MCU級聯的省—市—縣三級高清視頻會議系統設計

張常亮，馬渝勇，劉一謙，譚紅賓

(四川省氣象信息中心，四川 成都 610072)

隨著網絡技術與視音頻技術的不斷發展，高清視頻會議系統相關技術被廣泛應用于視頻會議系統［1］的構建中，相對于標清視頻系統來說，高清視頻會議系統在視頻和音頻效果上有著質的變化，加之高清視音頻系統設備采購價格的逐步降低，高清視頻會議系統在各行業用戶中的應用會更加廣泛。

由于氣象業務對實時性和準確性的要求日益凸顯，需要大量的圖文數據進行交互協同，才能準確地制作各類天氣預報產品，視頻會商系統［2］在預報業務中的應用不斷增多，要求也逐步提高。但同時現有全省標清氣象視頻會商系統還存在明顯不足，視頻圖像和計算機圖像質量不高，省到市(州)局的會商系統功能不完善，市(州)到省無法發送雙流信號，市(州)到縣局還沒有會商系統，無法滿足氣象信息化建設和氣象服務需求。因此，建設覆蓋省—市—縣三級級聯的高清視頻會議系統是十分必要的。

但是如何根據自身業務的要求，量身定制，對視頻會議設備進行合理搭配，選擇一套合理的視頻會議系統，使設備的配置科學化、梯次化，做到既不浪費設備功能、性能，各設備之間又不出現瓶頸，既能滿足業務需求，又能節省資金，成為視頻會議系統設計應用面臨的問題。

1 高清視頻會議系統設計

1.1 原有標清系統

如圖1所示，全省標清視頻會商系統包括1個省級中心和21個分會場，運行在省到市2 Mbit/s碼率(下稱帶寬)SDH上，省中心機房部署1臺RADVISION VIP400 MCU完成全省會議的多點控制，最多支持24個點，1臺網閘服務器，用于全省終端的注冊管理，省氣象臺配1臺Tandberg視頻終端;21個分會場分別部署1臺Sony PCS－11P視頻終端及顯示系統和擴聲系統。該系統的圖像的清晰度和MCU端口數已不能滿足業務需求，需對全省視頻會商系統進行重新設計和規劃。

圖1 四川氣象標清視頻會商系統

1.2 三級高清視頻會議系統設計

高清視頻與標清視頻的主要區別有:圖像分辨力由CIF(352×288)變為720p(1280×720)，圖像由隔行掃描變為逐行掃描，圖像由4∶3變為16∶9。

構建高清視頻系統要求具有高清攝像機，高清編解碼器，多路分量、HDMI或DVI等標準的高清接口，高清的揚聲器拾音器，高清的雙流，高清的顯示器和高質量網絡的保證機制。根據高清視頻會議系統的基本要求和全省氣象業務的實際需要，系統建設目標是設計實現省到市1080p，市到縣720p的省—市—縣三級級聯高清視頻會議系統。

1.2.1 網絡環境分析

四川氣象廣域網絡系統是以四川省氣象局為中心、21個市州氣象局為分中心、160多個臺站組成的星型與樹型結構相結合的氣象廣域網絡系統。

構建高清視頻會議系統的網絡帶寬為省—市4 Mbit/s、市—縣2 Mbit/s。該網絡是業務專網，主要用于氣象觀、探測資料和氣象預測預報相關業務的傳輸，也有行政辦公等應用，是一個綜合業務應用網絡，這些業務共享線路帶寬，氣象業務數據流主要集中在規定的發報傳輸時次，帶寬占用呈脈沖狀態，數據流量大，沒有作優先級設置。

1.2.2 傳輸帶寬設計［3］

根據構建省—市—縣三級高清視頻會議系統的設計要求，系統需要實現省局到市局(一級到二級)1080p視頻會議、市局到縣局(二級到三級)720p視頻會議的省—市—縣三級全網高清視頻會議。

通過對現有網絡環境的分析，在現有省到市4 Mbit/s、市到縣2 Mbit/s的帶寬條件下進行了4 Mbit/s，3.5 Mbit/s，3 Mbit/s，2.5 Mbit/s，2 Mbit/s，1.5 Mbit/s，1.2 Mbit/s，1 Mbit/s等帶寬下召開高清視頻會議時的網絡壓力測試，以及氣象實時業務的影響程度，經過綜合考慮，除去其他氣象實時業務占用的帶寬，高清視頻會議系統最高可占用2 Mbit/s帶寬來召開1080p視頻會議，最高1.2 Mbit/s帶寬來召開720p視頻會議;召開省—市—縣三級視頻會議時，考慮到市到縣之間的網絡承載能力，最高可使用1.2 Mbit/s的帶寬召開720p高清視頻會議。經過兩年多的使用，該網絡帶寬設計是能夠滿足視頻會議傳輸要求的，只是在氣象業務數據流集中傳輸時會出現與視頻會議數據爭搶帶寬的現象。

