CC BY
55
Секция математического обеспечения и применения ЭВМ
УДК 681.3.01
Н.Ш. Хусаинов
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ КОНФЕРЕНЦ-СВЯЗИ С АУДИО- И ВИДЕОКОДИРОВАНИЕМ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМОВ ДЕЛЬТАПРЕОБРАЗОВАНИЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА
В последние годы мультимедийные информационные технологии получили широкое развитие в образовании, бизнесе, управлении, профессио-.
являются системы компьютерной конференц-связи. Возможность использования обычного персонального компьютера и сравнительно низкая стоимость "дополнительного" оборудования (недорогая шеЬ-камера, микрофон и одна-две дополнительных платы, позволяющие осуществить ввод/вывод изображения и звука) обусловливают высокую конкурентоспособность и перспективность подобных систем.
Недостаточно развитая в настоящее время инфраструктура цифровых сетей интегрального обслуживания ISDN в России позволяет сделать вывод о целесообразности разработки системы конференц-связи для использования в локальных, корпоративных компьютерных 1Р-сетях с пакетной коммутацией, а также в глобальной сети Интернет.
Ключевыми аспектами разработки и реализации программной системы конференц-связи являются построение аудиовидеокодеков с учетом особенностей каналов передачи - 1Р-сетей с пакетной коммутацией и негарантированным качеством обслуживания, требующих реализации эффективных алгоритмов компрессии, а также разработки и экспериментальных исследований методов контроля и компенсации искажений вследствие ошибок в процессе передачи изображений и звука.
1. Реализация высокопроизводительных алгоритмов аудио- и
видеокомпрессии
Методы цифровой компрессии аудио- и видеосигналов могут быть разделены на две категории: алгоритмы, нацеленные на сохранение частотных
, ,
сигнала. К первой группе относятся алгоритмы, использующие перевод и последующую обработку сигнала в частотной области, в частности алго-
- - . обычно отличаются достаточно высокой эффективностью кодирования (со),
,
применения в приложениях, где необходима обработка сигналов в реальном или близком к реальному масштабе времени. Ко второй группе отно-
сятся алгоритмы импульсно-кодовой, дифференциальной импульснокодовой и дельта-модуляции, характеризующиеся относительно высоким быстродействием и простотой реализации. Недостатком известных алгоритмов данной группы в большинстве случаев является их недостаточно высокая эффективность для большинства современных приложений.
Обмен аудиоинформацией является обязательным элементом систе-
-
" ".
чем в обычной телефонии. По существу, для достижения подобного качества необходимо использование компрессии речевого сигнала по стандарту С.711 со скоростью передачи 64 Кбит/с. Однако в целях улучшения качества передачи видеосигнала обычно используют стандарты кодирования, обеспечивающие скорости передачи аудиосигнала порядка 32 Кбит/с (0.712, 0.726), 16 Кбит/с (0.728), 8 Кбит/с (0.729) и ниже (0.723) за счет ухудшения качества передаваемого сигнала. Следует отметить, что если стандарты, в основу которых положены относительно "простые" алгоритмы кодирования (компрессия по А- или ^-закону, адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция и т.п.) в большинстве случаев характеризуются сравнительно низкой эффективностью кодирования, то более " " ( , -
), -
,
, -
ганизации групповой конференц-связи с большим количеством обрабатываемых одновременно аудиопотоков.
В разработанном в ТРТУ методе аудиокомпрессии сжатие звукового сигнала достигается при его покадровой обработке алгоритмами оптимизи-
- -разрядного представления ИКМ-отсчетов в виде последовательности одноразрядных знаков квантов модуляции. Кодирование участков аудиосигнала осуществляется в соответствии с определенной оптимальной частотой дискретизации и весом кванта модуляции, отражающими специфические осо.
порядка двух операций целочисленного сложения.
