多元視頻互動直播系統的設計及其功能

■李礫

基于三網融合高速網絡環境設計的多屏互動直播系統，主要用于實現多用戶多終端多點實時視頻互動直播。本系統支持ADSL、WIFI、FTTH、3G 等多種互聯網接入方式；用戶可以通過攝像機、家用電腦、筆記本、iphone、ipad 或其它各種基于安卓平臺的智能手機和平板電腦等終端接入本系統實現視頻互動。基于通用終端的視頻互動應用上手簡易，大大降低了用戶操作、使用的門檻。

一、概述

1.立項背景

在三網融合不斷推進的時代背景下，電視節目競爭日益激烈。如何充分利用三網融合時代高速、雙向的傳輸帶寬豐富節目內容，提高節目質量，是業界近年來一直不斷探討的命題。我們認為，高速的帶寬能夠承載質量更高、延時更小的視頻流，因此，直播的門檻大大降低，互動的需求日益增多，節目形態也會隨之發生改變。

2.主要內容

本系統采用面向互動應用的開放式架構設計方案，達成“多屏互動、上手即用”的設計理念。解決了傳統架構系統效率與多設備多應用兼容性難以兩全的難題，能夠高效運行X86、ARM 或RISC 等處理器指令集下的大部分互動應用；能夠根據需求不斷堆疊擴展輸入輸出通道和各種功能模塊；具有較高兼容性、適應性和無縫擴展功能。以強大性能和豐富功能為“多屏互動”需求提供全面技術保障。

多屏互動直播系統不僅支持PC平臺上的視頻互動接入，還支持其他各種智能設備的視頻互動接入。不論用戶身處何地（在家、在公司、在公車上、在旅途中等等），均可通過iphone、ipad 或者各種智能手機和平板電腦接入我們的視頻互動系統與我們的節目實現互動，實現了基于開放式架構的多屏互動服務。

二、設計理念

1.多屏互動

多屏互動直播系統不僅需要支持PC 平臺上的視頻互動接入，還要能夠以簡便高效的技術方案支持各種型號的智能手機、平板電腦接入我們的視頻互動系統。

2.上手即用

我們拋棄了在各個設備平臺上研發接入客戶端的想法，以用戶群體最為廣泛的通用視頻互動應用為接入客戶端，自主開發系統接入模塊，讓用戶不用重新學習、適應新的接入客戶端，就能夠以自己最為熟悉、最常用的視頻互動應用接入我們的系統。

3.成本嚴控

在設備選型上，優先選擇基于通用平臺研發或運用廣泛、銷量大的設備，盡力降低日常維護和未來升級換代的成本；在數據傳輸通道選擇上，優先采用多元化的民用通信信道互為補充，節約了大量專用數據通道的租用經費。因此，本系統的建設成本和運維成本遠遠小于業內常用的衛星轉播系統和微波轉播系統，成為任何日播欄目都能用得起的視頻互動系統。

三、系統組成

1.硬件架構

系統硬件架構如圖1 所示。本系統能夠支持X86 處理器指令集，ARM 處理器指令集，RISC 處理器指令集下的大部分互動應用，輕松實現跨越多類設備的交互操作。嚴謹的開放式模塊規劃，使得系統升級和擴展如同搭積木一樣簡單，根據不同業務流程和節目形態的需求，可定制服務模塊集群以成倍疊加信號輸入輸出路數和編碼運算能力。

圖1 硬件架構

2.功能模塊架構

功能模塊架構如圖2 所示。專業攝像機輸出的視頻流通過壓縮編碼模塊、冗余分片模塊、鏈路聚合模塊，由數據調制模塊無線傳輸到系統控制臺；視頻流進入系統控制臺后，由編碼IO 模塊進行解碼輸出到信號處理模塊，產生標準數字串行信號輸送給各個演播室。

多屏互動應用產生的互動視頻流通過ADSL、WIFI、FTTH、3G等多種互聯網接入方式接入系統控制臺，由編碼IO 模塊進行解碼輸出到信號處理模塊，產生標準數字串行信號輸送給各個演播室。

圖2 功能模塊架構

遙控臺通過連接鄰近無線收發設備登錄系統控制臺進行監控操作。

3.網絡架構

互動視頻流由Internet 進入防火墻，經過入侵檢測和包過濾，只允許合法數據流進入我們的網絡；通過防火墻后，由路由器根據數據報文目的地址，將互動視頻數據報文轉發給系統控制臺。

