視頻會議系統(tǒng)多畫面軟件設(shè)計與分析

0 引言
視頻會議的發(fā)展經(jīng)歷了一個從無到有、從不成熟到基本成熟的過程。在這個發(fā)展過程中，又相繼出現(xiàn)了電視會議、桌面會議、多媒體會議等多種遠(yuǎn)程會議系統(tǒng)。視頻會議系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一是視頻編碼。利用低比特率的視頻編解碼方案H.263 建議，可將視頻圖像最少壓縮到大約20 kbps，以使其能在普通電話線上通過28.8 kbps 的V.34Modem 傳送音頻信號。事實(shí)上，在音視頻編碼協(xié)議不斷改進(jìn)與發(fā)展的同時，視頻會議本身的協(xié)議也實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代，目前已出現(xiàn)了基于分組交換網(wǎng)的H.323 建議。視頻會議向高性能、多功能、協(xié)同性、智能化和集成化方向發(fā)展的另一個關(guān)鍵技術(shù)是多畫面合成技術(shù)。

由于傳統(tǒng)采用RGB 格式存儲數(shù)據(jù)流以用于多畫面合成的方法十分浪費(fèi)資源。因此，為了在有限的頻帶條件下最大限度地提高資源利用率，本文提出了一種在不影響畫面質(zhì)量的同時解決其資源利用問題的新方案。事實(shí)上。視頻會議多畫面軟件已經(jīng)應(yīng)用到生活的諸多領(lǐng)域。而且將會有更廣泛地使用。
1 數(shù)據(jù)流的捕獲
Windows 下捕獲數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖l 所示，其中NDIS 的NDIS (Network Driver Interface Specification)是Microsoft 和3Com 公司聯(lián)合制定的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動規(guī)范，該規(guī)范提供有大量的操作函數(shù)。它可為上層的協(xié)議驅(qū)動提供服務(wù)，從而屏蔽了下層各種網(wǎng)卡的差別。NDIS 向上可支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如TCP/IP、NWLink IPX/SPX、NETBEUI 等，向下則可支持不同廠家生產(chǎn)的多種網(wǎng)卡。

利用 winpcap 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲和過濾的設(shè)計步驟如下：
(1)打開網(wǎng)卡，設(shè)置網(wǎng)卡為混雜模式；
(2)回調(diào)函數(shù)Network Tap，得到監(jiān)聽命令后從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序處收集數(shù)據(jù)包，并把監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)包傳送
給過濾程序；
(3)當(dāng)Packet filter 監(jiān)聽到數(shù)據(jù)包到達(dá)時，NDIS 中間驅(qū)動程序調(diào)用分組驅(qū)動程序，該程序可將數(shù)據(jù)傳遞給每一個參與進(jìn)程的分組過濾程序；
(4)由Packet filter過濾程序決定丟棄或接收數(shù)據(jù)包，并將接收的數(shù)據(jù)拷貝到相應(yīng)的程序；
(5)通過分組過濾器后，再將未過濾掉的數(shù)據(jù)包提交給核心緩沖區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)緩沖區(qū)滿后，再將數(shù)據(jù)包拷貝到用戶緩沖區(qū)。監(jiān)聽程序可以直接從用戶緩沖區(qū)中讀取捕獲的數(shù)據(jù)包；
(6)關(guān)閉網(wǎng)卡。
2 視頻數(shù)據(jù)流的解碼
捕獲到的視頻數(shù)據(jù)流。通常在網(wǎng)絡(luò)傳輸中都采用H.263視頻編碼建議，其圖像格式為CIF格式。H.263-CIF格式的數(shù)據(jù)流是一種壓縮編碼圖像格式，這種格式在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中可節(jié)省頻帶資源，可在有限的帶寬下最大限度地提高資源利用率。但是，CIF格式必須經(jīng)過處理才能應(yīng)用于多畫面合成。只有通過解碼使捕獲到的視頻數(shù)據(jù)流變成YUV(RGB)格式后，此圖像格式才可直接運(yùn)用于多畫面合成，而且此格式的圖像合成也比較方便、快捷。為了使圖像由H.263格式轉(zhuǎn)變?yōu)閅UV(RGB)格式，應(yīng)運(yùn)用H.263解碼器進(jìn)行解碼。其編解碼算法的概要圖如圖2所示。

