Содержание

     Введение…………………………………………………………………….6

     1 Обзор систем видеоконференций……………………………………….7

     1.1 Назначение систем видеоконференций……………………………….7

     1.2 Передача мультимединых данных в INTERNET в

     режиме  реального времени…………………………...………………………………10

     2 Технические требования на  абонентские устройства для

     организации видеоконференцсвязи...……………………………………13

     2.1 Выбор структуры и форматов данных, используемых

     для организации видеоконференций…………………………………….13

     2.2 Выбор метода кодирования - декодирования, описание

     стандартов кодирования………………………………………………...16

     3 Разработка структурной схемы  устройства

     кодирования-декодирования……………………………………………...21

     3.1 Структурная схемы абонентского устройства кодирования………21

     3.2. Расчет цифровых потоков в  системе видеоконференций…………22

     Заключение………………………………………………………………..23

     Список  использованных источников……………………………………24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Среди наиболее перспективных сфер применения видеоконференций можно выделить следующие: совместная работа над документами, приложениями в рабочей группе; корпоративная сеть. Данный способ групповой работы находит все большее применение благодаря увеличению числа компаний, рабочие места сотрудников которых располагаются по месту жительства, что способствует повышению эффективности их работы и существенной экономии средств. В частности, исключается аренда помещений, оплата счетов на электроэнергию, рабочее время.

     Получившая  в последнее время развитие практика постепенного внедрения средств  видеоконференций в сферу обучения позволит не просто прослушать и увидеть  лекцию известного преподавателя, находящегося в другом полушарии, но осуществлять интерактивное общение с помощью  видеоконференций.

     В курсовом проекте рассмотрен стандарт Н.323   для проведения видеоконференций  в сетях с интегрированными услугами.

     Стандартный цифровой  компонентный телевизионный  сигнал ITU-R  601/25, выходные параметры  декодирования: стандартный цифровой компонентный сигнал формата ITU-R 601/25

     Целью данного курсового проекта является разработка инженерного решения  для организации видеоконференцсвязи, а задачей – разработка структурной  схемы абонентского устройства

     1 Обзор систем видеоконференций

     1.1 Назначение систем видеоконференций

     Виртуальные средства обучения, удаленный доступ, дистанционное обучение и управление, а также средства проведения видеоконференций переживают период бурного расцвета и предназначены для облегчения и увеличения эффективности взаимодействия как человека с компьютером и  данными, так и групп людей  с компьютерами, объединенными в  сеть. Несмотря на то, что экологическая  ниша видеоконференций разработана  не на все сто процентов, уже сейчас в мире имеется более 200 компаний, которые предлагают различное оборудование и программное обеспечение для  их организации и проведения.

     Благодаря тому, что видеоконференции, предоставляют  возможность общения в реальном режиме, а также использования  разделяемых приложений, интерактивного обмена информацией, их начинают рассматривать  не только как нечто экспериментальное, но и как частичное решение  проблемы автоматизации деятельности и предприятия, и человека, дающее существенное преимущество по сравнению  с традиционными решениями.

     Получившая  в последнее время развитие практика постепенного внедрения средств  видеоконференций в сферу обучения позволит не просто прослушать и увидеть  лекцию известного преподавателя, находящегося в другом полушарии, но осуществлять интерактивное общение с помощью  видеоконференций.

     Средства проведения видеоконференций начали интенсивно развиваться что и технология, используемая при этом, предлагает серьезный вариант обмена информацией и связи между людьми, являясь достойной альтернативой другим формам связи и совместной работы.

     Исторически сложилось так, что средства проведения видеоконференций можно разделить  не только по техническим характеристикам  и принципам соответствия различным  стандартам, но и на настольные (индивидуальные), групповые и студийные. Каждый из этих вариантов видеоконференций четко ориентирован на решение своих задач. Наиболее распространены благодаря относительно невысокой стоимости и быстроте окупаемости затрат сегодня настольные средства проведения видеоконференций. 

     рис. 1 Настольные видеоконференции

     Доступная аудитория и вариант общения: обычно диалог двух лиц. Качественная характеристика связи: нет необходимости  в большой производительности (ширине полосы связи). Необходимые затраты: только программное и аппаратное обеспечение, используемое на рабочем  месте. Необходимое оборудование: компьютер  с установленной поддержкой аудио  и видео, микрофон, динамики или наушники, видеокамера, LAN, ISDN соединение.