1.2.3 關鍵設備選型要求

高清視頻會議系統需運行在四川省氣象部門的實際網絡環境之下，所選設備需充分考慮產品的網絡適應能力。具體要求見表1。

2 高清視頻會議系統實現

2.1 系統架構

根據高清視頻會議系統的建設要求，在現有網絡環境下，通過對高清視頻系統關鍵設備進行選型，組建最合理的三級級聯高清視頻會議系統，整個系統結構如圖2所示。

表1 關鍵設備選型要求

系統采用高清多點控制單元MCU(POLYCOM RMX1000)23臺，省局和各市局分別部署1臺;高清終端(POLYCOM HDX7000/HDX8000)共165臺，其中21個市局各部署 1臺 HDX8000，143個縣局各部署 1臺HDX7000，終端均含高清攝像頭;會議保障語音電話(POLYCOM IP550/IP650)20臺，省局和各市局分別部署1臺;省局另部署高清錄播服務器(POLYCOM RSS2000)1臺，視頻會議管理服務器(POLYCOM CMA4000)1臺。

圖2 四川氣象高清視頻會議系統

2.2 系統的應用

四川氣象高清系統建成后，在汛期服務特別是災害應急氣象保障工作中發揮了重大作用，提升了視頻會商的效果，視頻圖像清晰，達到高清效果，實現了原標清系統所不具備的雙向雙流功能，完全滿足氣象部門的業務需求。該系統主要用于省局和各市州局的日常天氣視頻會商、全省的工作會議、重大天氣過程視頻會商、轉播國家局會商和會議、市局片區天氣會商和會議、西南區域天氣會商和會議等。該高清視頻系統的主要特點有:

1)視頻清晰流暢。目前整套系統為全省氣象部門的會商會議實現高清效果。經過反復測試，在實際使用中，使用盡量少的帶寬實現了高清效果。省局到市局召開會議使用1728 kbit/s的帶寬，充分保證實現了1080p的超高清效果，市局到縣局使用1280 kbit/s的帶寬。在召開省—市—縣級聯會議時，使用1470 kbit/s帶寬，實現720p高清效果。

2)音頻清晰、立體聲質感強烈。POLYCOM的揚聲器都是高保真、立體聲的全向揚聲器，能夠實現360°全向拾音，拾音半徑可以達7 m。

3)雙流內容同樣高清晰。POLYCOM目前能夠實現會議中主流和輔流的雙路720p，即高清視頻和高清雙流同時支持720p。

4)CMA服務器實現全面管理。CMA服務器可以對在線的終端進行實時監測，包括設備的狀態、網絡狀況等;對終端所使用的帶寬進行監測，并可用拓撲形式表現出來;對召開會議的頻率進行統計，并已圖形化顯示。

5)CMA Desktop桌面軟終端將視頻會議延伸至桌面。

6)會議保障電話實時保障會議順利進行。省局配備的IP650，根據市局的數量添加了模塊，按下對應市局的快捷按鈕，便可迅速接通市局;市局配備的IP550，摘機就可直播省局，操作簡便。

3 高清視頻會議系統關鍵技術［4］

現階段，高清視頻會議系統編解碼主要采用H.264，它比以前H.263和MPEG－4提高編碼效率約50%。同等的圖像質量條件下，數據壓縮比較MPEG－2高2～3倍，比MPEG－4高1.5～2倍，比H.263高2倍。網絡通信協議主要有H.323協議、SIP協議和H.239協議等。高清系統要求核心設備基于ITU－T H.323標準協議，MCU和終端需同時支持IETF SIP協議，支持H.323和SIP混合組會;支持H.239雙流協議，在省、市、縣高清多點會議中所有會場終端均可實現雙流發送和接收，PC圖像清晰度可以達到1024×768及以上。

高清視頻會議系統的關鍵技術主要包括視頻編碼、高清視頻信號接口、網絡通信協議、圖像標準和MCU級聯技術等。文章主要對圖像標準、高清視頻信號接口和MCU級聯技術的研究和應用進行介紹。

