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高清视讯会议与数字高清应用介绍

  当前,视讯会议的应用已经很成熟,并逐渐由标准清晰度图像(标清)向高清晰度图像过渡,这样在原先在标清应用中的许多经验与用法并不一定适应高清的应用,尤其是高清应用中又存在着模拟高清与数字高清的不同,因此有必要介绍一些高清,尤其是数字高清的应用以及数字信号在实际应用中常遇到的问题。

  一、 高清与标清的区别

  1、所谓标清与高清是由广播电视行业发展中引用过来的,在广播电视行业中,标清的概念是原有的NTSC制、PAL制和SECAM电视信号所能代表的清晰度,从模拟角度衡量时,视频的带宽在5MHZ左右(PAL制和SECAM制),NTSC制的模拟宽带在4MHZ左右。按照带宽与扫描线能分辨的对应关系,每1MHZ带宽能对应80条扫描线左右,所在广电行业也有一种标准,是按扫描线分清晰度,如广播级的摄像设备等,至少要求能达到350线到400线,这是按模拟方式分的,当转入数字视频时,由于广电的标准是8bit.4:2:2,对应每一行正程的信号,用13.5MHZ采样,其有效的像素点可采集到704点左右(52.2μs×13.5MHZ=704.7),因此,按数字视频的分类方式,PAL制与SECAM制的分辨率能达到704×576,而NTSC制的分辨率为704×476,这就和我们一般的IT行业中的分辨率对应上了。因此,对图像信号而言,我们认为704×576(或704×476)隔行扫描是标清的标准。随着电视行业的发展,出现了高清电视,其采用的是按数字的分辨率方式表现,如720p指的是1280×720逐行扫描,1080i指的是1920×1080隔行扫描,1080p指的是1920×1080逐行扫描。当然,对应CRT显示方式,576p(704×576)(或476p)也算是高清,但我们一般不去理会它。

  结论1:电视行业的标清是704×576(或704×476隔行扫描),而高清的标准是720p,1080i和1080p等。

  2、在视频会议应用领域,由于原来的技术发展和网络条件的限制,按通讯行业的标准,只能提供1CIF的图像通道,其对应的分辨率是352×288(704×576的1/4左右),逐行扫描,这种分辨率比较低,也就能达到VCD一级的水平,现在随着压缩技术的发展,网络的建设也提供了高带宽的通讯的基础,因此出现了高清视讯的概念,其标准是至少4CIF。其分辨率能达到704×576,就是电视行业中的标清的标准,但是逐行扫描的,清晰度能达到DVD的标准,这是高清视讯当初的水平,目前的状态是,图像可达到8~9CIF,至少能达到720p的标准,从设备本身而言,能达到1080i和1080p,但在应用中要看网络能提供多少带宽了,当前有些用户,包括工程人员,以为视讯会议的高清是与广电行业的高清一致的,这多少是个误区,以目前看,视讯行业能达到720p就已经不错了,实际上576p就已经算是高清了,因此在与客户沟通中和方案设计时要心中有数,不过所幸的是,目前各种设备的指标都在向1080p靠拢,只要带宽能保障,提高分辨率是可行的。

  结论2:视讯的高清标准与广电的不同,其清晰度一方面取决于设备,更重要的是取决于网络。

  二、各种压缩算法介绍

  视频图像变成数字化的图像后,在标清的情况下,码流能达到270Mb/s(10bit4:2:2格式,其中10bit是由于8bit并行数据转换为串行数据时经过的最小非归零编码方式的8bit 到10bit的转换,因此为13.5M×10bit×2=270 Mb/s,对应广电的1/2D1格式),在网络中输入,不可能占用如此的带宽,因此要对图像进行压缩。压缩从简单理解的角度上看,就是将图像中一些有规律的像素用最小的数据量代表,如一张“白”纸中,大面积都是“白”,只是“白”的程度上有一定的区别,因此我们可以传一像素点的“白”的真实数值,周围的“白”只要显示有多少点“白”点,每个点的“白”与基点相比差了多少就可以了,这样可以大量地节省数据量,如果单用一幅画的内容相关进行压缩,称为“静态压缩(JPEG)”,但图像是连续的,连续帧之间的图像相关也很大,比如一个人在讲演,除了人在运动之外,其它的背景是基本不动的,因此很大一部分数据在相当长的时间内是不变化的,如果我们只给出不变化的时间,那这一部分的数据大体上为“0”了,这将极大地压缩数据量当然也可以将某些帧的数据不传,即每秒不是25帧而是比如20帧或更少,这种图像是“动态”的不是实时的,利用运动图画的帧间相关进行压缩的算法称为“动态压缩”(MPEG),动态压缩经历了十几年的发展,由最早的MPEG到MPEG2、MPEG4等发展,另外,考虑到数据的通讯传输,针对邮电行业也推出了一系列的压缩算法,如H、32×系列,H、26×系列,几年前,大量的视讯终端所采用的压缩标准H、263标准,目前,H、264标准是较新的应用标准,压缩算法越好,在同样带宽的情况下,图像的质量就越好,如MPEG4,基本上就是DVD中有一种所谓DVD9的格式相似,(能在一张DVD盘中装几部到十几部电影),而且图像质量大致看上去没有太大问题,只要不过于强调细节的话,是完全可以应用的,MPEG4和H、263的水平基本相当。因此,一、二年前出的许多视讯终端产品采用的往往是MPEG4或H、263的标准,大家可以适当留心一下,目前采用的算法是H、264,它能在同样分辨率和图像效果的情况下,将占用带宽压缩一半(与H、263和MPEG4相比)或者在同样带宽情况下,H、264的图像清晰度比H、263和MPEG4好一倍。

  三、视讯设备当前的状态

  几年前的设备以H、263压缩标准为主,在同等带宽的情况下,图像质量略差,近一两年来新出现的设备以H、264标准为主,并且国内厂家的产品采用H、264标准的居多,发展上也比国外产品感觉上要好一些,至少应该是同等档次,如原有的许多国外产品支持512Kb/s的H、264水平时,国内的水平已经达到760Kb/sH、264水平。随后又能达到2Mb/s H、264的水平,当然现在又出现了支持8Mb/S H、264水平,内置有多点MCU的视讯终端设备。有一个经验数据,据说在384 Kb/s左右时,一般的图像就可以连续地,主观上没有什么大缺陷地实时传递了,或者也就是说,在保证384 Kb/s的带宽时,应该能达到实时的高清(576p)的图像质量了。

  作为一套高清的视讯会议系统,压缩算法和网速是最主要的指标,但要达到高清的效果,周边设备如摄像机、显示设备以及信号通道传输设备等都要求达到高清的水平,如果选用标准的(广电行业标准)的摄像机,其分辨率能达到576i的水平,那么想达到高清(视讯行业标准)576p或更高的水平就显得不够了,应该选用高清的摄像机,而摄像机的输出如果采用复合视频方式,其模拟带宽也就是5MHz(PAL、SECAM制)左右,不能满足高清的要求,因此应采用HD—SDI、DVI或HDMI等方式输出,至少应是YPbPr方式,这给后续应用造成了许多不便,我们后续的文章中将继续介绍。显示设备目前没有大问题了,想找到支持720p以上甚至1080p的平板电视、投影机都不是难的,信号通道设备中,切换、分配、传输设备达到1080p已经没有问题,图像处理器也能支持甚至1080p的图像输入,因此高清视讯系统的应用在设备层面的障碍不存在。

  但高清信号由于历史的变化,存在许多种格式,后续我们将介绍各种格式和信号的大致情况以及应用中的问题。

 

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