現(xiàn)代遠(yuǎn)程雙向視頻教學(xué)系統(tǒng)陳汝均

內(nèi)容提要：雙向視頻教學(xué)系統(tǒng)是遠(yuǎn)程教學(xué)的一種新的重要教學(xué)手段，它能實現(xiàn)遠(yuǎn)程交互教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。在建設(shè)過程中，必須首先考慮充分利用各種媒體資源，提高主課堂的信號質(zhì)量。在目前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，只能選擇地面通信系統(tǒng)傳輸信號。要實現(xiàn)視頻信號雙向傳輸，就得將視頻信號數(shù)字化。對數(shù)字信號傳輸帶寬和信號質(zhì)量這兩方面，應(yīng)根據(jù)實際情況作出正確選擇。為達(dá)此目的，本文對有關(guān)問題進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：雙向視頻、數(shù)字信號、取樣、量化、編碼

遠(yuǎn)程教育是傳輸知識、培養(yǎng)造就人材的重要途徑。遠(yuǎn)程教育已經(jīng)成為我國教育體系的重要組成部分。早期遠(yuǎn)教視頻系統(tǒng)是單向系統(tǒng)，主要利用閉路電視系統(tǒng)和單向衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。傳輸范圍較小，教師不能觀察遠(yuǎn)程教室學(xué)生的反映，學(xué)生也不能向教師提問，無法進(jìn)行互動教學(xué)，因而教學(xué)效果不太理想。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計算機(jī)和光纖網(wǎng)絡(luò)的普及，使得雙向視頻系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程教學(xué)成為可能。

一、系統(tǒng)基本組成

該系統(tǒng)最大優(yōu)點就在于既可同時把主課堂的信息傳送給各分課堂，也可把各分課堂的信息傳送給主課堂。這樣就可以利用優(yōu)秀教師授課，解決邊遠(yuǎn)地區(qū)教師缺乏的問題，實現(xiàn)交互式教學(xué)，提高遠(yuǎn)程教育的教學(xué)質(zhì)量。

二、主課堂設(shè)備系統(tǒng)

（一）、主課堂設(shè)備系統(tǒng)框圖

以上框圖所表示的設(shè)備系統(tǒng)，充分利用了各種音視頻及計算機(jī)等媒體資源，使得主課堂教學(xué)信息量大，節(jié)約了時間，擴(kuò)大了空間，生動活潑，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，能達(dá)到教學(xué)效果良好的目的。

（二）、基本的技術(shù)要求

1、各種視頻信號能同步切換，保證切換前后色度、亮度等無明顯差別。如果是模擬切換臺必須要有足夠的同一同步信號源及必要的時基校正器。

2、為保證攝象機(jī)輸出的圖象質(zhì)量，首先應(yīng)選好所用攝象機(jī)，一般應(yīng)考慮選用目前廣播級中檔機(jī)，這是因為各種攝象機(jī)所能輸出的最好圖象質(zhì)量是各不相同的。其次必須選擇好照明系統(tǒng)，照明的好壞直接影響圖象質(zhì)量，無論多好的攝象機(jī)也必須在照明條件良好的情況下，才能輸出高質(zhì)量的圖象。對于照明系統(tǒng)的選擇，最好選用色溫為3200K的冷光源，色溫為3200K能獲得彩色還原好的圖象，采用冷光源既節(jié)約了電力消耗，又有利于室溫調(diào)節(jié)。

3、由于主課堂的聲音要傳送到各分課堂，必須隔絕室外噪聲，同時室內(nèi)還應(yīng)作吸音處理，以保證聲音清晰。

（三）、計算機(jī)信號處理系統(tǒng)

1、系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)的主要功能是將主課堂提供的信號，變換為數(shù)字信號提供給傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時根據(jù)需要把各分課堂傳來的的數(shù)字信號選擇傳送到主課堂。如果主課堂提供有數(shù)字信號，該系統(tǒng)也能輸入傳送出去，該系統(tǒng)還能與其它計算機(jī)系統(tǒng)相連。

2、視頻信號的數(shù)字化

要實現(xiàn)雙向視頻傳送，最基本的問題就是要將模擬電視信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電視信號。模擬電視信號是連續(xù)的波動信號，而數(shù)字信號是二進(jìn)制數(shù)字編碼的脈沖信號。要將模擬信號變換成數(shù)字信號，就是對模擬信號進(jìn)行取樣、量化、編碼，把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

