基于H.323協(xié)議終端兼容與優(yōu)化方法研究

田 娟，方國(guó)強(qiáng)，卓劉珺

(四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610072)

0 引言

多媒體通信技術(shù)可以不受時(shí)空的限制進(jìn)行圖像、聲音、文字的交流，視頻會(huì)議系統(tǒng)就是依托這種技術(shù)的一種通信系統(tǒng)[1]。采用視頻會(huì)議的方式，不同會(huì)場(chǎng)之間不僅可以相互聽到聲音，還可以進(jìn)行視頻圖像和文字的交流。這不但拉近了與會(huì)者之間的距離，增強(qiáng)了臨場(chǎng)感，還能夠提高工作效率，降低遠(yuǎn)距離會(huì)議的費(fèi)用。近年，在疫情影響下，“無(wú)接觸”成為會(huì)議召開的關(guān)鍵詞，而視頻會(huì)議這種便捷高效的會(huì)議方式成為了各個(gè)部門的首選。

從1990 年開始，ITU-T 就陸續(xù)制定了一系列多媒體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范其圖像、聲音、數(shù)據(jù)的通信方式。常見的有基于N-ISDN的會(huì)議終端協(xié)議H.320，基于分組交換網(wǎng)絡(luò)的會(huì)議終端協(xié)議H.323，基于PSTN 的會(huì)議終端協(xié)議H.324[2]。H.323 是基于現(xiàn)有的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)的三網(wǎng)合一，充分利用了帶寬資源，是目前應(yīng)用較為廣泛的終端協(xié)議。嚴(yán)格遵守H.323 協(xié)議的通信終端，具有良好的開放性和互通性，正是這種特性使得不同廠商的終端可以互聯(lián)互通。但是，H.323 只是一個(gè)框架性協(xié)議，許多方面并沒有做出明確規(guī)定。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解程度不同，編碼和實(shí)現(xiàn)方式就不盡相同。因此，各個(gè)廠商基于標(biāo)準(zhǔn)H.323 開發(fā)的終端存在兼容性問(wèn)題。本文以四川省氣象視頻會(huì)商系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)基于H323協(xié)議開發(fā)的不同終端的兼容性進(jìn)行了研究，提出了幾種融合優(yōu)化的方法，在實(shí)際應(yīng)用中得到了良好的效果。

1 H.323協(xié)議介紹

H.323協(xié)議被普遍認(rèn)為是目前在分組網(wǎng)上支持?jǐn)?shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音業(yè)務(wù)最成熟的協(xié)議，廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程監(jiān)控、交互式網(wǎng)絡(luò)視頻、視頻新聞等領(lǐng)域。其系統(tǒng)包括終端（Terminal）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、網(wǎng)守（Gatekeeper）和多點(diǎn)控制單元（Multipoint Control Unit，MCU）[3]。其中，終端、網(wǎng)關(guān)、多點(diǎn)控制單元是H.323 中的終端設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)中的邏輯單元。

終端是分組網(wǎng)絡(luò)中能夠提供實(shí)時(shí)、雙向通信的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，也是一種終端用戶設(shè)備，它可以和網(wǎng)關(guān)及多點(diǎn)控制單元進(jìn)行通信，所有終端都支持語(yǔ)音通信，視頻和數(shù)據(jù)通信可選。H.323終端功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。在發(fā)送端，音視頻I/O 設(shè)備獲取信號(hào)，經(jīng)編碼器壓縮并打包成一定格式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。在接收端，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包首先被解包，得到的音視頻解壓數(shù)據(jù)經(jīng)解碼器解碼后送入輸出設(shè)備，用戶數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)也得到相應(yīng)的處理。

圖1 H.323終端功能結(jié)構(gòu)圖

H.323 包含多個(gè)功能單元及協(xié)議。視頻編解碼器通信協(xié)議H.261等，完成對(duì)視頻碼流的冗余壓縮編碼。音頻編解碼器通信協(xié)議G.711 等，完成語(yǔ)音信號(hào)編碼的編解碼。系統(tǒng)控制單元中的通信控制協(xié)議H.245 負(fù)責(zé)邏輯信道的關(guān)閉、參數(shù)的設(shè)定、收發(fā)雙方的能力協(xié)商以及多點(diǎn)會(huì)議中心呼叫各邏輯信道的配合控制?！癏.225.0層封裝”將音視頻、控制等數(shù)據(jù)格式化并發(fā)送，同時(shí)從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，并完成邏輯分幀、加序列號(hào)、錯(cuò)誤檢測(cè)等[4]。

