高清晰会议电视系统的工程设计方法探究.docx
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高清晰会议电视系统的工程设计方法探究
重庆大学硕士学位论文中文摘要
摘要
会议电视作为一种新的通信形式和应用，经历了十几年的发展。
会议电视系统主要基于电视技术、图像编码技术和网络通信技术，通常采用的技术标准包括H．261、H．263、H．320、H．323、H．243和T．120等。
随着MPEG标准的图像编码技术的应用和网络基础设施的不断完善，建设高清晰会议电视系统的条件已经成熟。
本文在这种工程技术和应用需求背景下，全面阐述了高清晰会议电视系统工程设计中的相关国际标准及关键技术，给出了高清晰会议电视系统的工程设计思路、系统实现过程，提出并讨论了设计和实现过程中的相关工程技术问题。
作为会议电视系统设计的理论基础，本文首先在简要介绍会议电视的发展现状的基础上，详细分析了H．261、H．263、H．320、H．323、H．243和T．120等框架协议。
作为工程设计的参照，本文给出了几种典型高清晰会议电视系统的设计和实现过程。
作为主要研究内容，本文对高清晰会议电视系统的组网、实现、运营、维护等工程问题进行分析讨论，归纳提出了一套可行的高清晰会议电视系统工程设计
方法。
关键词：
会议电视，高清晰度，MPEG-2，MCU，反向复用
重庆大学硕士学位论文英文摘要
ABSTRACT
111evidcoconferencing,asane!
、]t'telecommunicationproducthasdevelopedfortensofyears．VideoconfercncingsystemisbasedontheTVtechnology,andcodet∞hnologyandnetcommunicationtechnologydevelopment,andthestandardusually
adoptincludes：
H．261、H．263、H．320、H．323、H．243andT．120．Widlthe
implementationofcodetechnologyofMPEGstandardandtheimprovementofbasicfacilitiesfornetwork,andnowitissuitableforustodevelopthehigh-definitionvideoconferencingsystem．111isarticle,byintroducingthehi曲-definitionvidcoconfcrcncing’sdesignprocessandapplicationprocess,thisarticleleadsadiscussiontothemainproblemsthatWeoj隈mmeetduringtheapplicationandG'llreo
Asthevideoconferencingsystem’stheoryfoundation,thisarticlefirstanalysesthecm'rentdevelopmentofvideoconferencing．IntroducedtheH．261，H．263，H320，H323、H243＆T120．And嬲themainstudyobject．thisarticleanalysisthecombine、applicationandthecareworkofthehigh-definitionvideoconferencingsystemand砒lastgiveoutanavailableconstructiondesigningwayofit．
Keywords：
Vidcoconferencc,High-Definition,MPEG-2，MCU,Inversemuitiplex
Ⅱ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
俘耱舒签字日期：
勿叮年朋矿日学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
保密（），在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密（＼／）。
（请只在上述一个括号内打“4”）
学位论文作者签名：
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签字日期：
御年朋毋日签字日期：
噼r月谚日