     Оптимально  для совместного интерактивного обмена информацией, использование  разделяемых приложений, пересылка  файлов с низкими временными и  финансовыми затратами.

     Настольная  видеоконференция объединяет аудио- и  видеосредства, технологии связи для  обеспечения взаимодействия в реальном масштабе времени путем использования  обычного персонального компьютера. При этом все участники находятся  на своих рабочих местах, а подключение  к сеансу видеоконференций производится с персонального компьютера способом, очень похожим на обычный телефонный звонок.

     Рис.2 Групповые видеоконференции

     Групповые видеоконференции.

     Доступная аудитория и вариант общения: группа с группой. Качественная характеристика связи: необходима большая производительности (ширине полосы связи). Необходимые  затраты: программное и аппаратное обеспечение, а также затраты  на специализированные средства и помещения.

     Необходимое оборудование: обязательны дисплей (по диагонали 29 или 37 дюймов) с возможностью масштабирования изображения, switched 56, ISDN соединение, специализированное оборудование.

     Оптимально  для совместной интерактивной выработки  решений, организации группового взаимодействия между удаленными группами. ГВ подходят для организации эффективного взаимодействия больших и средних групп пользователей. Причем благодаря значительно более  высокому качеству видеоизображения сегодня  возможны обмен и просмотр документов, демонстрация которых в НВ исключается. Кроме того, ГВ идеально подходят для  проведения дискуссий и выступлений  там, где личное присутствие невозможно.

     Число устанавливаемых систем ГВ сопоставимо  с числом НВ, но возрастать оно будет  не столь быстро, как НВ, из-за необходимости  использования в ГВ, как минимум, ISDN линии.

     Студийные видеоконференции (СВ)

     Доступная аудитория и вариант общения: обычно один говорящий с аудиторией. Качественная характеристика связи: необходима максимальная производительность (ширина полосы связи).

     Необходимые затраты: на оборудование студии, на специализированное оборудование.

     Необходимое оборудование: студийные камеры, соответствующее звуковое оборудование, контрольное оборудование и мониторы, доступ к спутниковой связи или оптоволоконной линии связи. Оптимально для решения задач, где требуется максимальное качество и максимум возможностей для организации обработки информации большим числом людей. Характерные представители: специализированное телеоборудование.

     Идеи  по развитию видеоконференцсвязи упираются  в такие достаточно серьезные  проблемы, как полное соответствие систем прежде всего принятым промышленным стандартам, таким, как H.323, который определяет, каким образом, в каком объеме и с каким качеством будут передаваться аудио- и видеоданные по линиям ISDN. Несмотря на не стихающие споры, большинством ведущих поставщиков стандарт H.323 оценен как самый жизнеспособный, наиболее удачно сочетающий скорость передачи и качество передаваемой информации по узкополосным линиям, подобно тому как V.32 является общепринятым стандартом для определения рабочих характеристик модемной связи.

     1.2 Передача мультимединых данных в INTERNET в реальном масштабе времени

     Системы видеоконференций базируются на достижениях технологий средств телекоммуникаций и мультимедиа. Изображение и звук с помощью компьютера передаются по каналам связи локальных и глобальных вычислительных сетей. Ограничивающими факторами для таких систем будет пропускная способность канала связи и алгоритмы компрессии/декомпрессии цифрового изображения и звука.

     На  сегодня известны два основных типа алгоритмов сжатия видеоизображения: алгоритмы сжатия без потерь и алгоритмы сжатия с потерями. Алгоритмы сжатия с потерями позволяют добиться очень высокой степени сжатия изображения, такой, что даже по низкоскоростным каналам связи можно передавать изображения с незначительной потерей качества, практически незаметной для человеческого глаза. Выполнение таких алгоритмов требует достаточно больших вычислительных мощностей. Для достижения приемлемых частот смены кадров на экране монитора требуется дорогостоящее аппаратное обеспечение, называемое общим словом CODEC (compression/decompression). Концепция настольных видеоконференций предполагает возможность доступа к телеконференциям с любого, даже домашнего, компьютера. Использование дорогостоящего оборудования CODEC идет вразрез с этой концепцией, что заставляет создателей аппаратуры систем видеоконференций прибегать к разумным компромиссам. Декомпрессия изображения требует меньшей вычислительной мощности, чем компрессия, поэтому некоторые производители используют аппаратные средства для компрессии данных, а декомпрессия осуществляется программно. 