2 H.323融合優(yōu)化方法

2.1 視頻編碼協(xié)議

針對(duì)視頻編碼協(xié)議，所有終端必須支持H.261 標(biāo)準(zhǔn)，H.263、H.264 可任意支持某一種。相較于H.263，H.264 具有更高的壓縮比、更好的IP 和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道的適應(yīng)性，在相同的帶寬下能提供更加優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，是目前市面上大多數(shù)終端都會(huì)選擇的一種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[5]。但是，對(duì)于較老終端或少數(shù)終端可能支持H.263 標(biāo)準(zhǔn)。因此，一個(gè)平臺(tái)要兼容多類終端就需要支持多種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。其中，H.261標(biāo)準(zhǔn)是H.323中本身就包含的。H.323對(duì)H.263提供了支持接口，只要按照接口規(guī)定要求加入實(shí)際編解碼庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)H.263的視頻互通。但是，H.323 不直接提供H.264 的支持，而是由隨后發(fā)布的H.241 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)擴(kuò)展。因此，需要添加H.323 對(duì)H.264 的能力支持和H.264 的能力實(shí)體，以實(shí)現(xiàn)H.264 視頻的互通。H.323 協(xié)議棧中的視頻傳輸流程如圖2所示。

圖2 H.323視頻傳輸流程圖

2.2 視頻分辨率

市面上主流的視頻分辨率有QCIF、CIF、4CIF、720P 以及1080P，分別對(duì)應(yīng)的圖像長(zhǎng)寬像素點(diǎn)為176x144、352x288、704x576、1280x720、1920x1080。其中720P、1080P分別稱為標(biāo)清（SDTV）和高清（HDTV）視頻[6]。高分辨率的終端可以向下兼容低分辨率的終端。但是一個(gè)系統(tǒng)中可能存在較老終端，分辨率較低，如果為適用新終端只編碼一種格式的視頻圖像就會(huì)導(dǎo)致一些終端無(wú)法解析視頻，帶來(lái)較差的兼容性。因此，為使系統(tǒng)達(dá)到一定的兼容能力可以編碼多種視頻圖像格式以適應(yīng)不同終端。

2.3 H.225.0層封裝數(shù)據(jù)

此外，兩個(gè)不同的終端在進(jìn)行通信時(shí)，H.225.0層封裝的數(shù)據(jù)包在他們之間無(wú)法解析或解析不好也會(huì)導(dǎo)致兩者兼容性差。具體表現(xiàn)為對(duì)方終端收不到信號(hào)、黑屏或者圖像模糊等現(xiàn)象?！癏.225.0 層封裝”負(fù)責(zé)將音視頻、控制等數(shù)據(jù)格式化并發(fā)送，同時(shí)接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)[7]。因此，它是兩個(gè)H.323 終端通信時(shí)發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)格式。其中，時(shí)實(shí)音視頻數(shù)據(jù)信號(hào)用RTP 封裝，H.225 呼叫控制信息、H.245 數(shù)據(jù)及消息用TCP 封裝，RAS 消息用UDP 封裝。H.323 通信協(xié)議棧組成如圖3 所示。由于各個(gè)廠商終端H.323 部分的實(shí)現(xiàn)不盡相同，原始代碼也是公司機(jī)密，這使得要完全編碼出一模一樣的交換數(shù)據(jù)包基本不可能。不同終端要兼容，只能使他們H.225.0層封裝出的數(shù)據(jù)包盡量相同，使不同終端均能解析。

圖3 H.323通信協(xié)議棧組成圖

3 服務(wù)器編碼分發(fā)規(guī)則優(yōu)化

服務(wù)器的編碼分發(fā)規(guī)則也直接影響到整個(gè)會(huì)商系統(tǒng)的質(zhì)量，需要根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)制定一套適用于本系統(tǒng)的編碼分發(fā)規(guī)則。以四川省氣象視頻會(huì)商系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該系統(tǒng)屬于省市縣三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，可召開省市縣三級(jí)和市縣兩級(jí)會(huì)議，省局和各市州局均建有自己的編碼分發(fā)服務(wù)器，縣局只有會(huì)議終端。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)制定了以下分發(fā)編碼規(guī)則。

圖4 四川省氣象視頻會(huì)商系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

⑴將省局編碼分發(fā)任務(wù)固定在省局的服務(wù)器上。各市州局編碼分發(fā)任務(wù)固定在市州自己的服務(wù)器上。如果市州有兩臺(tái)服務(wù)器的，將縣局終端分散部署在兩臺(tái)服務(wù)器上，以緩解服務(wù)器壓力。這樣既滿足了自建資源自己使用的原則，又合理利用了資源，不會(huì)使某幾臺(tái)服務(wù)器處于滿負(fù)荷狀態(tài)，導(dǎo)致服務(wù)器卡死、畫面突然黑屏、閃爍等現(xiàn)象。

⑵省局一共建有六臺(tái)服務(wù)器，如果省局現(xiàn)運(yùn)行的某臺(tái)服務(wù)器掛掉，可按規(guī)則轉(zhuǎn)入另外一臺(tái)服務(wù)器。市局現(xiàn)運(yùn)行的服務(wù)器掛掉，如果市局有兩臺(tái)服務(wù)器的，轉(zhuǎn)入下一臺(tái)服務(wù)器，如果沒有則轉(zhuǎn)入省局的服務(wù)器。