重庆大学硕士学位论文1绪论
1绪论
在人类社会里，人们离不开信息的传递。
人类相互之间以及人类与外界环境之间传递或交换信息的过程就是通信。
虽然所传递的信息有语声、音乐、文字、图片、符号、数据及气味等多种形式，但可以将它们归纳为语音、图像和数据三种主要形式。
电话通信是目前使用最为广泛的一种形式，它是通过听觉获取语音、音乐等信息的一种通信形式。
图像通信是通过视觉获取图片、文字，符号等图像信息的另一种通信方式。
在通信的发送端，将图像信息变成电信号，在接收端再把它重现为视觉可获取的图像信息。
由于人们获取的信息中图像信息占所有信息的60e以上，而且图像信息具有直观性强，信息丰富的特点，所以图像通信在通信中占有重要的地位，并且在70年代以后有了迅速的发展。
图像通信按照图像内容的变化性质可以分为活动图像和静止图像两类。
按照业务性质可分为电视广播、传真、可视图文，可视电话、会议电视，图文电视、电缆电视等等。
近些年会议电视作为一种重要的通信方式，在我国有了较大的发展，并显示了突出的优越性。
会议电视就是利用电视技术和设备通过传输信道在两地或多个地点开会的一种通信手段。
早期的会议电视信号采用模拟信号，即由摄像机直接摄取人物或实物，经过模拟信道进行传输，所占的带宽是6MHz，犹如广播电视节日一样，缺点是运营成本高，因此未能得到广泛推广和应用。
80年代以来，随着数字传输，编解码技术的不断发展，会议电视的传输标准也随之完善。
经过多年的努力，1990年11
月，国际电联（rru）通过了有关图像编码的H．261建议以及与它相互支持的H．200系列建议，该系列建议解决了H．120及H．130等建议带来的TV制式和PCM标准不兼容的问题，各国会议电视的实用化提供了可靠的依据，使得各厂家的电视会议设备相互兼容有了一定的标准依据。
这样使各国会议电视业务在1990年
以后得到了迅猛的发展和应用。
经过了十几年的发展历程，随着技术的不断进步，会议电视的技术手段也逐步完善。
21世纪令人瞩目的是视频技术的发展，人类对技术发展的追求是无限的，传统会议电视系统暴露的矛盾与问题推动会议电视产品的更新换代。
人们对视频音频质量的要求越来越高，已不能满足传统会议电视系统的效果，在光纤技术的飞速发展和传输带宽的不断增加，传输费用的不断降低等多方面综合力量的促进下，图像通信的瓶颈被打开，高清晰度会议电视系统使用变为现实。
传输问题与图像编码技术的解决使会议电视技术的发展又有了新的飞跃，高清晰会议电视系统在这样的条件下应运而生。
重庆大学硕士学位论文1绪论
1．1课题背景
随着人们生活节奏的不断加快，会议电视的通信手段已成为人们生活中不可缺少的一部分。
通过开电视会议达到节省时间，提高办公效率，降低成本是大家公认的非常好的方法。
会议电视从20世纪70年代发展至今，经历了模拟传输阶段，数字编码与传输阶段。
90年代开始大规模应用，它为提高工作效率，实现远程的面对面交流，保证团队的协同工作立下了汗马功劳。
但是由于传统会议电视系统网络传输速率较低，图像分辨率较差，难以满足人们不断增长的需求，在这种推动力下迫使传统会议电视系统急待更新，技术的不断进步给这种需求创造了条件。
目前高清晰会议电视系统的技术问题己得到全面解决。
1．2会议电视发展现状
今天，会议电视已经不再是一种高不可攀的系统，而是一种现实与便捷的通信手段。
会议电视集合了图像，语音、数据的传输，让客户足不出户即可亲临世界任何角落，使距离缩短，使世界变小。
随着网络技术的飞速发展，电信运营商首先为我们提供了会议电视业务。
我国在会议电视的应用上起步并不晚，1993年原邮电部电信总局使用美国CLI公司的产品建立了国家会议电视骨干网，一期工程覆盖全国3l省、市、自治区、直辖市。
95年4月原邮电部开始筹建骨干网二期工程，使国家会议电视网变成由二级MCU（多点控制器）组成的大型会议电视网，并向公众全面推广会议电视业务，对
会议电视在我国的发展起到了重要的作用。
信息化社会的不断进步，会议电视已成为当前通信领域发展最快的通信方式之一。
不仅全国的电视电话会议由开始的一年几次发展到一年几百次，而且专用的会议电视系统像雨后春笋般的崛起。
同时会议电视的应用领域也不断扩大，不再局限于简单的会议，而成为远程教学、远程医疗、远程招聘、远程监控等多种应用形式的通信手段。
会议电视从90"代初进入大规模应用以来，发展很快，组网从IsDN／专线发展到口，会议电视终端体积从庞大发展到一体化、小型化，在20世纪的最后几年，MCU又逐步向运营化发展。
应该说传统的数字会议电视发展10余年来，进步非常大。
