多校區無縫實現高清視頻會議

文/秦海江

多校區無縫實現高清視頻會議

文/秦海江

視頻會議系統是一種應用網絡技術和音頻/視頻編解碼技術來實現虛擬會議的多媒體通信系統，能使地理上分散的用戶在網絡上通過視頻、聲音、文本等信息流進行交互，具有極其廣泛的發展前景和應用價值。

高清視頻技術協議

對于高校來說，高清視頻會議系統不僅可以進行即時、交互式的行政會議和面對面的視頻交流，及時響應高校決策層的方針政策和重要工作的部署，還可以節約學校各校區間管理人員的開會時間，提高工作效率，同時也為學校科研、學術交流、技術培訓等遠程視頻應用提供便捷而快速的手段。本文實現的高清視頻會議的技術協議有H.264協議和H.239協議。

H.264協議

H.264/AVC(Advanced Video Coding)是ITU-T和MPEG合作制定的視頻碼標準，該標準同時作為MPEG-4的第10部分，是目前最新的視頻編碼。與以往的標準相比較，H.264在幀內編碼、幀內預測、變換量化和熵編碼等方面采用多種新技術，大幅提高編碼效率。H.264具有以下優勢：

1. 壓縮性能：相較于H.263v2（H.263+）或MPEG-4 Simple Profile，在相同編碼器最佳化的條件下，H.264最多可節省50%的位速率。

2. 抗錯性（error resilience）：H.264 具有較強的的抗誤碼特性，可適應丟包率高、干擾嚴重的信道中的視頻傳輸，它不但能處理封包網絡的封包遺失，還能針對容易發生錯誤的無線網絡，處理可能出現的位錯誤。

3. 網絡友善性：透過網絡的適應層，H.264位串流容易在不同網絡上傳輸，從而獲得平穩的圖像質量。

H.263、MPEG2、MPEG4和H.264壓縮性能的比較如圖1所示，橫坐標軸代表碼率(單位:kbps)，縱坐標軸代表圖像質量。信噪比越高，圖像質量(單位：dB)越好。從圖1可以看到MPEG2若要達到和H.264一樣的畫質，需要更高的碼率，當圖像質量達到35dB時，MPEG2需要2200kbps的碼率，而H.264則需要不到900kbps的碼率。上述優點使得H.264成為許多視頻應用的理想技術協議標準。

H.239協議

H.239協議又稱為雙流技術。2003年7月，ITU批準了H.239標準，該標準支持“Additional Media Channels for H.3xx System”，即在一次呼叫建立媒體連接后，在2個H.239終端之間傳送兩路媒體流，這2條媒體流共享呼叫帶寬，采用該技術的終端能夠同時發送/接收兩路視頻流。這樣僅需要通過共享網絡帶寬便能使終端得到更多的信息，無需更多的資源，通過最小的代價獲得更多信息。此項技術，可以實現雙流視頻服務，在視頻會議中同時傳送和顯示多路視頻信息，H.239雙流發送過程如圖2所示。

圖2中終端設備使用Open Logical Channel(extended Video Capability)消息請求打開輔流通道，在終端需要發送輔流時使用Logical Channel Active消息激活輔流通道，發送輔流完成后發送Logical Channel Inactive消息使輔流通道休眠，最后采用Close Logical Channel消息關閉輔流通道。采用此方法可以快速地將類似Power Point等制作的幻燈片、打開的Word文檔、DVD視頻信號等其他形式的PC桌面內容實時傳送到會議中的其他分會場。

圖1 H.263、MPEG2、MPEG4和H.264壓縮性能比較

圖2 H.239實現消息流程

整合資源構建高清視頻系統

校園網是在學校區域內為學校教育提供資源共享、信息交流和協同工作的計算機網絡信息系統，具有用戶數量大、類型多，管理策略豐富，線路穩定、安全、可靠等特點。

高清視頻會議系統不僅可以進行即時、交互式的行政會議和面對面的視頻交流，還可以為科研、學術交流、技術培訓等遠程視頻應用提供便捷而快速的手段。

近年來隨著校園網系統性的建設、升級改造，高校分校區均以1000M光纖互聯互通，網絡線路上的穩定性、安全性等都比公眾網具有優勢，對大流量視頻系統應用起到網絡線路保障作用。學校校園網集建設、管理、維護于一體，在各校區間的各種視頻會議系統作用成本相對較低。

