流媒體錄播環境的設計

文｜ 清華大學電教中心 鐘曉流 李海霞 宋述強

流媒體錄播環境的設計

文｜ 清華大學電教中心 鐘曉流 李海霞 宋述強

本文以構建一間具有流媒體錄播功能的多功能廳為例，詳細探討了流媒體錄播應用環境的系統架構與方案設計等。

流媒體錄播系統 系統設計 擴聲 視覺設計

1 引言

隨著計算機應用技術和互聯網技術的發展，流媒體錄播系統的功能不斷增強，應用領域也日益擴大。但錄播系統不能孤立地存在，必須置身于一個特定的應用環境中，與環境中的其他設備或應用系統相結合，才能顯示其生命力。一個先進的多媒體應用環境，應在系統集成的設計理念上充分體現網絡技術、音視頻技術、流媒體錄播技術、多媒體技術、環境控制技術、系統集成技術及軟硬件設計技術緊密結合的整體性，并且本著先進性、實用性、穩定可靠性、完備性、可擴展性和標準化的目標，經過一系列認真的計算機模擬、頻譜分析、建筑物理設計和最終的系統集成與測試，保證各系統性能指標的一致，還應經設備選型的優化組合和精密的系統集成，在聽覺上實現建聲效果好，聲音音質優美、悅耳動聽；在視覺上實現無盲區、色彩還原好、圖像清晰、傳輸質量穩定可靠；在操作上達到設計人性化、智能化程度高、結構緊湊、便于掌握等目標。

本文將以構建一間具有流媒體錄播功能的多功能廳為例，詳細探討流媒體錄播應用環境的系統架構、方案設計和設備選型等。

2 項目背景

國家某政府部門需對其多功能廳進行改建。該廳為規則的矩形，長39.8m，寬29.6m，裝修后主席臺區域凈高為11m，觀眾區凈高為5.6m；室內建筑聲學條件符合國家標準《廳堂擴聲系統設計規范》（GB 50371-2006）的要求；室內照明符合相關規范《建筑照明設計標準》（GB 50034-2004）的要求；室內共有信息點200個；互聯網出口帶寬為100M～1000M自適應，10M～100M到終端。

用戶的功能要求是將該廳設計成能夠舉辦綜藝表演、綜合會議、視頻會議、國際會議、時裝表演、中型展覽、新聞發布、演講報告等活動的多功能、多用途場所。

3 設計方案

該廳的設計不同于設備簡單疊加的一般設計，而是將成熟的先進技術以最優性價比合理地應用到系統工程中，充分結合了的網絡技術、音視頻技術、流媒體技術、環境控制技術、軟件應用技術。

3.1 目標功能

按照設計方案，改建后的多功能視聽廳將成為智能化、現代化的綜合應用環境，具有實現以下目標所需的環境與條件：

◆ 運用信息化手段進行新聞發布、時裝表演、綜藝演出、展覽演示；

◆ 舉辦綜合會議、國際會議、視頻會議、交互研討與數字會議、報告演講；

◆ 運用信息技術開展遠程教育、異地培訓、遠程會議與學術活動；

◆ 進行網絡直播、點播以提高重大活動開放程度和教學資源共享程度；

◆ 從設備到資源實現整體智能化。

3.2 擴聲系統設計

該廳的擴聲系統按最大聲壓級為103dB設計，揚聲器總電功率為11500W。

（1）供聲方案與揚聲器布局

該廳的擴聲系統設計采用了集中式（主擴）與分布式（輔助擴聲）相結合的揚聲器布局，以及SIS（Spatial Image System，空間成像系統）模式。空間成像系統既可以實現聲像在左、中、右方向移動的效果，也可以實現聲像在左右間移動、左中之間移動和右中之間移動的效果，能進一步改善聲像的空間感；還能通過對人的心理聲學作用的利用，使人們獲得更好的主觀聽覺感受。