但是多年来会议电视系统的发展众多的应用主要是基于20世纪末H．320框架协议的会议电视系统之上，图像和语音处理技术在会议电视中的应用相对滞后，在H．320框架制定之初，就将H．261／H．263定义为图像编解码算法，G．7ll／G．722／G．728定义为语音编解码算法，并且一直没有变化。
各制造商基本也是严格遵循此类算法，导致会议电视业务不断发展应用的同时网络系统却停止在原有的水平之
2
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上。
90年代后期，MPEG技术发展得非常迅猛，已经从系统级设备进入了消费电子的领域，MPEG．2的技术无论在视频方面还是音频方面相对于传统会议电视的编解码技术都已经有了很大的飞跃，高清晰数字电视的概念已经深入人心，越发显得H．261／}I．263和G．7xx的技术落后于时代的发展。
在这种情况下，高清晰会议电视的应用呼之欲出。
1．2．1国内会议电视发展情况
目前国内会议电视系统与技术的发展并不落后于国外技术。
自1990年国际电联通过了H．261编码算法后，会议电视的国际标准逐步完善。
90年代初期，就会议电视的成熟产品而言，主要还是以国外厂家的产品为主。
随着近年来计算机技术的迅猛发展和标准技术的逐步透明，国内对会议电视技术研究的不断进步，目前已与国外厂家的产品达到同等水平。
从应用领域而言，国内会议电视系统网络的规模与应用范围较国外更大。
2003年“非典’’之后，会议电视的应用与网络的发展达到了顶峰。
下面对国内主要的具有典型特点的几个会议电视系统进行简单介绍。
l、全国会议电视骨干网95年建网，系统采用2Mbps传输电路，MCU两级级联组网方式，全国设8
大区，各大区分别设置一台MCU，会议方式多采用主席控制方式。
2、专用电信局会议电视系统专网电信局独立后，建设了全国党政专网会议电视系统。
主用系统采用8Mbps
传输电路，属于高清晰会议电视系统。
系统组网采用点对点方式，通过视音频矩阵完成系统各点之间的切换工作，同时配备了网管系统，系统中的视音频矩阵及终端设备均可通过网管系统控制，并且通过网管系统实现数据会议功能；备用系统采用2Mbps传输电路，MCU组网方式，MCU采用级联方式，但MCU全部设在北
京主控制室。
3、联通公司口会议电视系统联通公司会议电视系统是基于职网络的会议电视系统，网络规模可称全球最
大，全网设置57台MCU，通讯速率采用384Kbps，每台MCU可接入240台终端，全网配备30台GK网守，主用服务于公众客户，目前用户终端超过10000户。
4、中国电信高清晰会议电视系统中国电信集团公司于2003年5月开始建设高清晰会议电视系统，系统采用
8Mbps传输电路，全网共23个点，包括中国电信集团公司主会场、北京电信等22个分会场。
系统采用点对点方式组网，通过统一的网管系统实现会议电视的管理功能。
该会议电视系统的管理可采用手动矩阵切换和网管系统管理两种方式，即满足了H．320标准要求的主要会议电视管理功能，在软件系统出现故障时又可以通
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过手动管理会议，不会造成会议的中断。
在主会场采用T．120数据服务器，可以实现多点数据会议功能，包括电子白板、文件共享等。
5、中组部MPEG-2会议电视系统
中组部MPEG-2会议电视网与中国电信高清晰度会议电视网类似，但电路带宽是2Mbps，是目前终端点数最多的MPEG-2会议电视网。
全网包括50套视音频终端，一套网管系统和一套T．120数据会议服务器，控制中心通过64x64矩阵进行视音频
信号的切换，通过统一的监控管理实现会议功能和流程管理，通过T．120数据会议服务器完成数据会议的召开，实现数据传输、数据共享、电子白板和在线聊天等功能。
1．2．2国外会议电视发展情况
国外会议电视的发展比国内略早一些，在九十年代初，会议电视的国际标准得到统一后，会议电视应用得到大规模发展。
由于编码技术与硬件实现等多方面原因，国外的会议电视技术与产品水平高于国内，甚至在九十年代初期国内没有成型的会议电视产品。
随着近些年国内会议电视业务应用的日趋广泛，极大的推动了国内会议电视技术的发展。
目前，国外会议电视技术发展水平与国内基本相同，由于应用的范围与方式不同，有时在产品功能与系统实现方式方面甚至还落后于国内的水平。
在会议电视系统方面，国外情况与国内也有所不同。
国外会议电视应用更注重实用与成本，因此专用会议电视系统较少，基于专线组网的会议电视系统较少，主要是基于ISDN或m网络的会议电视系统。