⑶為避免有服務(wù)器掛掉后很多終端都集中在某一臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行這種極端情況出現(xiàn)，可限定服務(wù)器的最大接入用戶數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

四川省氣象視頻會(huì)商系統(tǒng)包括華為、寶利通、網(wǎng)動(dòng)三個(gè)品牌的終端。其中華為和寶利通各個(gè)系列，不同型號(hào)的終端都有包括，網(wǎng)動(dòng)作為最新引入終端。系統(tǒng)建設(shè)完成后，整個(gè)系統(tǒng)基本兼容了所有終端，但是兼容效果并不好。具體表現(xiàn)為：某個(gè)終端無(wú)法解析省局分發(fā)的視頻，導(dǎo)致丟幀率特別嚴(yán)重或者直接黑屏；由于實(shí)時(shí)帶寬跟不上，視頻出現(xiàn)延遲、馬賽克嚴(yán)重等現(xiàn)象。系統(tǒng)融合優(yōu)化前部分視頻效果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)融合優(yōu)化前部分視頻效果

為使得這些來(lái)自不同廠商，不同型號(hào)的終端互聯(lián)互通且達(dá)到一定的分辨率要求，按照上訴方法做了融合優(yōu)化。服務(wù)器的編碼分發(fā)規(guī)則按上訴規(guī)則執(zhí)行，并根據(jù)實(shí)際需要做了一些細(xì)微調(diào)整。

針對(duì)視頻協(xié)議，除H.323本身就包含的H.261標(biāo)準(zhǔn)外，系統(tǒng)還支持H.263 和H.264 標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不同終端對(duì)視頻編碼協(xié)議的需求。在配置視頻協(xié)議選項(xiàng)時(shí)系統(tǒng)提供了三個(gè)選項(xiàng)，分別是“自動(dòng)”、“H.263”、“H.264”，如圖6所示。各個(gè)終端可根據(jù)自身情況和時(shí)下網(wǎng)絡(luò)情況選擇對(duì)應(yīng)協(xié)議，也可選擇“自動(dòng)”選項(xiàng)，讓終端之間在進(jìn)行能力協(xié)商階段自動(dòng)匹配。

圖6 視頻協(xié)議配置選項(xiàng)

針對(duì)編碼圖像大小，系統(tǒng)定義了CIF、4CIF、720P、1080P 四種圖像格式。在配置視頻大小選項(xiàng)時(shí)系統(tǒng)提供了五個(gè)選項(xiàng)，分別是“自動(dòng)”、“352x288”、“704x576”、“1280x720”、“1920x1080”，如圖7 所示。同樣的，各個(gè)終端可根據(jù)自身情況和時(shí)下網(wǎng)絡(luò)情況選擇對(duì)應(yīng)視頻大小，也可選擇“自動(dòng)”選項(xiàng)自動(dòng)匹配。

圖7 視頻協(xié)議配置選項(xiàng)

除數(shù)據(jù)包解析不好導(dǎo)致通信質(zhì)量不好外，網(wǎng)絡(luò)也是其中的一個(gè)影響因素。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不好時(shí)只能通過(guò)降低碼流的方式解決。系統(tǒng)定義了三種碼流格式，如圖8所示。主碼流定義的是當(dāng)帶寬高于2M 時(shí)，發(fā)送視頻大小為1920x1080p；子碼流1定義了帶寬在1M-2M之間發(fā)送視頻大小為1280x720p；子碼流2定義了帶寬在512K-1M之間發(fā)送視頻大小為704x396p。

圖8 碼流設(shè)置

經(jīng)過(guò)融合優(yōu)化，終端卡死、掉線，視頻丟幀、延遲、馬賽克等現(xiàn)象得到明顯改善。視頻的分辨率也得到提高，大多數(shù)終端的分辨率能達(dá)到720p及以上。融合優(yōu)化后的部分視頻效果如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)融合優(yōu)化前部分視頻效果

5 結(jié)束語(yǔ)

視頻會(huì)議系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展得很成熟。近年，在疫情影響下市場(chǎng)的認(rèn)可度也是只增不減，各個(gè)廠商非?？粗刈陨砥放圃谑袌?chǎng)的占有率。但是，各個(gè)品牌終端的兼容性問(wèn)題仍是需要關(guān)注的，也是市場(chǎng)所需要的。

本文以自建視頻會(huì)商系統(tǒng)為研究對(duì)象，在系統(tǒng)面臨升級(jí)改造或引入其他品牌終端時(shí)，對(duì)各終端之間的兼容性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)視頻編碼協(xié)議、終端分辨率、H.225.0層數(shù)據(jù)封裝方式以及服務(wù)器的分發(fā)編碼規(guī)則都會(huì)影響終端之間的兼容性。針對(duì)每種影響因子，提出了相應(yīng)融合優(yōu)化的方法，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。希望該優(yōu)化方法能為有關(guān)視頻會(huì)商系統(tǒng)升級(jí)改造提供參考。