四、功能模塊

1.壓縮編碼模塊

高效的視頻壓縮編碼不僅能去除視頻圖像內象素之間的信息冗余，而且具有很好的網絡親和性，能適應不同網絡中的視頻傳輸。我們選擇H.264 作為壓縮編碼模塊的標準視頻編碼。H.264 既保留了以往壓縮技術的優點和精華又具有其他壓縮技術無法比擬的許多優點。其優越性體現在以下幾點：

（1）低碼率：和MPEG2 和MPEG4 ASP 等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264 技術壓縮后的數據量只有MPEG2 的1/8，MPEG4 的1/3。

圖3 工作模塊結構

（2）高質量的圖象：H.264 能提供連續、流暢的高質量圖象（DVD質量）。

（3）容錯能力強：H.264 提供了解決在不穩定網絡環境下容易發生的丟包等錯誤的必要工具。

（4）網絡適應性強：H.264 提供了網絡抽象層（Network Abstraction Layer），使得H.264 的文件能容易地在不同網絡上傳輸（例如互聯網、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000 等）。

2.冗余分片模塊

冗余分片模塊主要是為了支持高誤碼的移動環境而引入的，同時它對盡力而為的IP 信道也同樣有效。但是，與其他抗誤碼技術的一樣，冗余分片模塊是以降低視頻編碼效率為代價來增強視頻流的容錯能力的，因此在采用冗余分片實現視頻的魯棒傳輸時，必須設計一個合理的冗余分片編碼策略，以便能在編碼效率和容錯能力之間取得一個較好的權衡。

3.鏈路聚合模塊

實現多路傳輸的核心模塊是鏈路聚合模塊，其核心技術是在傳統以太網和快速以太網交換機基礎上發展出的一種擴展網絡帶寬、增強網絡穩定性的技術。簡言之就是在網絡設備上，將多個低速物理鏈路聚合在一起，使它成為一條帶寬成倍增加的邏輯鏈路。而對使用這個邏輯鏈路服務的上層實體而言，聚合鏈路的實現機制和內部運行細節是透明的，聚合在一起的物理鏈路的條數還可以根據業務的帶寬需求來配置。配置后的邏輯鏈路的帶寬等于被聚合在一起的多條物理鏈路的帶寬之和。因此鏈路聚合具有成本低、配置靈活的優點，此外，鏈路聚合還提供了鏈路冗余備份的功能，聚合在一起的鏈路彼此動態備份，只要還存在能正常工作的成員，整個傳輸鏈路就不會失效，提高了網絡的穩定性。工作模塊結構如圖3 所示。

圖3 中主要模塊的功能如下：

（1）幀分發模塊：主要負責通過一定的幀分配算法，選擇合適的端口把MAC 端傳送過來的幀發送出去。它還包括可選實現的標記協議的生成/接收模塊。

（2）幀收集模塊：加入鏈路聚合的各個成員鏈路接收到的幀都要首先交給幀收集模塊處理。再由幀收集模塊傳送給MAC 端。還包括標記響應模塊。

（3）聚合解析/復用模塊：在發送的時候負責把由標記發布、收集或是響應的請求傳送給適當的端口。在接收時首先辨別不同的幀類型，然后根據類型傳送到相應的模塊處理。

（4）聚合模塊：由幀分發模塊、幀收集模塊和聚合解析/復用模塊組成。

（5）聚合控制模塊：配置和控制鏈路聚合，其中的子模塊線路聚合控制協議負責運行 LACP 協議，可以自動地與對端系統交互雙方的聚合信息，并進行鏈路聚合的相關配置。

（6）控制解析/復用模塊：發送時，不做任何處理，只是簡單地將聚合模塊和控制模塊的發送請求傳給相應的端口；接收時，解析報文的類型，如果是LACPDU（線路聚合控制協議數據單元）則前傳給控制模塊，如果是其它類型的幀則將其傳送給聚合模塊。

鏈路聚合模塊主要用于實現以下7 點功能：

（1）增加帶寬且可以線性增加。鏈路聚合除了可以增加帶寬外還有一個特點就是與傳統的網絡只能以物理層技術提供的數量級方式（如10M、100M、l000M）增加不同，鏈路聚合可以線性的增加帶寬，配置靈活。