3 多畫面合成
視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)過解碼之后，可將其變成YUV(RGB)格式。下一環(huán)節(jié)即是視頻數(shù)據(jù)流的合成(多畫面合成)，這也是本文的關(guān)鍵技術(shù)。在視頻會議系統(tǒng)中，參加會議的與會者或許不只兩、三個，所有與會者可能分布全國乃至世界各地。為了使每個與會者都能進(jìn)行面對面的直接交流，就需要在同一時間看到所有的與會者，因此，多畫面合成技術(shù)必不可少。通過多畫面合成能使N個不同的視頻畫面實(shí)時地在同一臺顯示器上顯示，這樣，每一位與會者就都可以運(yùn)用該軟件看到其他成員。
YUV主要的采樣格式有YCbCr4：2：O、YCbCr4：2：2、YCbCr4：1：1和YCbCr4：4．：4。其中YCbCr4：1：1比較常用，其含義是每個點(diǎn)保存一個8 bit的亮度值(也就是Y值)，每2x2個點(diǎn)保存一個Cr和Cb值，這樣，圖像在人的視覺中不會起太大的變化。RGB (R，G，B都是8 bit unsigned)模型的4個點(diǎn)需要8×3=24 bits，而現(xiàn)在僅需要8+(8／4)+(8／4)=12 bits，平均每個點(diǎn)占12 bits。這樣就把圖像的數(shù)據(jù)壓縮至一半。YUV411為每個像素都提取Y分量，UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。YUV420并非V分量采樣為0，而只是跟YUV411相比，在水平方向上提高了一倍的色差采樣頻率，并在垂直方向上以U／V間隔的方式減小了一半色差采樣。
經(jīng)過解碼即可得到Y(jié)UV格式的數(shù)據(jù)流，H.263-CIF的圖像格式亮度取樣像素個數(shù)、亮度取樣行數(shù)為352x288，圖像是由許多像素點(diǎn)組成的，即一幅H.263-CIF圖像占有352×288個像素點(diǎn)，經(jīng)過解碼。這些值將不變化，即YUV格式的亮度取樣像素個數(shù)、亮度取樣行數(shù)也為352×288、也占有352×288個像素點(diǎn)?，F(xiàn)在假設(shè)視頻數(shù)據(jù)是YUV420格式．它的采樣格式為4：2：0。在對YUV420格式的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲時，可按照圖3所示的存儲格式，先存儲所有的Y，之后存儲U，再存儲V，并且每個像素點(diǎn)占用一個Y，平均四個像素點(diǎn)占用一個U和V。每個像素點(diǎn)占用一個字節(jié)，則一幅圖像所占用的字節(jié)數(shù)將是352×288×(1+1，4+1／4)。

下面以四畫面為例來介紹該軟件的多畫面合成過程。當(dāng)捕獲到的四個視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)過解碼后。每幅圖像的所有數(shù)據(jù)都是連續(xù)地保存在存儲單元中。這里用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ來表示這四幅圖像，它們在存儲單元中的存儲狀態(tài)如圖4所示。每一副圖像都是單獨(dú)存儲的。實(shí)際需要得到的四合一圖像如圖5所示。

圖像在顯示時，所有像素點(diǎn)均有序排列，例如一幅352×288的圖像，它在存儲像素點(diǎn)時，首先存Y信號第l行的352個象素點(diǎn)，其次是第2行⋯⋯直至第288行存完Y信號，然后存儲U信號第l～288行的所有像素點(diǎn)，最后再存儲V信號的所有像素點(diǎn)。但四幅圖像合成之后，其圖像大小就會變?yōu)橐桓眻D像的兩倍即704×576，因此，需要改變其存儲格式。即重新調(diào)整這四幅圖像的像素存儲順序，其具體過程如下：
(1)存儲第1幅圖像Y信號的第1行共352個像素點(diǎn)，再存儲第Ⅱ幅圖像Y信號的第l行共352個像素點(diǎn)，這樣就組成了新圖像Y信號的第1行共704個像素點(diǎn)：
(2)依此次序存儲新圖像Y信號的第2～288行；
(3)新圖像的第289行由第Ⅲ幅圖像Y信號的第1行其352個像素點(diǎn)加第Ⅳ幅圖像Y信號的第1行的352個像素點(diǎn)組成；
(4)新圖像的第290～576行Y信號也依此次序存儲，直到多畫面合成圖像所有的Y信號存儲完畢；
(5)重新從步驟(1)至步驟(4)以完成U、V信號的存儲。
經(jīng)過上述5個步驟之后，新的多畫面圖像即按照設(shè)計的格式存儲起來，該多畫面的顯示可借助微軟公司的DirectShow來實(shí)現(xiàn)，這樣即可完成視頻會議的多畫面軟件系統(tǒng)設(shè)計。
4 結(jié)束語
在視頻會議系統(tǒng)多畫面軟件的分析與設(shè)計過程中，可先捕獲視頻數(shù)據(jù)流，并在經(jīng)過解碼后用于多畫面合成。多畫面合成是視頻會議系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，捕獲數(shù)據(jù)及解碼是為這一過程作鋪墊，本文以四畫面合成為例，對多畫面合成過程進(jìn)行了介紹。
在視頻會議中，運(yùn)用多畫面軟件可以更好地進(jìn)行實(shí)時性對話，提高會議效率。本文介紹的多畫面軟件不僅能應(yīng)用于視頻會議，還可以廣泛地應(yīng)用于其他場合。例如，在畫面合成時，應(yīng)用該軟件對數(shù)據(jù)的存儲格式稍做改變，即可得到電視畫面的畫中畫效果；在常見的監(jiān)視系統(tǒng)中運(yùn)用多畫面合成技術(shù)，可以使多個監(jiān)視器捕獲到的圖像同時在一個屏幕上顯示。視頻會議多畫面軟件不僅可以廣泛運(yùn)用于會議，還可在軍事、交通、治安等復(fù)雜的指揮和控制場合發(fā)揮積極作用。