При экспериментальных исследованиях программной модели аудиокодека было получено достаточно высокое качество кодирования при скоростях передачи 16 - 32 Кбит/с и обеспечивалась разборчивость речи при 8 - 12 / .
Важным достоинством разработанного метода аудиокодирования являются простота алгоритмов кодирования и декодирования, а также возможность простого решения задачи адаптации скорости кодера (и, соответственно, качества кодирования) в процессе работы к текущей пропускной способности канала связи практически без изменения алгоритма кодирования. Это позволяет говорить об эффективности его использования, в частности, для передачи звуковых сигналов в сетях с негарантированным качеством обслуживания и динамически изменяющейся пропускной способностью (1Р-сети), а также при разработке систем уплотнения абонентских линий в многоканальной телефонии.
Обмен видеоинформацией обычно занимает наибольшую часть пропускной способности канала связи. Однако он не является столь критичным с точки зрения качества передачи и во многом определяется областью . -
является передача изображения размером порядка 160x120 пикселей с частотой кадров не более 10 кадров/сек (на практике - до 0,5 - 4 кадров/сек). Передача видеоинформации обычно является необязательным элементом систем конференц-связи.
Для достижения высокой степени сжатия в большинстве современных методов используется комбинация нескольких алгоритмов кодирования ви.
Несмотря на высокую эффективность кодирования, стандартные схемы видеокомпрессии для систем конференц-связи H.261, H.263 не лишены
, -кость алгоритмов ДКП и оценки межкадрового смещения макроблоков. Поэтому применение данных методов без аппаратной поддержки даже на современных вычислительных платформах довольно затруднительно.
При реализации кодирования по разработанному в ТРТУ методу выполняется построчная аппроксимация кадра изображения на основе приведенных выше алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований вто. -кальных участках со значительной ошибкой преобразования по специальной методике осуществляется дополнительная коррекция. Необходимость коррекции только на отдельных участках изображения позволяет в целом обеспечить высокую эффективность кодирования (соотношение качества
).
Простота предложенного метода (так, для декодирования одного элемента изображения требуется порядка четырех операций целочисленного )
по сравнению с наиболее распространенными алгоритмами сжатия видео.
При проведении экспериментальных исследований алгоритма кодирования неподвижных фотографических изображений были получены коэф-
,
JPEG (порядка 11-14 раз без предварительной обработки изображения). При этом визуальное качество закодированных изображений было сопоставимо со стандартом JPEG (при разнице по соотношению сигнал/шум в среднем не более 2 дБ в пользу JPEG). Было также отмечено существенное
, ,
.
На сегодняшний день находящаяся в стадии разработки и экспериментальных исследований программная модель кодека видеопоследовательностей на основе рассмотренных выше принципов внутрикадрового сжатия, разработанная на языке высокого уровня Си, не использующая мультимедийных возможностей MMX и не оптимизированная для современных процессоров типа Pentium, обеспечивает одновременно программную компрессию и программную декомпрессию видеопотоков в формате CIF (размер 325 x 288 пикселов) со скоростью около 20 кадров/сек. Данные результаты не уступают современным оптимизированным программным пакетам, реализующим алгоритм Motion JPEG для покадрового сжатия видеопоследовательностей, протестированным на той же аппаратной платформе (Pentium III),
быстродействия алгоритмов кодирования и декодирования (по предварительным оценкам не менее чем в 2-2,5 раза по сравнению с Motion JPEG) при оптимизации программного кода с учетом возможностей современных .
2. Передача аудио- и видеопотоков в реальном масштабе
времени
При обмене медиаданными, в частности в видеотелефонии, согласно Рекомендациям МККТТ 0.114 задержка менее 150 мс не воспринимается пользователями, от 150 до 400 мс - считается приемлемой, а свыше 400 мс
.
складывается из таких составляющих, как кодирование аудио- и видеопотоков, передача по каналам связи, компенсация ошибок передачи и потерь пакетов, декодирование.
Возможности повышения быстродействия кодека медиаданных за счет применения более производительных схем на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка рассматривались выше.