（2）提供了鏈路可靠性。當聚合在一起的成員鏈路有一條出現故障時，其它的成員鏈路會分擔它的流量，故業務不會中斷。

（3）負載分擔。聚合鏈路的流量可以相對均勻地分配到加入聚合的物理鏈路上。

（4）快速進行配置和重配置。當鏈路發生了某些相關事件時，鏈路聚合要快速地重新配置鏈路的狀態。

（5）確保幀傳輸中盡量不產生幀失序。

（6）支持現有的所有以太網協議，向后兼容不支持Trunk 的設備。

（7）支持網絡管理，明確了用于配置、監控、控制鏈路聚合的管理對象。

4.數據調制模塊

數據調制模塊是系統內負責通過無線信道收發數據的重要模塊，它負責掃描附近可用的無線基站，經過用戶權限驗證登陸后，與視頻接收服務器交互控制信息，并在需要的時候，把經過冗余分片的視頻流傳輸回視頻接收服務器。

經過我們實際使用檢測，在大多數信號良好的無線環境下，只需啟動四個數據調整模塊，即可以榨干一個WCDMA 基站的上行傳輸帶寬。為了獲取更高的帶寬，本系統的每個數據調整模塊均可以工作在WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA 三種制式下，因此，在大多數信號良好的無線環境下，我們能夠同時利用WCDMA 基站、CDMA2000 基站和TD-SCDMA 基站的十路上行帶寬來傳輸數據，極大地擴展了本系統數據傳輸帶寬。

5.編碼IO 模塊

編碼IO 模塊主要用于完成視頻流編解碼和多路視頻輸出任務，其采用基于異步計算引擎設計的GCN架構，由若干個計算單元構成。每個計算單元中有4 個16 路標量算術邏輯單元，每個16 路標量算術邏輯單元由16 個全功能的標量ALU 構成。每個計算單元配備一個硬件分支單元，主要負責抽取、編碼以及調度數據和指令。此外，還有擴充的64KB 文件寄存器、16KB 一級緩存以及可供相鄰計算單元共享的16KB 只讀一級緩存和32KB 一級指令緩存。

該模塊架構相比傳統的專業處理模塊有三大優點：首先是指令編譯壓力減輕，硬件調度的加入使編譯器擺脫了調度任務；其次是程序優化和支持擴充更加容易；最后是不用再生成調度指令和相關調度信息，使得底層設計也更加簡單。

圖4 信號處理模塊

該模塊支持多達19 路的多格式視頻互動混合接入，以及多達18 路的數字視頻輸出。該模塊支持不同制式不同格式的視頻流混合接入，其軟硬件結合的解碼方式既能夠穩定地完成實時輸出任務，又可以隨著視頻編碼格式的發展，不斷更新解碼器以適應各種新的編碼格式。解碼器的更新支持外掛模式，能夠將時下業界流行的最新解碼模塊以通用接口接入系統。與傳統非編系統的封閉式編解碼體系相比，更新速度更快、兼容性更好、設置更簡便且不需要支付升級費用。

6.信號處理模塊

信號處理模塊主要用于將編碼IO 模塊輸出的視頻流進行標準化操作，即將視頻流調制成576i 標清或1080i 高清的數字串行信號輸出給演播室系統。如圖4 所示，該模塊有三路輸入接口，三路輸出接口。三路輸入接口支持硬切換操作，能夠實現某些場合的信號復用功能。三路輸出接口輸出的信號是一致的，通常其中兩路輸出用于主備線路，另一路輸出用于監看信號。

五、總結與展望

互聯網接入帶寬較低是阻礙電視互動普及的主要瓶頸。目前，大多數用戶的互聯網接入帶寬較低，傳輸高質量的實時視頻流仍然較為吃力，導致視頻互動直播業務只能以較低碼率、較差圖像質量進行傳輸。

在國家戰略“寬帶中國”以及三網融合的大背景下，我們認為，單向傳播的電視節目必將慢慢走向沒落，未來將是視頻互動的時代。盡早布局電視互動節目平臺、盡快培養電視互動觀眾群體是搶占未來互動時代先機的關鍵。