基于移动网络的视频会议系统设计

钱敏 吴超 蒋浩

摘要：本文讨论了移动网络下视频会议系统设计及实施的要点，包括HEVC视频编码、系统组建方法、预测模型、试验等几个方面。通过预测模型，可以帮助会议系统设计人员便捷地选择清晰度、帧频等参数，合理取舍峰值信噪比、时间节省率等重要指标。

关键词：移动网络;视频会议;视频编码;预测模型

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）35-0035-02

1 HEVC视频编码

2013年1月，ISO和JCT-VC组织设计了HEVC视频编码。该视频编码专门用于移动网络，可以匹配200kbps或400kbps的网速。该技术能够降低代码复杂度，减少时间开销，同时保持较高的视频质量。

针对不同的视频会议服务场景，HEVC采用了三种不同的配置文件（profile），分别是广播、移动通讯以及视频流。HEVC采用了块分区结构[1]、非固定块长度以及变换编码等新技术。与H.264/MPEG-4相比，HEVC只需要不到一半的比特率[2]，能够获得同等的视频会议效果。

HEVC引入了编码树单元（CTB）技术。CTB是对宏块（MB）的继承。它最大只能有64*64像素，同时可以分割为更小的编码单元（CU）。CU最小是8*8像素，因此其最大深度是4。

变换编码使用了一种被称为剩余四叉树的技术，该技术把变换单元（TU）切分成更小的单元，每个单元的大小在4*4到32*32之间。一个2N*2N的CU至多可以使用深度是3的TU，大小为2N*2N，N*N或（N/2）*（N/2）。

HEVC编解码的复杂性，同样是一个研究的焦点[3]。类似于H.264，HEVC使用了著名的率失真最优化技术（RDO）。RDO评估所有CU、预测单元（PU）和TU的大小，得出最佳的优化比率，形成CU-PU混合块。这种方法提高了编码器的计算复杂度，所以它在实时编码设备，特别是移动设备的应用中，存在极大的限制。为了降低RDO的复杂性，一些学者提出了快速算法。这些算法主要的思路，是降低CB块和PB块的数量。Choi的研究提出了，基于SKIP探测技术的代码树修剪技术[4]。在理论上，如果SKIP模式是最优的预测模式，那么不会找到更小的CB块。该模式减少了42%的编码时间。

2 会议系统搭建方法

2.1组建方法

高清视频，是指640*360像素，需要400kbps的网速;标准视频，是指400*300的像素，需要200kbps的网速。在本文的研究中，涵盖了上述几种常见的网速，包括100、200、300、400和600kbps。JCT-VC技术的发展，使低网速环境下，播放会议视频成为可能。HEVC的视频序列分级包含了C、D、E。

HM8.0是专门为HEVC设计的解码器。它增加了CU和TU數据。这些数据包含CU模块、LCU、CU深度，TU内深度。所有的视频序列和输入变量组合如下：

-LCU：64*64，32*32以及16*16

-CU深度：4，3，2，1

-TU内深度：3，2，1

一比特率：100，200，300，400和600kbps。

2.2预测模型

WEKA是一个用于视频数据分析和预测的模块。它能够根据选定的数据模型，有效地从大量的数据集合中，挖掘出隐藏的信息。

WEKA针对表1的每一类数据选定一个预测模型。通过这些模型，可以计算每一种网络环境的△PSNR（峰值信噪比）和时间节省率。WEKA的分析分类工具，采用线性回归的算法选定预测模型。该模型不限定数据的属性，所以可以接纳各类数据。这些属性包括分辨率、比特率、LCU、CU长度以及CU内长度等。

3 试验分析

3.1数据分析

△PSNR表示峰值信噪比，该数值越大，表示视频的清晰度越高。时间节省率，与视频数据的解析速度有关，数值越高，视频越流畅。这两个指标，通常存在这种此消彼长的关系。

现在选择两个典型点，分别记为甲和乙。甲的△PSNR值为-0.01，时间节省率是23%。乙的△PSNR值是-1，时间节省率是47%。C、D、E、AII四类视频序列的试验数据信息如下。

表2表示了△PSNR和时间节省率的平均值。其中，假设“64/4/3”数据点的△PSNR为OdB，时间节省率是0%。其他点的数据是以该点数据为基础而得到的。试验发现，对时间节省率影响较大的是LCU和CU深度。

3.2预测模型分析

如表2所示，不同的分辨率增加了预测模型的分析难度。WEKA的数据训练，可以间接地解决数据集的处理问题。经过试验，得出公式如下：

WEKA得出的数据与实际数据相比，△PSNR的差别不超过0.61dB。时间节省率的差别不超过2.4%。这表明WEKA的预测效果是非常好的。值得一提的，在设计者使用WEKA的过程中，可以通过调整参数的方式，进一步提高预测效果。

4 结束语

应用这种包含预测模块的软件，诸如WEKA等，可以有效预估移动网络下视频会议系统的峰值信噪比和时间节省率。系统设计人员可以根据评估的数据，结合用户和使用环境（如带宽），综合地评估视频质量和带宽的关系，灵活地选择部署方案。试验表明，这种分析模型在对待包含预处理帧的实时数据时，有较为优异的性能。

参考文献：

[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.

【通联编辑：唐一东】

收稿日期：2019-08-20

作者简介：钱敏（1978-），女，江苏人，硕士，主要从事视频系统组织规划、工程建设;吴超（1987-），女，安徽人，本科，主要从事视频系统维护、图像信息整编;蒋浩（1997-），高中，主要从事视频系统维护。