視頻會議需求分析

根據校園網的特點，視頻會議系統要實現學校各校區之間、校區內部各部門之間的網絡視頻會議以及國際國內的遠程網絡視頻會議的連接。在保障學校內部召開各種視頻會議的同時，也要滿足與上級主管部門、校際和國際學術交流活動以及與其他學術機構視頻會議對接的需要，系統建設要充分利用學校現有資源，實現資源的高度整合和系統的互聯互通，建成后不僅要具有視頻功能，還要具有召開大型會議、遠程呈現、培訓、調度、重要事跡報告等功能，能實現電視和網絡直播和廣播功能，將來還能向更高帶寬和更高圖像質量擴展。系統要能實現平滑擴容和升級，可實現集中控制與管理以及遠程維護等需求。

設計原則

1. 先進性：采用HD720P及以上的高清產品，具備寬帶音視頻技術，支持最新國際主流技術標準和規范，符合計算機、網絡通訊技術和視頻會議技術的主流發展方向。

2. 實用性：系統操作應用靈活方便，易于掌握，針對實際應用的特點，具有多種管理方式。

3. 集成性：集成度高、體積小、重量輕，便于移動和連接，具有豐富的數據接口，便于相關設備接入后一體化協作工作。

4. 可擴展性：有充分的擴展預留接口，便于融入隨新技術發展而擴展的新功能，并符合IETF的SIP技術標準。

5. 靈活性：具有符合相關國際標準的軟件、硬件、通訊、網絡、操作系統和數據管理系統等方面的接口和工具，能夠適應多功能、外向型的要求。

6. 安全性：系統各環節具備權限及訪問控制機制，支持分類加密系統。

7. 可靠性：對工作條件和工作環境要求較低，系統啟動快，系統掉電或網絡傳輸中斷后可以快速恢復正常，具備分級診斷和故障提示功能，支持冗余備份和長期穩定的工作。

關鍵設備技術要求

1. 終端設備：終端設備應具有豐富的網絡接口、高清音視頻等接口，適合大、中型會議室的需求，同時還要兼容第三方常用攝像頭，支持ITU-T H.323、SIP協議標準，IP速率支持2Mbps，支持H.239雙路動態視頻標準、H.264視頻編解碼標準；支持高清晰HD畫面編解碼技術（1280×720）、DVI SXGA（1280×1024）視頻輸入和DVI XGA（1024×768）輸出接口；支持IPv6版本協議；支持H.235安全認證；支持流媒體（streaming）直播、轉播、廣播等功能。

2. MCU：采用CPCI總線設計，插卡式結構，支持熱插拔，能滿足電信級的應用；支持ITU-T H.323、H.320、SIP協議標準；MCU可進行多點會議的切換和控制，保障會議清晰、流暢的需求，能支持既定終端接入容量，還應滿足系統擴容的需求；支持ITU H.239雙路動態視頻標準、H.264視頻編解碼標準；支持混速會議、混協議會議，可實現動態多種分屏模式，能支持20種以上分屏顯示模式及30路以上分屏顯示效果。網控中心可以通過MCU內置Web服務器的視頻管理和控制功能，進行多點會議的設置、召開、管理和會議控制。

3. 錄播服務器：擁有一體化構架，嵌入式操作系統，可直接實時錄制會議數字碼流，通過網絡直接接收MCU轉發的數字視音頻碼流，避免因二次編解碼帶來的圖像和聲音損失。錄制后的文件存儲在本地硬盤中，碼率及分辨率與原會議均保持一致。設備存儲空間應不小于250G，會議錄制時間應不小于600h。服務器支持HD(1280×720)高清及4CIF、CIF會議的錄制，可提供基于Web的客戶端在線點播服務，支持多用戶實時點播，支持視頻會議終端撥入錄播系統回放錄制的會議實況，支持單點錄制、點對點會議錄制、多點會議錄制等多種方式，方便不同類型的使用需求。

系統實施要點

1. 高清攝像機：為獲得高分辨率圖像，需要配置16∶9標準支持真實高清(最低720p)的視頻會議攝像機。攝像機與視頻會議終端設備出自同一制造商為最佳，以保證攝像頭和終端設備的功能達到最優化，從而獲得最佳的端到端高清視頻會議圖像質量。

2. 高清MCU：MCU必須支持真實高清(至少720p)，并保持30幀/秒，才能使多點視頻會議達到點對點的音視頻效果，還必須是標準化(H.264)產品，從而滿足盡可能多的多點通話。