⑴信號取樣

取樣是將時域連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r域離散的過程，它是由模擬信號對一個重復(fù)頻率fs的取樣頻率脈沖序列進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制（PAM）實現(xiàn)的。在頻域內(nèi)，取樣過程是模擬信號的頻譜與fs及各次諧波的卷積。根據(jù)取樣定理，若模擬信號的最高頻率為fC，當(dāng)取樣頻率滿足fs≥2fC時，從取樣的離散可信號完全恢復(fù)原始模擬信號，這可由具有矩形頻率響應(yīng)的、截止頻率為fC的的低通濾波器來實現(xiàn)。2fC為奈奎斯特頻率，在數(shù)字電視中，取樣頻率至少取為2.2fC，以使頻譜混疊引起的混疊失真在誤差容限之內(nèi)。對于全信號取樣，還必須考慮處于基帶高頻端的能量較大的副載波及其邊帶信號。在量化過程中，會產(chǎn)生副載波的各次諧波，某些諧波分量又會通過取樣而折疊到基帶中來，與基帶內(nèi)的亮度信號和色差信號互調(diào)而產(chǎn)生差拍干擾。當(dāng)取樣頻率fs與副載頻fsc不相關(guān)時,在圖象的飽和度彩色部分會表現(xiàn)出差拍干擾所引起的花紋圖案。若將fs取為fsc的整倍數(shù)，則副載波的高次諧波的折疊分量將落入亮度信號頻譜的空隙中，從而減少與亮度信號的互調(diào)。另一方面，折疊分量與原基帶內(nèi)的色度分量重合，產(chǎn)生"零拍"。主觀測試表明，在8bit量化的情況下，這種零拍干擾對色度信號的影響是不易察覺的。因此全信號編碼的取樣頻率一般取為三被或四倍副載頻。對于NTSC信號，3fsc≈10.7MHz，4fsc≈14.3MHz;對于PAL信號，3fsc≈13.3MHz，4fsc≈17.7MHz.對于分量信號，為形成正交的取樣結(jié)構(gòu)，取樣頻率應(yīng)為行頻的整倍數(shù)，即fs=mfH,而且為統(tǒng)一國際編碼，要求這些整倍數(shù)關(guān)系能對625行和525行的掃描制式兼容。對于分量信號編碼，其亮度信號的取樣頻率為13.5MHz，色差信號的取樣頻率其國際標(biāo)準(zhǔn)為6.75MHz。這些取樣頻率同時也滿足取樣定理的要求。

⑵信號量化

量化是將模擬信號在幅度上離散化的過程，即將連續(xù)的幅度值四舍五入的轉(zhuǎn)化成一組有限的量化電平。當(dāng)所有量化間隔都相等時稱為均勻量化，當(dāng)量化間隔按照某種規(guī)律變化時稱為非均勻量化。若用nbit的二進(jìn)制碼表示一個量化級則所能表示的量化等級總數(shù)為M=2n。設(shè)均勻量化時量化間隔為q，則信號的動態(tài)范圍為A≤Mq，否則會發(fā)生過載，產(chǎn)生過載噪聲。當(dāng)模擬信號幅度處在任意兩個量化電平之間時，所產(chǎn)生的量化誤差在±q/2之間，它等效與疊加在信號上的隨機(jī)噪聲，稱為量化噪聲。容易證明，量化噪聲的平均功率為N=q2/12，滿幅度正弦波（常用于分析聲音信號）的量化噪聲比為

S/N=1.8+6n[db]

滿幅度單極性信號（常用于分析亮度信號）的峰-峰值與量化噪聲的均方根值所定義的信噪比為

Sp-p/Nr.m.s=10.8+6n[db]

顯然，量化bit數(shù)越多，量化信噪比就越大。聲音信號的動態(tài)范圍較大，對于演播室的高質(zhì)量音響設(shè)備應(yīng)取16bit量化，其信噪比約98db。圖象信號的動態(tài)范圍較小，一般全電視信號的量化采用均勻量化。量化bit數(shù)越大量化噪聲越小，但設(shè)備的復(fù)雜性和傳輸帶寬也要隨之增加。電視圖象信號具有與掃描有關(guān)的周期性特點，量化噪聲也是與諧波相關(guān)的，不完全是隨機(jī)的。因此，量化bit數(shù)最終要按照對圖象的主觀評價確定。主觀評價表明，為獲得滿意的圖象質(zhì)量，量化bit數(shù)應(yīng)為7～8?？紤]到在設(shè)備之間連接時會由于反復(fù)的編解碼而引起量化噪聲的積累，通常將全信號編碼的量化bit數(shù)確定為8bit。在某些要求較高的場合或傳輸中編解碼次數(shù)較多時，也采用9～10bit量化。

⑶信號編碼

編碼是將已量化PAM信號用二進(jìn)制數(shù)碼表示的過程，編碼后的信號稱為脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號。為實現(xiàn)數(shù)字視頻信號中遠(yuǎn)距離傳輸，數(shù)字編碼的各個bit必須采取全串行的傳輸方式，隨之而來的問題是其傳輸碼率太高。例如，PAL信號以三倍副載頻取樣、采取8bit編碼時，傳輸碼率為106Mbit/s,而多工復(fù)用的分量編碼的碼率更高達(dá)216Mbit/s。如此高的碼率用目前的公共載波陸上通信系統(tǒng)或國際通信衛(wèi)星系統(tǒng)傳送都是困難的，必須進(jìn)行頻帶壓縮。

