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        基于3G網絡的高清晰度流媒體實現(xiàn)的技術難點分析

        2011-04-13 12:20:20
        科技傳播 2011年5期

        余 偶

        同濟大學軟件學院,上海 201804

        從中國內地發(fā)放3G牌照以來,各家通信服務商紛紛推出3G服務,3G的普及率在中國逐月上升。有業(yè)內人士大膽預測,在兩年以內3G將占手機市場的九成以上。與此同時,作為3G的特色服務,移動流媒體勢必將成為各個商家追逐最大利潤的主戰(zhàn)場。但就目前的市場上來看,似乎沒有一款軟件能真正的達到高清晰的流媒體點播。 不是碼率明顯偏低,視頻分辨率不高,就是延遲現(xiàn)象嚴重,圖像馬賽克情況嚴重。那么導致這個現(xiàn)狀的主要原因是什么?

        1 帶寬

        雖然3G的到來給人們帶來了高速上網的可能,但是面對視頻流媒體,特別是高清流媒體動輒幾兆甚至幾十兆比特每秒的碼率來說,3G網絡的帶寬還是遠遠不夠。表1是目前中國三大3G網絡提供商的3G網絡性能對比。圖中的數(shù)據(jù)僅僅只是理論情況下的最大值,在實際應用上,由于建筑物的遮蔽,和目前3G通信塔覆蓋不完全,速度將大打折扣,有門戶網站的測試結果表明,使用3種網絡的平均下載速度在80KB/s~150 KB/s(1B/s=8bit/s)之間。另外,以上的結果都是以手機靜止不動為前提的,在移動的情況下,網絡速度會進一步的減慢。

        表1 中國目前三大3G網絡提供商的理論網速

        與目前的3G帶寬相對比,播放一部H264/AVC編碼的標清電影所需要的帶寬至少為5Mbps,相當于需要至少600KB/s的下載速度,就算將其分辨率降至640*360,也需要150KB/s的下載速度,這對目前仍不穩(wěn)定的3G網絡來說是十分困難的。 相比與歐美發(fā)達國家,以及日本韓國這些無線通訊網絡發(fā)達的國家,中國的3G網絡還相當?shù)牟怀墒?,要實現(xiàn)真正的高速上網還有一段路要走,因此目前各運營商的當務之急是加強基站的建設,提高網絡的覆蓋面和穩(wěn)定性,只有這樣才能從根本上解決問題。

        2 壓縮編碼

        目前的3G網絡帶寬無法滿足高清晰度的流媒體傳輸,那么除了加大網絡帶寬(勢必需要大量的資金投入),另外一個更為可行的方法是對視頻進行進一步的壓縮。

        H.264/AVC作為新一代的高清視頻編碼標準,在相同的比特率下,視頻效果是原先其他編碼技術的兩倍以上。具有視頻體積小,視頻質量高的特點。并且該編碼技術新增網絡抽取層(NetworkAbstraction Layer),使其更方便于制作網絡流媒體。因此,該技術最適合于3G移動多媒體的應用。然而,由于技術的優(yōu)秀壓縮性能是以犧牲算法復雜度為代價了,而普通的3G手機的CPU和內存均無法與主流計算機相比,并且受到功耗,發(fā)熱量的限制,因此無法勝任如此復雜的編解碼計算。解決這個問題的方法是在現(xiàn)有的H.264/AVC視頻壓縮技術上進行改進,使其盡可能的在不降低視頻質量的前提下,對其復雜的算法進行精簡,或者對其關鍵參數(shù)(QP,幀率等)進行合理設定,使其能夠在現(xiàn)有的手持終端設備上流暢的運行。

        3 無線信道

        相對于有線傳輸信道,無線信道的環(huán)境要惡劣得多,因信道質量、流量控制機制而導致的數(shù)據(jù)丟包、誤碼率要高得多。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感,稍有丟包現(xiàn)象,視頻就可能產生大量馬賽克,甚至掉幀。除此之外,無線信道的傳輸速率不穩(wěn)定,可能由于基站設置或是障礙物遮蔽問題而造成傳輸速度時快時慢。

        為了減少無線信道中的丟包現(xiàn)象,可以引入擁塞機制,對于流媒體來講,擁塞機制的主要實現(xiàn)方式是傳送速率控制。保證以一定的速率傳送和接受數(shù)據(jù)包,如果在途中有丟包發(fā)生,那么擁塞機制會開始作用,丟失的包會進行重傳。當然在信道非常不理想,丟包現(xiàn)象嚴重時,頻繁的進行重傳,勢必會影響視頻的流暢性。因此我們還必須引入差錯機制。

        差錯機制是一種根據(jù)視頻前后幀的相關性來對丟失幀進行重構的方法。這種方法的優(yōu)點顯而易見,他能降低發(fā)送端的工作強度,不需要發(fā)送端進行大量的發(fā)包監(jiān)控和丟包重發(fā)的工作。當然這種方法也有他的缺點,他會給終端的解碼工作帶來負擔,對于本來就能力不強的手機設備來說,這種額外的負擔可能是這些終端設備所承受不了的。另外當丟包大量發(fā)生時,作為重構依據(jù)的關鍵幀也可能發(fā)生丟失,重構的工作也可能就此失敗。

        還有一種解決方法是采用容錯編碼,具體的來說,就是編碼器在編碼過程中隊視頻文件進行了特殊處理。在視頻文件中加入再同步點,可逆變長編碼,數(shù)據(jù)遷移,應用幀,以此來減小丟失同步信息的影響。對于關鍵幀錯誤,導致后續(xù)的幀受其影響,可以采用對每幀,特別是關鍵幀的一部分進行獨立編碼,這樣可以避免后續(xù)的幀受前幀丟失關鍵信息而受其影響。

        對于無線信道傳輸速度不穩(wěn)定的問題,我們可以采取可擴展編碼技術,這種技術可以提高編碼輸出流對網絡帶寬動態(tài)變化的適應能力。可擴展編碼就是將整個流媒體數(shù)據(jù)分成多個不同的碼流,其中之一是基本層碼流,它可以單獨被解碼,形成基本的視頻圖像。其他的碼流不能單獨被解碼,而只能和基本碼流一起同時被解碼,他的作用是增強基本碼流的顯示效果,被稱為增強層碼流。當網絡信號不好的時候,手機終端設備只進行基本層碼流的解碼,當信號良好的情況下,手機將對一個或多個增強層碼流進行解碼,只要網絡條件允許,所有的碼流都將被解碼,以獲得最好的顯示效果。

        [1]楊宗凱,彭杰,余江.實時視頻通信中的自適應前向糾錯方案設計[J].計算機工程與科學,2007(8).

        [2]陳穎.視頻編碼技術的流媒體網絡傳輸適應性[J].福建信息技術教育,2007(4).

        [3]李文潔.H.264碼率控制的研究與實現(xiàn)[J].小型微型計算機系統(tǒng),2010(12).

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