基于移動網絡的視頻會議系統設計

錢敏 吳超 蔣浩

摘要：本文討論了移動網絡下視頻會議系統設計及實施的要點，包括HEVC視頻編碼、系統組建方法、預測模型、試驗等幾個方面。通過預測模型，可以幫助會議系統設計人員便捷地選擇清晰度、幀頻等參數，合理取舍峰值信噪比、時間節省率等重要指標。

關鍵詞：移動網絡;視頻會議;視頻編碼;預測模型

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0035-02

1 HEVC視頻編碼

2013年1月，ISO和JCT-VC組織設計了HEVC視頻編碼。該視頻編碼專門用于移動網絡，可以匹配200kbps或400kbps的網速。該技術能夠降低代碼復雜度，減少時間開銷，同時保持較高的視頻質量。

針對不同的視頻會議服務場景，HEVC采用了三種不同的配置文件（profile），分別是廣播、移動通訊以及視頻流。HEVC采用了塊分區結構[1]、非固定塊長度以及變換編碼等新技術。與H.264/MPEG-4相比，HEVC只需要不到一半的比特率[2]，能夠獲得同等的視頻會議效果。

HEVC引入了編碼樹單元（CTB）技術。CTB是對宏塊（MB）的繼承。它最大只能有64*64像素，同時可以分割為更小的編碼單元（CU）。CU最小是8*8像素，因此其最大深度是4。

變換編碼使用了一種被稱為剩余四叉樹的技術，該技術把變換單元（TU）切分成更小的單元，每個單元的大小在4*4到32*32之間。一個2N*2N的CU至多可以使用深度是3的TU，大小為2N*2N，N*N或（N/2）*（N/2）。

HEVC編解碼的復雜性，同樣是一個研究的焦點[3]。類似于H.264，HEVC使用了著名的率失真最優化技術（RDO）。RDO評估所有CU、預測單元（PU）和TU的大小，得出最佳的優化比率，形成CU-PU混合塊。這種方法提高了編碼器的計算復雜度，所以它在實時編碼設備，特別是移動設備的應用中，存在極大的限制。為了降低RDO的復雜性，一些學者提出了快速算法。這些算法主要的思路，是降低CB塊和PB塊的數量。Choi的研究提出了，基于SKIP探測技術的代碼樹修剪技術[4]。在理論上，如果SKIP模式是最優的預測模式，那么不會找到更小的CB塊。該模式減少了42%的編碼時間。

2 會議系統搭建方法

2.1組建方法

高清視頻，是指640*360像素，需要400kbps的網速;標準視頻，是指400*300的像素，需要200kbps的網速。在本文的研究中，涵蓋了上述幾種常見的網速，包括100、200、300、400和600kbps。JCT-VC技術的發展，使低網速環境下，播放會議視頻成為可能。HEVC的視頻序列分級包含了C、D、E。

HM8.0是專門為HEVC設計的解碼器。它增加了CU和TU數據。這些數據包含CU模塊、LCU、CU深度，TU內深度。所有的視頻序列和輸入變量組合如下：

-LCU：64*64，32*32以及16*16

-CU深度：4，3，2，1

-TU內深度：3，2，1

一比特率：100，200，300，400和600kbps。

2.2預測模型

WEKA是一個用于視頻數據分析和預測的模塊。它能夠根據選定的數據模型，有效地從大量的數據集合中，挖掘出隱藏的信息。

WEKA針對表1的每一類數據選定一個預測模型。通過這些模型，可以計算每一種網絡環境的△PSNR（峰值信噪比）和時間節省率。WEKA的分析分類工具，采用線性回歸的算法選定預測模型。該模型不限定數據的屬性，所以可以接納各類數據。這些屬性包括分辨率、比特率、LCU、CU長度以及CU內長度等。

3 試驗分析

3.1數據分析

△PSNR表示峰值信噪比，該數值越大，表示視頻的清晰度越高。時間節省率，與視頻數據的解析速度有關，數值越高，視頻越流暢。這兩個指標，通常存在這種此消彼長的關系。

現在選擇兩個典型點，分別記為甲和乙。甲的△PSNR值為-0.01，時間節省率是23%。乙的△PSNR值是-1，時間節省率是47%。C、D、E、AII四類視頻序列的試驗數據信息如下。

表2表示了△PSNR和時間節省率的平均值。其中，假設“64/4/3”數據點的△PSNR為OdB，時間節省率是0%。其他點的數據是以該點數據為基礎而得到的。試驗發現，對時間節省率影響較大的是LCU和CU深度。

3.2預測模型分析

如表2所示，不同的分辨率增加了預測模型的分析難度。WEKA的數據訓練，可以間接地解決數據集的處理問題。經過試驗，得出公式如下：

WEKA得出的數據與實際數據相比，△PSNR的差別不超過0.61dB。時間節省率的差別不超過2.4%。這表明WEKA的預測效果是非常好的。值得一提的，在設計者使用WEKA的過程中，可以通過調整參數的方式，進一步提高預測效果。

4 結束語

應用這種包含預測模塊的軟件，諸如WEKA等，可以有效預估移動網絡下視頻會議系統的峰值信噪比和時間節省率。系統設計人員可以根據評估的數據，結合用戶和使用環境（如帶寬），綜合地評估視頻質量和帶寬的關系，靈活地選擇部署方案。試驗表明，這種分析模型在對待包含預處理幀的實時數據時，有較為優異的性能。

參考文獻：

[1]Kim I K，Min J，Lee T，et al.Block Partitioning Structurein the HEVC Standard[J].IEEE Transactions on Circuits andSystems for Video Technology，2013，22（12）：1697-1706.

[2]Ohm J R，Sullivan G J，Schwarz H，et al.Comparison of theCoding Efficiency of Video Coding Standards-Including HighEfficiency Video Coding（HEVC）[J].IEEE Transactions on Cir-cuits&Systems for Video Technology，2013，22（12）：1669-1684.

[3]Correa G，Assuncao P，Agostini L，et al.Complexity control ofhigh efficiency video encoders for power-constrained devices[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2012，57（4）：1866-1874.

[4]Choi K，Jang E S.Fast coding unit decision method Based oncoding tree pruning for high efficiency video coding[J].OpticalEngineering，2012，51（3）：030502.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2019-08-20

作者簡介：錢敏（1978-），女，江蘇人，碩士，主要從事視頻系統組織規劃、工程建設;吳超（1987-），女，安徽人，本科，主要從事視頻系統維護、圖像信息整編;蔣浩（1997-），高中，主要從事視頻系統維護。