     Стандарт JPEG (Joint Photographic Experts Group, группа экспертов  по фотографическим изображениям) является стандартом ISO (International Standards Organization, Международная  организация по стандартизации). Этот стандарт поддерживает компрессию как  с потерями, так и без потерь. Однако если термин "формат стандарта JPEG" употребляется без каких-либо оговорок, то обычно это означает, что  подразумевается компрессия с потерями. Сжатие изображения по методу JPEG предполагает преобразование блоков изображения  в реальном цвете размером 8х8 пикселов в набор уровней яркости и  цветности. К каждому блоку применяется двумерное дискретное преобразование Фурье, в результате чего получается набор из 64 коэффициентов, представляющих данный блок. Затем коэффициенты квантуются с помощью таблиц компонентов яркости и цветности, после чего информация о блоке упаковывается в коэффициенты, соответствующие меньшим частотам. В результате получается представление коэффициентов в двоичном виде. Этот метод обеспечивает сжатие изображения в пределах от 10:1 до 20:1 при приемлемом качестве. Основное назначение формата JPEG с потерями - получение фотографических изображений высокой степени сжатия при незначительных видимых потерях качества. Формат MJPEG, или Motion JPEG (JPEG для подвижных изображений) стандартом ISO не является. Тем не менее, так принято называть цифровой видеосигнал, представляющий собой последовательность изображений, сжатых с потерями в стандарте JPEG.

     ВИДЕО MPEG

     Цветное цифровое изображение из сжимаемой  последовательности переводится в  цветовое пространство YUV (YCbCr). Компонента Y представляет собой интенсивность, а U и V - цветность. Так как человеческий глаз менее восприимчив к цветности, чем к интенсивности, то разрешений цветовых компонент может быть уменьшено  в 2 раза по вертикали, или и по вертикали  и по горизонтали. К анимации и  высококачественному студийному видео  уменьшение разрешения не применяется  для сохранения качества, а для  бытового применения, где потоки более  низкие, а аппаратура более дешевая, такое действие не приводит к заметным потерям в визуальном восприятии, сохраняя в то же время драгоценные  биты данных.

     Основная  идея всей схемы - это предсказывать  движение от кадра к кадру, а затем  применить дискретное косинусное преобразование (ДКП), чтобы перераспределить избыточность в пространстве. ДКП выполняется  на блоках 8х8 точек, предсказание движения выполняется на канале интенсивности (Y) на блоках 16х16 точек, или, в зависимости  от характеристик исходной последовательности изображении (чересстрочная развертка, содержимое), на блоках 16х8 точек. Другими словами, данный блок 16х16 точек в текущем кадре ищется в соответствующей области большего размера в предыдущих или последующих кадрах. Коэффициенты ДКП (исходных данных или разности этого блока и ему соответствующего) квантуются, то есть делятся на некоторое число, чтобы отбросить несущественные биты.

     Соотношение кадров друг с другом

     Существует три типа закодированных кадров: I-фреймы - это кадры, закодированные как неподвижные изображения - без ссылок на последующие или предыдущие. Они используются как стартовые. P-фреймы   - это кадры, предсказанные из предыдущих I- или P-кадров. Каждый макроблок в P-  фрейме может идти с вектором и разностью коэффициентов ДКП от соответствующего блока последнего раскодированного I или P, или может быть закодирован как в I, если не соответствующего блока не нашлось.

     И, наконец, существуют B- фреймы, которые предсказаны из двух ближайших I или P-фреймов, одного предыдущего и другого - последующего.

     Соответствующие блоки ищутся в этих кадрах и из них выбирается лучший. Ищется прямой вектор, затем обратный и вычисляется  среднее между соответствующими макроблоками в прошлом и будущем. Если это не работает, то блок может  быть закодирован в I-  фрейме.

     2 Технические требования на  абонентское устройство  видеоконференцсвязи

     2.1. Выбор структуры и форматов  данных в системе видеоконференций

     Существует  много причин, почему протоколы семейства TCP/IP  были выбраны за основу Internet. Это прежде всего возможность  работы с этими протоколами как  локальных (LAN), так и в глобальных (WAN) сетях, способность протоколов управлять большим количеством стационарных и мобильных пользователей.

     К данному протоколу больше подходит название "Комплекс протокол Internet". В его состав входят протоколы UDP,ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие и другие, но часто  используют только термин TCP/IP.