从网络规模与数量上也低于国内。
在美国由于基础工业水平较高，铜缆质量较高，ISDN网络的情况发展非常好，因此基于ISDN网络的会议电视系统发展很好。
同时，由于文化的不同，384Kbps通信
速率的图像质量与通信费用可以被人们所接受，因此基于ISDN或口网络的会议电
视系统可以满足市场的需要。
随着计算机与互联网技术的发展，推动了H．323协议下的会议电视系统发展，但从目前的实际情况来看，Intemet是不能解决服务质量问题的．口网的服务质量问题长期不解决，会议电视业务就无法开展大规模商用。
在国外对于多点会议实现通常是通过MCU来实现的。
电信运营商提供接入服务，称为triage。
由于是基于ISDN或口网络，因而组网是灵活机动的。
与国内不同
的是一般参与会议的点数和人数均不多。
根据有关部门统计，一般会议多为1—5
方，5__25方的属于中等，大于25方的会议及少，因此通过MCU实现较为方便可行。
由于参会人数少，因此会议室多为办公室或小会议室，所以对会议室环境的要求也就不需要很高。
总之，由于我国的国情与使用会议电视业务的实际情况，导致会议电视系统的应用范围与广泛程度高于国外。
市场需求的不断扩大，极大的推动了技术的进
4
重庆大学硕士学位论文1绪论
步。
因此在近些年来，会议电视系统与网络的发展从某种程度上已经超过了国外水平。
1．3高清晰会议电视系统产品的现状
会议电视发展至今已有三十多年，产品从音，视频编织码技术、传输带宽等方面呈现出多层次发展趋势，满足了不同层次用户的需求，其中的高清晰会议电视发展更是欣欣向荣。
宽带高清晰会议电视在窄带会议电视基础之上发展而来，两套系统在国内外发展呈现出不同的发展势头。
在国外，会议电视还是以窄带为主，像Polycxym、VCON等厂商；宽带高清晰会议电视主要的提供商为VBrick。
FVC公司虽最早推出基于ATM网络的高清晰会议电视，但随着ATM网络被口网络取代，FVC公司的视频会议产品便转向了窄带系统。
泰克公司则应用MPEG-2编解码推出了高清晰会议电视系统，每套会议终端编解码分离，没有传统的MCU设备。
国内较早推出高清晰会议电视产品有南邮天威、凯斯泰尔、博康、中兴通讯和迪威视讯等公司。
产品大都出现在200（0左右。
国内和国外不同，较早的产品都是基于E1接口的，从最初的2Mbiffs传输MPEG--1，到4个E1复用传输MPEG--2。
近两年，因为Ⅲ网络的飞速发展，部分公司又推出基于P网络的高清晰会议电视产
品。
1．4本文研究的目的与意义
本文研究的主要目的是提出高清晰会议电视系统的工程设计方法，为系统设计与建设提供参考依据。
今天，随着光纤技术的不断发展，网络带宽不断增加，而且成本的降低与激烈的市场竞争导致电信运营商的资费大幅度下调，加上会议电视的技术与国际标准的日趋完善，使得会议电视发展瓶颈被打开，高清晰会议电视系统已具备了发展的条件。
而根据目前国内会议电视的网络现状和实际使用的情况，会议电视系统的建设正从一个阶段向另一个阶段发展，经过了十几年的发展，上世纪九十年代建设的网络已不能满足人们使用的需要，许多会议电视系统的结构与设备面临老化与改造。
从功能上讲，由简单的视音频互通发展到视音频通信与数据会议相结合。
从视音频感觉上讲，基于2Mbps传输电路带宽的图像质量也不能满足人们的需要。
为了适应市场发展的要求，建设高带宽的高清晰会议电视系统已成为会议电视系统发展的焦点。
本文是针对会议电视系统建设专业性强，涉及问题多的特点，分析总结会议电视系统中的主要问题，提出了高清晰会议电视系统设计与建设的方法，对于会议电视领域的系统设计、组网、技术问题的解决有重要的意义。
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重庆大学硕士学位论文2高清晰会议电视国际标准及关键技术
2高清晰会议电视国际标准及关键技术
2．1会议电视系统框架协议
在市场和技术的双重作用下，作为产品技术规范标准的产生是很自然的事情。
符合标准即意味着不同厂家、不同型号的设备可以进行通信，就像我们拨打电话时并不要考虑对方用的是什么型号的电话机一样。
这是一项公用通信产品大规模投入使用的前提。
2．1．1H．261
1984年国际电报电话咨询委员会（CCIIT，现在称为国际电信联盟通信标准部Ⅱu-T）的第15研究组成立了一个专家团队，专门研究电视电话的编码问题，所用的电话网络为综合业务数据网络ISDN，当时的目标是推荐一个图像编码标准，其传输速率为m×384kbit／s（千位，秒），m=l、2、3、4、5。