數(shù)字頻帶壓縮技術(shù)是雙向視頻的關(guān)鍵技術(shù)。頻帶壓縮編碼的實質(zhì)是削減數(shù)字視頻信號中的冗余度，即在保證圖象信號質(zhì)量不下降的前提下壓縮碼率。數(shù)字視頻信號的傳輸碼率取決于兩個因素，即取樣頻率和編碼bit數(shù)。降低碼率也要從兩個方面入手。根據(jù)冗余度的來源，頻帶壓縮編碼的基本方法有三種，即同步信號的去除、亞賴奎斯特取樣和高效編碼。

同步信號的去除利用的是視頻信號的行、場逆程期間不攜帶圖象信息，沒有必要逐點取樣，可以將它們?nèi)コ粋魉凸鈻挪糠值娜狱c。去除以后為了能使收端復(fù)源出水平和垂直同步信號，可傳送20～30bit的數(shù)字定時信號。對于復(fù)合信號中的色同步信號一場中可只傳送1～2行，以此為基準(zhǔn)，在接收端將其它行的色同步信號予以再生。

亞賴奎斯特取樣是利用視頻信號的功率譜集中在行頻及其各次諧波附近的特點，有可能用低于賴奎斯特頻率進(jìn)行取樣，而使圖象質(zhì)量不明顯下降。對于分量信號，當(dāng)取fs為半行頻的奇數(shù)倍時，折疊頻譜的下邊帶與基帶形成半行頻交錯，接收端可用梳狀濾波器去除折疊譜而恢復(fù)原始信號。

高效編碼是利用電視圖象相鄰象素之間存在的相關(guān)性，不直接對原信號編碼而對預(yù)測誤差進(jìn)行編碼，就可減少bit數(shù)，達(dá)到頻帶壓縮的目的。預(yù)測誤差實際上包含了原信號的全部信息，因為任一象素x(i,j)可以由過去的樣點及預(yù)測誤差恢復(fù)出來。任一點的象素可由下式表示

上式第一項是預(yù)測誤差，第二項是過去象素的線性組合，該式是差值PCM(DPCM)編碼的理論依據(jù)。另外根據(jù)人眼的視覺特性，視覺檢測域值隨時空圖象的內(nèi)容而變化，低于視覺檢測域值的誤差不會被發(fā)現(xiàn)。因此，如果在視覺域值小的部分取樣頻率或量化bit數(shù)取得高一些，而在視覺域值大的部分取得低一些，則能在圖象質(zhì)量不下降的情況下使碼率得到壓縮。

信號數(shù)字化后會出現(xiàn)一些原有模擬信號中不存在的問題，諸如象素失常、象素塊等值和混亂現(xiàn)象。象素塊失常是由于視頻圖象信號量化電平數(shù)太少引起的。等值現(xiàn)象是指將實際圖象信號原本有差異的一部分象素變成相同的了?；靵y現(xiàn)象是取樣過程中產(chǎn)生的失真引起的鋸齒邊緣。不同的視頻圖象壓縮處理技術(shù)對圖象質(zhì)量的影響有大有小。若經(jīng)過壓縮處理后的圖象信號質(zhì)量產(chǎn)生了明顯的損傷，稱之為"有損"壓縮方法，當(dāng)無明顯損傷時，則稱之為："無損"壓縮方法。

對于數(shù)字圖象壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這里主要介紹常用的MPEG標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-1主要用于CD-ROM、VCD或E1(T1)公網(wǎng)線路傳輸。這一標(biāo)準(zhǔn)分辨率為352×288，數(shù)碼率為1.5Mbps，壓縮比為32﹕1，圖象質(zhì)量相當(dāng)于VHS質(zhì)量。這也是目前大多雙向視頻采用的圖象處理格式。對于MPEG-2有多種級別之分，其專業(yè)級的分辨率為704Χ576，數(shù)碼率為4（5）Mbps，壓縮比為42（33）﹕1，圖象質(zhì)量優(yōu)于MPEG-1。如果條件允許可以考慮采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。

三、數(shù)字信號傳輸網(wǎng)

數(shù)字信號傳輸網(wǎng)主要由路由器、交換機(jī)、光調(diào)制解調(diào)器、光纖網(wǎng)等設(shè)備系統(tǒng)組成。其主要功能是選擇傳送所需要的數(shù)字信號，送給數(shù)摸轉(zhuǎn)換器還原成視頻信號。對該系統(tǒng)的基本要求是提供足夠的帶寬，保證誤碼率在允許范圍之內(nèi)。

四、分課堂設(shè)備

對