深度探究悅盒家家聊高清視頻通信技術
2023-10-12 14:42:10 3
日前，華為宣稱在跨省、全新網際網路架構的TV高清視頻通信方面取得重大技術突破，並將在「五一」節前搭載「天翼視訊悅盒」(後續簡稱「悅盒」)正式向市場推出「家家聊」業務。市場上有不少公司也號稱他們的智能機頂盒能支持高清視頻通話，那華為「家家聊」到底有什麼不同，有哪些地方能算得上是重大技術突破?哪些關鍵因素支撐跨省電視高清視頻聊天體驗呢?
下面，我們從視頻編碼、音頻編碼及網絡自適應等關鍵技術，進行深入剖析和一探究竟。
視頻編碼技術
「家家聊」採用了業界主流的H.264/AVC視頻編碼標準和技術規範，同時依託華為智能機頂盒專有的片內SoC(SystemonChip)的模塊(VENC)，完成多項核心視頻編碼技術的深度優化和定製，實現1080P與720P及以下解析度的實時高清視頻編碼。
那為什麼「家家聊」暫時只提720P的高清視頻呢?主要考慮的是兩個方面：
1)業界通用USB攝像頭一般採用的都是USB2.0接口，其輸入輸出帶寬只能支持到720P
2)720P至少要求1M以上帶寬，這基本是國內電信運營商的上行帶寬的上限值了
「家家聊」高清版的視頻編碼技術具備以下獨特優勢：
?精確的目標碼率控制
目標碼率是客戶根據自身的需求給編碼器設置的一個編碼碼率。VENC控制目標碼率與實際輸出碼率浮動不超過10%。鑑於目標碼率的高低對圖像質量有一定的影響，因此不同解析度編碼存在一定的合理碼率選擇範圍。所謂「合理的範圍」指的是，如果低於這個範圍，圖像質量看起來會變得不可接受;如果高於這個範圍，則顯得沒有必要，對於網絡資源以及存儲資源來說是一種浪費。VENC可以根據實際編碼的解析度、實時的網絡情況、實際應用場景配置相應的目標碼率，以達到最優的編碼效果。
?適用不同場景、靈活可控的編碼模式
【綁定模式】
VENC支持的一種編碼模式。設置該工作模式，需要在打開編碼器之前給編碼器綁定源。目前支持的源有虛擬屏幕，虛擬窗口和VI。設置綁定模式後，客戶不能再自行給VENC送幀編碼。
【快速編碼模式】
VENC支持的一種編碼模式。一般應用於可視通訊等對實時性要求較高的場景。該模式下，VENC處理會根據用戶配置的輸入輸出幀率做幀率控制外，為了保證畫面的實時性，避免延時的累積，VENC只會編碼最新插入的一幀，緩衝區的其他幀會被扔掉，從而保證總是編碼緩衝區最新的畫面。
【分SLICE編碼】
分SLICE編碼是H264協議規範支持的一種編碼模式。該模式下編碼器會把一幀畫面編碼成多個SLICE，各個SLICE在編碼時相互間保持獨立。在網絡傳輸環境較差的情況下，採用分SLICE編碼可以限制誤碼的擴散，保證傳輸質量。
?可控的輸入與輸出幀率
幀率(Framerate)是用於測量顯示幀數的量度，以每秒顯示幀數(FramesperSecond，簡稱：FPS)為單位。VENC具備輸入幀率和輸出幀率兩個參數可供配置，如果兩個參數配置成不同幀率，VENC會自動進行幀率控制。特別需要注意的是：當處於綁定模式下，用戶配置的輸入幀率失效，VENC以內部實際的輸入幀率為基準進行幀率控制，而在非綁定模式下，客戶需要保證輸入幀率的準確可信。
基於以上深度優化的編碼算法，VENC應用與不同場景的合理目標碼率參考範圍如表1所示：
表1碼率配置參考表(幀率：30fps)
音頻編碼技術篇
網際網路傳送高保真語音數據面臨的核心挑戰來自於三個方面：
1、網絡的時延、丟包、抖動、帶寬變化，如何保證穩定的通話時延及質量
2、低複雜度、低損傷、低帶寬佔用訴求下的高清語音編解碼及增強技術
3、多平臺兼容性，提供無差別通話體驗
針對這些網際網路語音通信的關鍵問題，」家家聊」採用華為2012實驗室提供的HME(HuaweiMediaEngine)核心模塊;其完整的高音質，低帶寬HD-VOICE音頻編碼技術，為用戶帶來身臨其境的高保真語音通信服務。」家家聊」的音頻編碼技術具備以下獨特優勢：
?採用業界最優的VOIP語音編解碼器OPUS
OPUS編碼器頻譜可根據網絡寬帶自適應，同時在相同帶寬下提供的音質好，延時小，而特有的FEC功能具有強大的抗丟包能力;考慮到通話環境，設備差異等因素，網際網路語音通信極容易產生噪聲，回聲，音量太小或太大，削波等問題，嚴重影響用戶通話體驗;而HME模塊憑藉華為在無線通信領域10多年的積累，提供業界領先的ANR/ALC/AEC/ACLP算法，其回聲抵消指標業界領先，讓你隨時隨地暢打無憂。不同音頻編碼算法的音質測試對比請參考圖2:
圖2：編碼算法的音質對比測試
?動態抖動緩存技術(AJB+TSM)
HMETSM技術在調整語音緩存深度時，通過時域伸縮技術，只改變語速，而不改變語音的音質、基音等其它特性;通過時域拉伸壓縮技術(TSM)實現對緩存深度的平滑動態調整，在AB主觀測試中，86%的測試用戶反饋語音質量明顯提升。
HMEAJB技術實時跟蹤網絡抖動，動態調整緩存深度，保障非常好的語音質量及通話時延，無線網絡典型場景平均時延降低150ms以上。
圖3語音編碼技術對比
網絡自適應技術篇
相對於TDM(時分復用)網絡，IP分組網絡的丟包與時延更惡劣。當網絡質量劣化，若不能自動調節音視頻編碼的碼率，將會導致高丟包與時延變大，嚴重影響端到端通信的主觀體驗。華為」家家聊」的HME引擎採用專用的NetATE網絡自適應技術，可根據網絡狀態(丟包率、丟包分布、時延)，快速改變編碼速率、打包時長、冗餘深度適應網絡狀態，保證語音與視頻通信的質量。NetATE具備如下特點：
a)可適配多種變速率編解碼
b)網絡模型分析(帶寬競爭與帶寬受限)
c)用戶可控帶寬上下限
d)快速調整響應
綜合測試表明，即使網絡丟包達到10%的情況下，華為媒體引擎(HME)的NetATE網絡自適應、ARS自適應碼率選擇、SEC等超強糾錯技術也能夠保障，音、視頻通話清晰流暢。
小結
與市面上現有的視頻通信軟體，諸如Skype和QQHD等相比，」家家聊」在相同碼率下的視音頻編碼主觀質量有明顯優勢，更能輕鬆實現720P及1080P解析度的高清視頻編碼;更為重要的是，」家家聊」高清版針對國內家庭寬帶網速進行智能適配，達到視頻質量和流暢度的均衡及綜合體驗非常好的;結合「悅盒」的全遙控器操作方式、以易用性為核心的UI/UX設計，必將TV大屏上的、全面領先的視音頻通信體驗帶入千家萬戶。
隨著HME視頻編碼技術向HEVC/H.265平滑演進以及國內運營商光纖網絡提速步伐的加快，不久的將來，」家家聊」高清版將為中國的家庭用戶帶來全高清1080P，甚至是革命性的4K超高清視頻通信體驗。■