Сокращение времени передачи в 1Р-сетях медиапотоков обычно достигается за счет использования протоколов с негарантированной доставкой пакетов типа РТР и ШР. Однако их применение влечет за собой возможные потери пакетов, изменение порядка поступления пакетов, искажения информационных или управляющих битов. При этом, чем выше степень сжатия исходных данных (т.е. чем выше информационное содержание каж-), -че и тем больше вычислительных ресурсов требуется для восстановления .
Известен ряд методов, нацеленных на компенсацию этих искажений, однако существенным недостатком большинства из них являются, во-первых, существенная трудоемкость и дополнительная задержка при декодировании, а, во-вторых, их ориентация на использование в сочетании с определенным алгоритмом аудио- или видеокодирования (обычно на осно-
).
-
на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка обусловливает необходимость применения известных и, возможно, разработки новых быстродействующих алгоритмов компенсации потерь пакетов.
3. Обмен аудио- и видеопотоками в системе многоточечной
-
Одним из наиболее распространенных способов сокращения загруженности каналов связи при передаче таких "ресурсоемких" видов инфор-
,
в один и дальнейшая передача участникам сеанса только одного аудиопотока. Такая методика может использоваться в системах с выделенным сервером конференц-связи, получающим потоки данных (в частности, пакеты аудиоданных) от всех участников, выполняющим их распаковку, микширование, обратную упаковку и рассылку единственного сформированного аудиопакета всем участникам сеанса связи. Естественно, что снижение трудоемкости алгоритмов аудиокодирования и декодирования в данном случае приведет к значительному сокращению требований к производительности сервера конференц-связи.
По понятным причинам микширование видеопотоков не представляет. -скольких полученных видеопотоков трудоемкость алгоритма декодирования также оказывает большое влияние на требования к вычислительным ре.
Использование предложенных методов аудио- и видеокомпрессии на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка, как ожидается, позволит увеличить количество участников сеанса связи и отказаться от использования аппаратных средств видеокомпрессии и деком.
4. Защита информации от несанкционированного доступа
Использование новых алгоритмов аудио- и видеокодирования является одним из элементов защиты информации от несанкционированного доступа. Простота алгоритмов компрессии и декомпрессии на основе дельтапреобразований позволяет говорить о перспективности использования дополнительных методов криптографического преобразования и их чисто про.
Использование новых более простых алгоритмов обработки аудио- и видеопотоков позволяет говорить о перспективности разработки программной системы групповой конференцсвязи в 1Р-сетях с высокопроизводитель-
- -преобразований второго порядка. Ориентация на программную реализацию системы позволит сделать ее более универсальной, не требующей разработки и применения специализированной аппаратуры, обеспечить простоту распространения и обновления программного обеспечения конференцсвязи. Новизна и оригинальность форматов передачи и алгоритмов ком-
- , -можностей оптимизированных дельта-преобразований второго порядка для защиты информации позволяет говорить о возможности и перспективности применения подобных систем в корпоративных и глобальных сетях с целью организации "закрытой" конференц-связи и предотвращения несанкционированного доступа к информации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кравченко ПЛ. Основы теории оптамизированных дельта-преобразований второго порядка. Цифровое управление, сжатие и параллельная обработка информации: Монография. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997.
2. Сине пол В.С., Цикин ИЛ. Системы компьютер ной видеоконференц-связи. М.: ООО "Мобильные коммуникации", 1999.
УДК 681.51:681.3.01
..
-
ПОРЯДКА И РЕШЕНИЕ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
Проводимые исследования в области оптимизированных дельтапреобразований второго порядка позволяют получать эффективные решения задач в различных областях науки и техники.
Для систем автоматического управления разработан метод синтеза
,
характеристик и возможностей: единая инженерная методика синтеза для линейных и нелинейных объектов; асимптотическая устойчивость; реализация оптимизированного по быстродействию и точности управления на ос-
