对点时, 其输出取决于远端来话视频分辨率。换句话说, 如果远端来话视频为标清信号, 则只能以标清输出。这在多点通信时可能会带来一些问题。
6. 与显示器的兼容
某些系统和显示器件不兼容, 例如, 只有某些显示器才可完全显示系统提供的高清信号。这与设备输出信号允差和显示器允差有关。
7. 不同高清产品间的互通性以及高清和标清系统兼容性
若某个( 厂家的) 产品高清能力受限, 与另一个具有高清能力的系统互通时会出现在低帧率下发送高清分辨率视频或者以高帧率发送较低的分辨率的情况, 或者具有高清能力的产品最高只能发送标清的视频。
在384 and 768 kbps等较低呼叫带宽下,, 由于各家对分辨率和帧频协调的策略不同, 导致双方看到的图像效果不对称。
某些不同高清产品间只能以窄带语音通信。
以上呈现出的问题, 有些其实并不是高清阶段才出现的。我们相信, 高清视频会议应用的好处是毋庸置疑的, 随着技术的逐步成熟, 高清产品会日臻完善。
( 四) 高清视频通信的发展前景
清晰流畅的画面质量、 同步宽频音效和低延时使与会者获得与传统视频会议完全不同的体验和享受。高清晰视频会议改变的不但仅是视频会议的视觉效果, 更会对整个视频会议行业的发展起到重要的催化作用。从高清视频会议诞生的那一刻起, 所有的视频会议厂商面临的竞争加剧, 市场也面临重新洗牌, 视频会议终会全面进入高清时代, 高清将逐渐替代传统视频会议市场。 从这一场技术和实力的竞争中, 不同定位的产品也能够给用户更多的选择。
高清产品形成初期, 存在着高清系统总体采购成本过高, 特别是配套产品价格高的问题。随着市场竞争的加剧和走向普及, 当前, 高清视频会议终端的价格趋势在走低, 逐步被用户所接受。特别是高清与标清产品以及周边产品的兼容性, 使高清和标清用户、 桌面视频用户能够在一个会场上, 降低端口开销等方式, 大大降低高清视频会议的整体应用成本, 保护用户原有投资的同时, 有条件的用户充分享受高清视频带来的愉悦体验, 从投资中获得最大价值和享受。
高清显示设备价格的下降和IP网络应用的推广, 高清会议将会成为最大的业务增长点。用户对视频会议有了更多的期望, 远程教育、 远程医疗、 实况转播等应用领域都需要更高清的画质和逼真的声音。随着3G时代的到来, 高清也将逐渐从有线网络拓展到无线多方通讯以及统一通信领域。

7月10日