3. 高質量的網絡：為實現高質量的視頻會議，網絡寬帶是一個不可或缺的因素。高清互動視頻會議要求最低的數據傳輸速率為1Mbit/s，為達到最好的效果，數據傳輸速率達到或超過2Mbit/s，通過增加寬帶，獲得最佳音視頻效果以及額外的內容共享。同時網絡QoS功能可保證視頻會議獲得穩定、連貫的效果。

4. 高分辨率的顯示器：高清視頻顯示器(液晶、等離子或投影儀)必須支持最低為720p的水平分辨率。另外，顯示器應該配有支持高清信號的接口，如DVI-I數字接口或色差分量接口YPbPr。

5. 高清數據接口：高清視頻會議的終端必須是高清兼容設備，系統設備都要支持高清數據接口（高清接口參數的區別見表1），才能使系統整體呈現高清音視頻。具體工程實施過程中，要根據高清接口的信號傳輸模式、格式、距離等特點，合理布置設備的物理位置，使系統整體效果達到最佳狀態。

圖3 高清視頻會議系統實施方案

多會場視頻會議互聯互通

以專業MCU和硬件視頻會議終端與桌面軟件終端無縫聯結的原則來構建系統。如圖3所示，四川大學望江、華西、江安三個校區會場各配備1臺高清視頻終端，江安校區配備1臺MCU，系統設備通過10/100/1000M以太網口連接到校園網絡上。各終端協議采用H.323，對外需要實現公網H.323的互通，通過物理背靠背兼容連接方式來實現與外網H.323協議音視頻信號的互聯互通，同時也能滿足與專網H.320的兼容聯接，再配備1個POTS普通電話接口，可以連接1條普通電話線，滿足會議備份及外出人員語音加入會議的需求。

會場主要功能

會場的主要功能如下：

1. 可以分屏觀看各分會場情況。

2. 可實現視頻雙流、多種電子文檔的共享（Word、Excel、PDF、JPG和PowerPoint等文檔）文字交流和文件上傳以及電子白板功能。

3. 召開大型視頻會議時，系統各分會場可參與到大型視頻會議中，實現會議發言、應急指揮、遠程調度、視/音頻信號接收，收看實時交互信息。

4. 各會議節點可作為分會場即時連接到視頻會議主會場。

5. 支持電視信號接入及流媒體的直播、轉播、廣播功能。

6. 進行視頻會議錄像資料的存儲、查詢、回放等會議音視頻信息的管理，授權用戶可以通過Internet隨時隨地進行視頻會議的遠程點播。

視頻會議運行方式

表1 高清接口參數比較

1. 點對點視頻會議：網絡中任何一臺視頻會議終端都可直接呼叫全網內的其他任何一臺視頻會議終端，召開一個點對點的視頻會議。

2. 小規模多點會議：任何一個視頻會議會場都可召開小規模的多點會議。任何兩臺連接到數據網絡中的視頻會議終端都可以參與到召開的視頻會議中。

3. 全網大型視頻會議：采用MCU呼叫全網視頻會議終端加入視頻會議，任何一個視頻會議會場都可加入到全網的大型視頻會議中。

4. 分組視頻會議：可召開分組視頻會議，各組之間互不影響。

該系統除了滿足校區之間的高清視頻會議應用之外，同時通過技術連接方案也兼容上級主管部門視頻會議系統的互聯互通，在實現與香港工業局面試我校學生的外網實際應用中，音視頻信號穩定、清晰、連貫，達到系統建設預期效果。視頻會議系統是學校信息化建設的重要工程和基礎工作，也是教育系統召開會議和應急指揮的主要渠道。為保障系統運行的穩定性和可靠性，提高運行效率，在系統建成使用時，還要制定出視頻會議系統的管理制度。落實好使用申請與技術保障部門，管好用好視頻會議系統，讓它在實際應用中真正發揮出實際的作用。

視頻會議系統建設是一個系統工程，在建設前要針對自身業務特點進行需求分析，對各種不同的技術方案進行對比、分析，盡可能做到各種設備的功能、性能的有機配合，使設備的配置科學化、梯次化，既不浪費設備功能、性能，又要避免各個設備之間不出現瓶頸，做到物盡其用。

(作者單位1為四川大學信息管理中心，2為四川大學計算機學院)