     Часть из семейства протоколов TCP/IP обеспечивает выполнение "низкоуровневых" сетевых функций для множества приложений, таких, как работа с аппаратными протоколами, поддержка механизма доставки пакета по адресу, назначения через множества  сетей и хостов, обеспечение достоверности и надежности соединения и др..

       Другая часть протоколов предназначена  для выполнения прикладных задач,  таких, как передача файлов  между компьютерами, отправка электронной  почты или чтение гипертекстовой  страницы WWW-сервера.

     Задачей ТСР является доставка всей информации компьютеру получателя, контроль последовательности передаваемой информации, повторная  отправка не доставленных пакетов в  случае сбоя работы сети. Кроме того, если сообщение достаточно большое, чтобы отправить его в данном пакете, ТСР делит и отправляет его несколькими блоками. ТСР также осуществляет контроль за составлением первоначального сообщения из этих блоков на компьютере получателя.

     Наиболее  широко используемый протокол транспортного  уровня - это, как было описано выше,  ТСР. Несмотря на то, что ТСР позволяет  поддерживать множество разнообразных  распределенных приложений, он не подходит для приложения реального времени. Использование ТСР в качестве транспортного протокола ТСР  для этих приложений невозможно по нескольким причинам:

     1. Этот протокол позволяет установить  соединение только между двумя  конечными точками, следовательно,  он не подходит для многоадресной  передачи.

     2. ТСР предусматривает повторную  передачу потерянных сегментов,  прибывающих, когда приложение  реального времени уже их не  ждет.

     3. ТСР не имеет удобного механизма  привязки  информации о синхронизации  к сегментам = дополнительное  требование приложений реального  времени.

     RTCP выполняет несколько функций

     1. Обеспечение и контроль качества  услуг и обратная связь в  случае перегрузки.

     2. Идентификация отправителя. Пакеты RTCP содержат стандартное текстовое  описание отправителя

     3. Оценка размеров сеанса и масштабирование

     Рис.3 Логическая структура сетевого программного обеспечения (протокол обмена данных)

     Таким образом с протоколом сетевого уровня IP (Internet Prortocol) взаимодействуют два  протокола транспортного уровня: TCP и UDP.

     Необходимость передачи аудио- и видеоинформации  по Internet привела к созданию нового транспортного протокола RTP (Real-time Transport Protocol). Его рабочая спецификация была предложена группой AVT (Audio/Video Transport working group) разработчиков средств передачи аудио/видеоинформации, входящей в организацию IETF (Internet Engineering Task Force). Протокол RTP отвечает за очередность, тайминг и качество аудио/видеоинформации.

     2.2 Выбор метода кодирования - декодирования, описание стандарта кодирования.

     Современный рынок требует сокращения производственных циклов, повышения качества поставляемой продукции, сотрудничества между различными фирмами и глобализации их деятельности. Средства связи, их расширенные возможности, играют при этом решающую роль. Наличие  быстрой и эффективной связи  определяет конкурентоспособность  фирмы. Выигрывает тот, кто стартует раньше других, используя самые современные  технологии.  На данный момент самым  широко используемый протоколом является стандарт  Н.323.

     Рассмотрим, что представляет собой рекомендация Н.323.

     Совместимые с H.323 приложения и поддерживающая их инфраструктура Internet являются основой  нового направления развития коммуникационных возможностей, связанных с использованием ПК. Программное обеспечение, разработанное Intel и другими компаниями на основе стандарта H.323, впервые позволило без проблем, с помощью простого нажатия кнопки, осуществлять обмен аудио- и видео- данными.

     Технический обзор H.323

     Рекомендация H.323 описывает требования к терминалам, другому оборудованию и различным  службам, предъявляемые при передаче мультимедиа-потоков по локальной  сети с негарантированным качеством  соединения. Терминалы, а также другое оборудование, соответствующее требованиям H.323, могут использоваться для передачи голоса, цифровых данных и видеоинформации, а также произвольного сочетания  этих потоков (например, для видеотелефонной  связи) в реальном масштабе времени.

     Локальная сеть, с помощью которой связаны  совместимые с H.323 терминалы, может  быть простым сегментом, соединением  по типу "кольцо" или целым набором  сегментов сложной топологии  соединений. Необходимо заметить, что  сложность структуры сети влияет на производительность H.323-терминалов. К сожалению, рассмотрение способов, с помощью которых можно добиться нужной производительности терминалов при работе со сложными сетями, выходит  за рамки рекомендации H.323.

     Видеопоток  стандарта Н.261.

