基于H.323协议终端兼容与优化方法研究

田 娟，方国强，卓刘珺

(四川省气象探测数据中心，四川 成都 610072)

多媒体通信技术可以不受时空的限制进行图像、声音、文字的交流，视频会议系统就是依托这种技术的一种通信系统[1]。采用视频会议的方式，不同会场之间不仅可以相互听到声音，还可以进行视频图像和文字的交流。这不但拉近了与会者之间的距离，增强了临场感，还能够提高工作效率，降低远距离会议的费用。近年，在疫情影响下，“无接触”成为会议召开的关键词，而视频会议这种便捷高效的会议方式成为了各个部门的首选。

从1990 年开始，ITU-T 就陆续制定了一系列多媒体技术标准来规范其图像、声音、数据的通信方式。常见的有基于N-ISDN的会议终端协议H.320，基于分组交换网络的会议终端协议H.323，基于PSTN 的会议终端协议H.324[2]。H.323 是基于现有的TCP/IP 网络平台，可以在同一平台上实现语音、视频、数据的三网合一，充分利用了带宽资源，是目前应用较为广泛的终端协议。严格遵守H.323 协议的通信终端，具有良好的开放性和互通性，正是这种特性使得不同厂商的终端可以互联互通。但是，H.323 只是一个框架性协议，许多方面并没有做出明确规定。对标准理解程度不同，编码和实现方式就不尽相同。因此，各个厂商基于标准H.323 开发的终端存在兼容性问题。本文以四川省气象视频会商系统为研究对象，对基于H323协议开发的不同终端的兼容性进行了研究，提出了几种融合优化的方法，在实际应用中得到了良好的效果。

H.323协议被普遍认为是目前在分组网上支持数据、图像、语音业务最成熟的协议，广泛应用于视频会议、远程监控、交互式网络视频、视频新闻等领域。其系统包括终端（Terminal）、网关（Gateway）、网守（Gatekeeper）和多点控制单元（Multipoint Control Unit，MCU）[3]。其中，终端、网关、多点控制单元是H.323 中的终端设备，是网络中的逻辑单元。

终端是分组网络中能够提供实时、双向通信的节点设备，也是一种终端用户设备，它可以和网关及多点控制单元进行通信，所有终端都支持语音通信，视频和数据通信可选。H.323终端功能结构如图1所示。在发送端，音视频I/O 设备获取信号，经编码器压缩并打包成一定格式，通过网络发送出去。在接收端，来自网络的数据包首先被解包，得到的音视频解压数据经解码器解码后送入输出设备，用户数据和控制数据也得到相应的处理。

图1 H.323终端功能结构图

H.323 包含多个功能单元及协议。视频编解码器通信协议H.261等，完成对视频码流的冗余压缩编码。音频编解码器通信协议G.711 等，完成语音信号编码的编解码。系统控制单元中的通信控制协议H.245 负责逻辑信道的关闭、参数的设定、收发双方的能力协商以及多点会议中心呼叫各逻辑信道的配合控制。“H.225.0层封装”将音视频、控制等数据格式化并发送，同时从网络接收数据，并完成逻辑分帧、加序列号、错误检测等[4]。

2.1 视频编码协议

针对视频编码协议，所有终端必须支持H.261 标准，H.263、H.264 可任意支持某一种。相较于H.263，H.264 具有更高的压缩比、更好的IP 和无线网络信道的适应性，在相同的带宽下能提供更加优秀的图像质量，是目前市面上大多数终端都会选择的一种视频编码标准[5]。但是，对于较老终端或少数终端可能支持H.263 标准。因此，一个平台要兼容多类终端就需要支持多种视频编码标准。其中，H.261标准是H.323中本身就包含的。H.323对H.263提供了支持接口，只要按照接口规定要求加入实际编解码库即可实现H.263的视频互通。但是，H.323 不直接提供H.264 的支持，而是由随后发布的H.241 标准来扩展。因此，需要添加H.323 对H.264 的能力支持和H.264 的能力实体，以实现H.264 视频的互通。H.323 协议栈中的视频传输流程如图2所示。

图2 H.323视频传输流程图

2.2 视频分辨率

市面上主流的视频分辨率有QCIF、CIF、4CIF、720P 以及1080P，分别对应的图像长宽像素点为176x144、352x288、704x576、1280x720、1920x1080。其中720P、1080P分别称为标清（SDTV）和高清（HDTV）视频[6]。高分辨率的终端可以向下兼容低分辨率的终端。但是一个系统中可能存在较老终端，分辨率较低，如果为适用新终端只编码一种格式的视频图像就会导致一些终端无法解析视频，带来较差的兼容性。因此，为使系统达到一定的兼容能力可以编码多种视频图像格式以适应不同终端。