这里384kbit／st藿EISDN中称为Ho通道。
另有基本通道B的速率为64kbit／s，6xB=384kbiVs。
5xHo=30xB=1920kbiVs为窄带ISDN的最高速率。
后来因为384kbiffs速率作为起始点偏高，广泛
性受限制，另外跨度也太大，灵活性受影响，所以改为px64kbit／s，p=1、2、3～．，30。
最后又把p扩展到32，因为32x64kbit／s=2084kbit／s，其中2084=211，基本上等于2MbiVs，实际上已超过了窄带ISDN的最高速率1920kbit／s，最高速率也称通道容量。
经过5年以上的精心研究和努力，终于在1990"年12月完成和批准了国际电报电
话咨询委员会推荐书H．261，即采用px64kbit／s的声像业务的图像编解码，H．261简
称px64。
由于H．261标准是用于电视电话和电视会议应用，所以推荐的图像编码算法必须是实时处理的，并且要求最小的延迟时间，因为图像必须和语音密切配合，否则必须延迟语音时间。
当P取l或2时，速率只能达至fJl28kbit／s，由于速率较低只能传清晰度不太高的图像，所以适合于面对面的电视电话。
当p>6时，速率>384kbit／s，
速率较高，可以传输清晰度尚好的图像，所以适用于电视会议。
H．261建议的视频压缩采用了运动补偿预测和离散余弦变换相结合的混合编码方案，这套编解码方案获得了很好的图像压缩效果，可算是图像编码近40年研究成果的总结。
从此，H．261标准的编码方法就成了其他图像压缩标准的基础，并在此基础上推出了H．263、H．264、MPEG--1、MPEG--2、MPEG--4等系列标准。
2．1．2H．263
由于H．263的视频质量在低码率的情况下仍然难以令人满意，因此盯U—T在H．261的基础上作了一些相当重要的改进，并形成了新的低码率图像编码标准
——二H．263。
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重庆大学硕士学位论文2高清晰会议电视国际标准及关键技术
H．263对于H．261的主要改进有：
（1）运动补偿采用了半像素精度并使用了环形滤波器。
（2）数据流的一些层次结构内容是可选的，使编码器的参数配置达到最优，
以取得更低的码流，并能进行有效的差错掩盖和恢复。
（3）采用了4种可选项以提高执行效率：
无范围限制的运动矢量；基于语义
的算术编码；前向预测；能进行前向和后向预测的PB帧。
（4）H．263支持5种分辨率的图像格式：
QCIF，CIF，SQCIF，4CIF，16CIF。
其中前两种是H．261所支持的格式，SQC巧格式大约只能达至qQOF--半的分辨率，
而4CIF和16CIF图像格式的分辨率分别为CIF的4倍和16倍。
对4CIF和16CIF格式的支持意味着H．263也能实现高比特流的视频编码。
为了保证能在各种信道（特别是无线信道）不同的品质保证Qos需求下进行可靠的通信，H．263编码器又做了许多改进，增加了多个选项，形成了H．263+。
H．263
+的各种改进和增加的选项，使得其编码器能够只用H．26l一半的码率就能获得同H．261相当的解码图像质量。
2．1．3H．320
H．320系列标准是m『-T第15研究组修订并根据WTSCl号决议的程序，制订于1990年，是视频会议的早期协议之一。
主要针对窄带可视电话系统和终端设备。
H．320协议主要满足和适应电路交换的特性，因而被广泛用于VSAT、DDN、ISDN等电路交换网络。
电路交换的特点是面向连接，传输速率和时延稳定，时延小，误码率低，因此视频会议的质量容易得到保证。
其缺点是连接固定，带宽利用率低，开放性差，设置连接不方便。
H．320系列标准中包括H．200系列标准和T．120系列标准。
H．200系列标准主要针对视听业务，具体来说是以传送运动图像为主的通信业务。
T．120系列标准主要针对声像业务，即传送静止图像的通信业务。
2．1．4H．323
1996年rru-T批准了H．323规范。
通过系列协议描述了各类实体设备和各类实体间的通信服务，解决了点对点及多点会议电视中，诸如呼叫与会话控制、多媒体与带宽管理等许多问题。
具体来说，协议主要提供了四类实体描述：
终端、多点控制器、网关、网守，并提供了呼叫模型、呼叫信令过程、控制消息和复用标准等通信服务描述。
H．323系统的主体构件有：
（1）H．323终端，终端提供了在点对点或多点会议中音视频和数据的通信能
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