     Рекомендация ITU-T Н.261. была разработана для передачи видеоинформации при уровнях  битового потока Рх64 Кбит/с, где р - может  меняться от1 до 30. Стандарт включает как  кодирование отдельных кадров в  стиле JPRG, так и использование  компенсации движения для устранения временной корреляции между кадрами. Он относится к гибридным системам сжатия  в пространственной и  временной областях.

     Таблица 1

     Форматы исходных данных CIF QCIF

     Для того, чтобы обеспечить преобразование данных различных систем телевидения  к единому стандарту, был разработан стандарт CIF (общий промежуточный  стандарт).

     Используется  также формат QCIF с половинным разрешением.

     Частота кадров составляет 29,97 кадров/с, но может быть и понижена до 10-15 кадров/с. Декодер должен быть способным раскодировать поток  с пропущенными кадрами, так как для увеличения сжатия предусмотрена возможность опускать при кодировании отдельные кадры вместо того, чтобы поддерживать постоянную частоту кадров.

     Стандартом  предусмотрено разбиение видео  потока на пять уровней:

     - уровень кадров (для CIF-формата - 352х288 пикселов, 396 макроблока, 1584 блока, 12 групп блоков):

     код начала кадра (20 бит,   0000 0000 0000 0001 0000)

     номер кадра в последовательности (5 бит)

     тип кадра в последовательности (6 бит)

     дополнительные  данные

     - уровень группы блоков (GOB) (176х48 пикселов, 132 блока.  33 макроблока)

     код начала группы (16 бит , 0000 0000 0000 0001)

     номер группы в кадре (4бита)

     уровень квантования в группе (5 бит)

     дополнительные  данные

     - уровень макроблока (16х16 пикселов, , 4 блока)

     код адреса макроблока (код переменной дилны, до11 бит)

     код  типа макроблока  (код переменной дины)

     -уровень  квантования макроблока ( 5 бит)

     код вектора движения (код переменной длины, до 11 бит)

     код присутствия данных блоков ( код  переменной длины, до 9 бит)

     -уровень  блока ( 8х8 пикселов)

     коэффициенты  ДКП ( коды переменной длины, до 13 бит)

     Рис. 4. Структура свертки видеоизображения в декодере по стандарту н. 323

     1.Входной  поток подвергается предварительной  обработке:

     Если  исходное изображение передается в  виде чересстрочных полей, то из них  формируются кадры с прогрессивной  разверткой, кадры передискретизиуются  до формата CIF или QCIF;

     Производится  преобразование RGB в YUV

     Производится  преобразование из формата цветности 4:4:4 в 4:2:0 (горизонтальная и вертикальная поддискретизация цветоразностных компонентов).

     Схема выборки 4:2:2                                          Схема выборки 4:2:0

                  - выборка только Y

                  - выборка Y, Cb, Cr

                  - выборка Сb, Cr

     Рис. 5. Двумерная 2:1 подвыборка  цветоразностных элементов по отношению к элементам яркости

     Эта схема преобразования обычно используется  для стандарта Н. 323

       На рис.5  изображена двумерная  2:1 подвыборка  цветоразностных элементов  по отношению к элементам яркости.  Элементы Cb и Cr не совпадают по расположению с элементами яркости, но представляют информацию о цвете для группы четырех элементов яркости, расположенных по углам квадрата.  Значение Си СR обычно вычисляются 4:4:4 путем горизонтальной и вертикальной фильтрации и интерполяции.  Обычно значения Cb и Cr вычисляются только для каждой второй линии элементов яркости. Т. о. Остальные линии несут только яркостную составляющю.4:2:0. Ширина полосы сигнала 4:2:0 идентична полосе сигнала 4:1:1. На рис.5  Представлен построчный видеосигнал, в котором используется  только одно поле сигнала.

     Для устранений возможных искажений  типа появления ложных элементов  на границе объектов или смещения позиции, может применяться перефильтрация низкочастотным фильтром.

     2.Изображение разбивается на макроблоки, для которых находятся вектора движения.  Вектора движения для макроблоков могут быть только целочисленными и по абсолютной величине не превышать 15 пикселов.

     3.Находятся  ошибки предсказания движения.

     4.Производится  анализ информации о движении  и принимается решение о способе  кодирования макроблока.

     5.В  зависимости от результатов предыдущей  стадии  или исходный или разностный  сигнал подвергается дискретному  косинусному преобразованию