3.1 高清圖像標準

視頻會議發展之初，是以CIF(352×288)格式作為視頻會議標準。到了21世紀，視頻會議系統提升到4CIF，現階段國際標準定義高清為720p(分辨力1280×720，24～60 f/s)和1080p(分辨力1920× 1080，24～30 f/s)。視頻分辨力的業界標準如圖3所示。

圖3 視頻分辨力的業界標準

圖4 4種高清視頻信號接口

3.2 高清視頻信號接口

高清視頻信號接口的研究對于高清視頻系統的構建和顯示設備的選擇具有重大的指導意義看，目前主流的高清信號接口有HD－SDI(高清數字分量串行接口)、色差分量、HDMI(高清晰度多媒體接口)和DVI(數字視頻接口)等，如圖4所示。色差分量和DVI是目前在視頻會議系統設備上使用較多的接口，HDMI能夠同時傳送音頻和視頻信號的高清接口，數據傳輸速度最高可達5 Gbit/s，而且在信號傳送前不需要進行數/模或者模/數轉換。

HD－SDI是根據SMPTE(攝影與電視工程師協會)202M，在 1.485 Gbit/s或者 1.485/1.001(Gbit·s－1)的信號速率條件下傳輸的接口規格，該規格規定了數據格式、信道編碼方式、同軸電纜借口的信號規格、連接器及電纜類型與光纖接口等，具有架設距離長、使用一根同軸電纜傳輸視頻和音頻信號等優點。HD－SDI接口是目前廣電行業標準的高清接口。在實際應用中，應根據系統建設需要選擇最適合的接口，4種高清接口的比較如表2所示。

表2 高清接口比較

3.3 MCU 級聯

對于一個大型視頻會議系統，當其視頻終端的數量超出了單臺MCU最大系統容量，則需要MCU級聯的方式實現所有終端集中在一個會議里面，即把MCU串聯起來，串聯是分層的，一層一層下去。目的把相同或不同的MCU設備連接起來增加MCU端口數。

MCU和終端的連接網呈星形狀態，通常放置在星形網絡的中心處，即參加會議的各個終端都以雙向通信的方式和 MCU相連接。在級聯中，處在上面的一層的MCU是上層MCU，處在下層的 MCU為從MCU，從MCU受控于上層 MCU。在高清系統設計中，采用了省級MCU(第一級)級聯21個市級MCU(第二級)的方法，市級及所屬縣級的終端均由市級MCU管理，將視頻系統延伸至三級。

系統所采用的MCU(POLYCOM RMX1000)支持數字級聯，具體設置方法為:省、市級MCU分別建省—市—縣級聯會議模板，設定主MCU連接速率為1472 kbit/s，會議模式為演講者模式，視頻質量最高至720p;從MCU設定連接速率為1280 kbit/s，啟用從級聯策略，會議模式為演講者模式，視頻質量最高至720p，其余設置為默認。

級聯會議中，MCU自動采用演講者模式，演講者設置為省局MCU，演講者觀看對象設置為市局終端。此時，省局節點觀看到的是所有市、縣局節點會場的輪詢畫面，各市州局和各縣局節點觀看到的是省局節點的畫面。如需某市局發言，則在主MCU中修改演講者為此市局的MCU，再到此市局的MCU中將畫面切換到需要發言的會場即可。圖5為省市縣三級級聯會議召開時主MCU的操作界面，省級MCU實現了對市級MCU的數字級聯。

圖5 省市縣三級級聯會議操作界面

4 結束語

系統實現了省—市可召開1080p高清會議，市—縣可召開720p高清會議，建成全國氣象部門首個覆蓋省—市—縣三級的高清視頻會商(會議)系統，為氣象部門的天氣會商和會議發揮了重大的作用。現階段，視頻會議系統需要解決網絡服務質量(QoS)保障欠缺、接入網的帶寬問題和網絡數據優先級設置等問題。隨著網絡技術和視頻技術的不斷發展，高清視頻會議系統將會更加普及和完善。

［1］葉冬茂.會議系統行業發展概述［J］.電聲技術，2007，31(S1):26－27.

［2］陳建華，詹葉青.智能會議系統工程的設計［J］.電聲技術，2004，28(8):12－14.

［3］李棟，李媛敏，張秋華.1080p高清視頻會議系統設計應用案例［J］.電視技術，2010(10):109－110.

［4］胡勇，周敬利，余勝生.基于網閘連接的視頻會議系統服務質量控制及實現［J］.計算機工程與應用，2001(8):66－67.