视通信技术的发展

张 煦

1 图视通信的现状

　　有线电话交换网历经几次更新换代，模拟电话演变为数字电话，电话用户加装传真机等等。由于计算机装备不断改进，越来越多的用户配备了计算机，开始进行数据通信。特别自从20世纪90年代中期开始，Intenret向公众开放，用户计算机之间可以互通电子信函，用户也可向网站索取大量有用的数据信息。这就引起世界上数据通信业务量爆炸性增长，另外，自从无线蜂窝网兴起（移动电话自近年起已全部利用数字电话），其电话手机数量在全世界范围内以非凡的速度逐年增长。移动用户随身携带的轻便计算机可以经由无线网实现低速数据通信，也可经由无线网接入Intenret索取有用的数据信息。

　　以上概述了电话通信和数据通信兴起的简况，而图视通信则可追溯到20世纪50年代彩色电视的兴起，迄今仍广泛应用，几乎家家都有电视机。有报道说，世界上电视机总数已稍多于电话机总数。国际上有几种电视机制式：北美用NTSC，欧洲用PAL，它们都是利用模拟电视信号，每路电视节目占用频带宽度为6 MHz，由陆地有线通信线路和卫星通信负责传输。

　　随着模拟电话进化为数字电话，20世纪90年代中期兴起了数字电视（DTV），其在图像和伴音质量以及使用带宽效率上都更加优越。图像、伴音信号利用MPEG－2的压缩编码后，可以在6 MHz通带内同时传输4个DTV节目，以致原来的容量足以传输4倍的电视信号，降低了每路电视的传输成本。同样，数字图视光盘（DVD）也可利用类似的技术，即一张光盘可存储MPEG－2的压缩图视、伴音至2 H的容量。这样，DTV和DVD都取得巨大成功，必将很快广泛应用，还有数字图视广播（DVB）也一定会大力发展，卫星电视广播就可能使用DVB。

　　事实上，DTV的图视数码压缩技术原来是仿照高清晰电视（HDTV）的压缩技术。DTV的显示屏幕的横纵比为4∶3，其分辨率在北美为720×480，在欧洲则为720×576，与早先模拟电视的相同。而HDTV的设计则是根据电影屏幕的横纵比，为16∶9，并具有较高的分辨率（1920×1152）。HDTV虽然具有MPEG－2较高的压缩效率，但因其信息量大，每一路HDTV节目需要一个模拟电视通路的全部，每一路HDTV的速率达18 Mbit/s，是DTV传输频谱的4倍。由于其电视台和电视机的设备成本费用较高，世界上HDTV的实际应用发展较慢，但可以深信：HDTV在将来必然会大量应用，它是彩色电视发展的方向，合乎人们改善文娱生活的需要。

　　在休闲时间享受高级文娱生活时，大多数人都希望不仅可以按照电视台预先公布的电视节目日程表从无线或有线电视广播网收看有兴趣的电视节目，而且欢迎有线电视网能够设置电视／电影库，让住家用户随时使用点播电视／电影（VOD／MOD）一类业务，预先通知交换局按指定时间把指定的电视节目／电影片传送给这家用户，使之在较大屏幕上放映，好像家庭剧院那样。对此，原来用户电缆上加装非对称数字用户线（ADSL）及附带的电缆调制解调器，即用户至交换局的上行方向传送用户发出要求的简短信号，而交换局至用户的下行方向则传送用户所需收看的较高数字速率的电视／电影信号，两方向传输数字速率是不对称的。

　　很早就曾提出可视电话业务，通话用户双方不仅实时会话，而且互相看见面貌和背景。这在当初似乎很有吸引力，但实践证明并不受每个通信用户和各种不同场合的欢迎。而可视会议却适用于大单位、大楼等场合。一个单位总部和散布各地分支机构的有关人员各自坐在办公室，可以参加集会和发言辩论，这合乎实际需要，可以提高办事效率。这两种通信业务的图视压缩，都是利用H．263或MPEG－4，甚至利用MPEG－2。可视电话的图视分辨率为176×144，可视会议则为其2倍，即352×288，有些甚至再加到720×480，与DTV的相当。可视电话的传输速率为10～25 Kbit/s至64～384 Kbit/s，可视会议则是100 Kbit/s～1 Mbit/s，最高达1～6 Mbit/s。

　　以上概述了近年应用的一些图视通信，如DTV、DVD、DVB、可视电话、可视会议，以及虽未广泛应用、但技术上已有把握和肯定有前途的HDTV。这些图视通信／广播都可用数字图视信号替代过去的模拟信号，方向正确，而且似乎已很齐全，但是，为了更好地向前发展，还应考虑和解决误差复原、网络异类和主权保护等问题。在使用56 Kbit/s调制解调器的传统电话通信网或沿用16－QAM的6 MHz电视通路传输时，应注意通路引起误差可能影响图视质量。