2.3 H.225.0层封装数据

此外，两个不同的终端在进行通信时，H.225.0层封装的数据包在他们之间无法解析或解析不好也会导致两者兼容性差。具体表现为对方终端收不到信号、黑屏或者图像模糊等现象。“H.225.0 层封装”负责将音视频、控制等数据格式化并发送，同时接收来自网络的数据[7]。因此，它是两个H.323 终端通信时发送/接收的数据格式。其中，时实音视频数据信号用RTP 封装，H.225 呼叫控制信息、H.245 数据及消息用TCP 封装，RAS 消息用UDP 封装。H.323 通信协议栈组成如图3 所示。由于各个厂商终端H.323 部分的实现不尽相同，原始代码也是公司机密，这使得要完全编码出一模一样的交换数据包基本不可能。不同终端要兼容，只能使他们H.225.0层封装出的数据包尽量相同，使不同终端均能解析。

图3 H.323通信协议栈组成图

服务器的编码分发规则也直接影响到整个会商系统的质量，需要根据系统特点制定一套适用于本系统的编码分发规则。以四川省气象视频会商系统为例，其系统结构如图4 所示。该系统属于省市县三级级联结构，可召开省市县三级和市县两级会议，省局和各市州局均建有自己的编码分发服务器，县局只有会议终端。根据系统特点制定了以下分发编码规则。

图4 四川省气象视频会商系统结构图

⑴将省局编码分发任务固定在省局的服务器上。各市州局编码分发任务固定在市州自己的服务器上。如果市州有两台服务器的，将县局终端分散部署在两台服务器上，以缓解服务器压力。这样既满足了自建资源自己使用的原则，又合理利用了资源，不会使某几台服务器处于满负荷状态，导致服务器卡死、画面突然黑屏、闪烁等现象。

⑵省局一共建有六台服务器，如果省局现运行的某台服务器挂掉，可按规则转入另外一台服务器。市局现运行的服务器挂掉，如果市局有两台服务器的，转入下一台服务器，如果没有则转入省局的服务器。

⑶为避免有服务器挂掉后很多终端都集中在某一台服务器上运行这种极端情况出现，可限定服务器的最大接入用户数。

四川省气象视频会商系统包括华为、宝利通、网动三个品牌的终端。其中华为和宝利通各个系列，不同型号的终端都有包括，网动作为最新引入终端。系统建设完成后，整个系统基本兼容了所有终端，但是兼容效果并不好。具体表现为：某个终端无法解析省局分发的视频，导致丢帧率特别严重或者直接黑屏；
由于实时带宽跟不上，视频出现延迟、马赛克严重等现象。系统融合优化前部分视频效果如图5所示。

图5 系统融合优化前部分视频效果

为使得这些来自不同厂商，不同型号的终端互联互通且达到一定的分辨率要求，按照上诉方法做了融合优化。服务器的编码分发规则按上诉规则执行，并根据实际需要做了一些细微调整。

针对视频协议，除H.323本身就包含的H.261标准外，系统还支持H.263 和H.264 标准，以满足不同终端对视频编码协议的需求。在配置视频协议选项时系统提供了三个选项，分别是“自动”、“H.263”、“H.264”，如图6所示。各个终端可根据自身情况和时下网络情况选择对应协议，也可选择“自动”选项，让终端之间在进行能力协商阶段自动匹配。

图6 视频协议配置选项

针对编码图像大小，系统定义了CIF、4CIF、720P、1080P 四种图像格式。在配置视频大小选项时系统提供了五个选项，分别是“自动”、“352x288”、“704x576”、“1280x720”、“1920x1080”，如图7 所示。同样的，各个终端可根据自身情况和时下网络情况选择对应视频大小，也可选择“自动”选项自动匹配。

图7 视频协议配置选项

除数据包解析不好导致通信质量不好外，网络也是其中的一个影响因素。当网络不好时只能通过降低码流的方式解决。系统定义了三种码流格式，如图8所示。主码流定义的是当带宽高于2M 时，发送视频大小为1920x1080p；
子码流1定义了带宽在1M-2M之间发送视频大小为1280x720p；
子码流2定义了带宽在512K-1M之间发送视频大小为704x396p。

图8 码流设置

经过融合优化，终端卡死、掉线，视频丢帧、延迟、马赛克等现象得到明显改善。视频的分辨率也得到提高，大多数终端的分辨率能达到720p及以上。融合优化后的部分视频效果如图9所示。

图9 系统融合优化前部分视频效果

视频会议系统已经发展得很成熟。近年，在疫情影响下市场的认可度也是只增不减，各个厂商非常看重自身品牌在市场的占有率。但是，各个品牌终端的兼容性问题仍是需要关注的，也是市场所需要的。

本文以自建视频会商系统为研究对象，在系统面临升级改造或引入其他品牌终端时，对各终端之间的兼容性进行了研究。研究发现视频编码协议、终端分辨率、H.225.0层数据封装方式以及服务器的分发编码规则都会影响终端之间的兼容性。针对每种影响因子，提出了相应融合优化的方法，在实际应用中取得了良好的效果。希望该优化方法能为有关视频会商系统升级改造提供参考。

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