　　对于这样的情况，有必要采取适当的误差复原措施，在发送端的通路编码器内或在接收端的解码器内或在编码器与解码器两者的相互作用上，想些有效办法。可以考虑在解码器与编码器之间加设一个反馈通路，以便使用自动重复请求（ARQ）。也有使用参考图像选择（RPS），在使用后可能有些良好效果。其次，图视通信虽然在理想上要求全世界有统一的宽带图视网，但实际情况是现在世界上存在几种不同的异类通信网，各有不同的通路容量和时延、误差等特性。而用户装用的图视发送机和接收机又存在几种不同的制式，诸如压缩标准、屏幕分辨率以及处理能力，这就有可能需要某一通路接收端在解码后，重新按另一标准编码，发往另一通路继续前进。这就是说，在异类通信网的情况，有必要采用分层编码。最后，第三个问题：用户发送图视信号内容的主权保护问题，于必要时需要采取简单有效的办法，用以保护图视提供者的主权。

2 未来图视通信的继续进展

　　世界上通信网建设现正快速发展，未来通信网的带宽容量必将升为视频水平的带宽，这当然使可视电话和可视会议实际得益，有利于改善图像质量。一般地说，未来的大容量宽带通信网将有能力对各种图视通信的自然度、高效率和灵活性3方面作显著改进。在稍后的日子，有可能对用户之间的图视通信质量提高到HDTV的水平，形势非常乐观。

　　在用户双方互通可视电话时，所处地点的背景如能采用三维空间，让用户任意走动，在画面上看去就更加自然和确切。这里不需采用完整的立体摄视，而是面对同样场景、只用两个稍些不同的角度拍摄图面，这可以说是一种图像复合／解复合技术，适合人们每一眼睛的视觉。现时有三种方式可实现这样的立体图视效果：一是在发送端使用光偏振器向画面投射，在接收端用人眼佩戴的同样偏振器分开，这种偏振器可以是线性正交的，或是图形的；二是在发送端将图视按时间序列在屏幕上复合，在接收端利用液晶玻璃开关器与发送图视同步运行；三是利用自动立体摄视仪，让图视在屏幕上实施空间复合，人眼不需戴镜。从这三种方式的比较得知，自动立体摄视仪最合乎需要，它是电子式三维显示，利用了图视空间的视面复合，使横向或纵向分辨力减小一半。而不需要戴镜正合乎用户双方通信的要求。立体摄视的显示提供一种三维透视，好像在一处观看场景。但最近建议利用动态三维透视，实现多面显示。对此，MPEG－2标准提供“多面轮廓”（MVP），供多面编码之用，但面数不能太多。另一办法是发送端发出较少的图面，在接收端计算它们的中间图面，这方法虽减轻对网络的压力，但接收端的实时计算增加很多。以上所说立体摄视和多面显示的设备，现时还未能做到携带轻便，因而还没有满足未来个人随时随地实现与对方实现图视通信的目的。也许只能指望公用无线宽带传输网发展至一定规模时方能真正实现。

　　未来发展更好的图视通信应注意的第二个问题是高效率，要提高数字速率的频谱效率，现时各国的通信网正在快速加大带宽容量，但不能说图视信息可以方便地使用新的宽带通信网、不需再在信息压缩上化很大劲。相反地，由于人们越来越要求图视信息使用多视面和提高分辨力，因而仍然不能忘记提高数字速率的频谱效率，上面提到MPEG－2的多面轮廓很有用，它把一个视面作为基本层，而其他视面作为加强层，它们并不分配到同等的数字速率。对此，人的视觉问题应当深入研究，在施行图视压缩时，可以适当利用软件为基的压缩技术。另外，误差复原的技术很重要。在有线通信网上实行双向通信，可以适当利用传输控制规约（TCP）。而在卫星线路传输的情况，则可加多利用前向纠错（FEC），也可以用误差复原，借以保证业务质量QoS的要求。

　　未来图视通信的第三个问题是灵活性。这是因为现时人们单纯地观看电视节目或从Intenret传来的简单图视还不能感到满足，人们希望更多的灵活性和与图视媒体的交互性。近年国际上发展MPEG－4的音视压缩标准，是以对象为基的压缩，音和视的信号分开传输，让接收端用户灵活地组成最终需要的图视节目，并容许接收端在组成最后的图视时使用或更换其他对象，从这种新的功能可以推向让用户使用交互通信的灵活系统。当然，对于以对象为基的三维立体和多面图像，MPEG－4本身是不够用的，必须依靠最新的MPEG－7作为音视表达的标准，其具体详情在目前还不完全清楚。国际上对图视通信的标准从MPEG－2进展到MPEG－4和MPEG－7，以及当初还有H261、H263及其几次新版，是经过标准学术团体合作努力的产物，是值得钦佩的。当然，计算机技术和运用能力，以及程序控制，不失时机地作出巨大的进步，使未来的图视通信得以快速顺利向前发展，都是值得称颂的。

摘自《邮电设计技术》