①主擴揚聲器

該廳主擴揚聲器的設計如下：

◆ 為主席臺正上方中間聲道設計了三只中場揚聲器和遠場揚聲器（考慮冗余備份的因素），全部為全音域二分頻音箱，頻響范圍為65～20000Hz，靈敏度為99dB，功率均為500W；

◆ 在主席臺臺口左右設計了四只舞臺前沿的主擴“拉聲像揚聲器”（考慮冗余備份的因素），全部為雙12寸低音單元的三分頻音箱，頻響范圍為38～20000Hz，靈敏度為100dB，功率均為1200W；

◆ 配置了雙18寸的超低頻揚聲器兩只，頻響范圍為32～280Hz，靈敏度為100dB，功率為1600W。

②輔助揚聲器

在廳堂的黃金分割線上設計了兩只輔助音箱（考慮延時因素），全部為全音域二分頻音箱，頻響范圍為65～20000Hz，靈敏度為99dB，功率為500W。

③返送揚聲器

在舞臺區設計了兩只返送音箱，為全音域二分頻音箱，頻響范圍為55～20000Hz，靈敏度為99dB，功率為500W。

（2）功率放大器

該廳堂功率放大器的選配根據功率匹配、阻尼匹配、阻抗匹配的原則進行設計。功率放大器頻響范圍均設計為20～20000Hz，信噪比優于105dB，動態范圍優于110dB。

①功率匹配

按功率放大器動態功率為揚聲器的150%進行配置。拉聲像揚聲器和超低頻揚聲器采用橋接方式進行配接。

②阻尼匹配

功率放大器的阻尼系數按30～100設計。

（3）周邊設備

周邊設備配置的設計為數字音頻處理器兩臺、雙12段反饋抑制器兩臺、效果器兩臺。

（4）調音臺

配置32路調音臺兩臺（考慮備份因素）。

（5）音源設備

音源設備組成的設計為鵝頸會議話筒十套、演唱話筒六套、無線話筒八套（手持和領夾式各四套）。

（6）其他系統

國內企業捐贈了視頻會議系統、60席討論型數字會議系統和500席同聲傳譯系統，故設計中未包括相關設備選型的內容。

3.3 視頻系統設計

考慮到現實需求，視頻系統設計采用高標清兼容技術。

（1）微格攝像系統

設計方案采用四信道微格攝像系統，包括攝像機、云臺、綜合控制器、電源適配器和HUB等設備。

①攝像機

設計全部采用分辨率為1000線的，1/2英寸的3CCD攝像機，信噪比不低于62dB，采用HD-SDI傳輸。其中一路攝取舞臺背景區域的畫面，一路為主席臺特寫鏡頭攝像機，另外兩路為觀眾區全景攝像機和特寫攝像機。

②云臺

設計云臺為與攝像機聯動相配套的液壓阻尼云臺，水平轉角大于300度（±150度），垂直轉角大于60度（±30度）。

③綜合控制器

綜合控制器設計要求帶RS232或RS485控制接口，能夠通過云臺控制攝像機的推、拉、搖、移，能調節攝相機鏡頭的電動三可變和白平衡、黑平衡。

④HUB

方案設計的HUB為云臺與綜合控制器的中介，作用是實現攝像機、云臺端與綜合控制器端的通信，以便實現對攝像機、云臺的操作控制。

（2）矩陣分配器

方案設計了廣播級16×16的VGA矩陣和16×16音視頻矩陣各一臺，廣播級8進8出音視頻分配器和8進8出VGA分配器各一臺，廣播級4進4出音視頻分配器和VGA分配器各兩臺。

（3）視頻切換臺

視頻切換臺設計為8路廣播級數字特技臺。

（4）信號源設備

方案設計了藍光DVD播放機兩臺，DVCPRO數字錄像機兩臺。

（5）大屏幕顯示系統

大屏幕顯示系統按“1+2”的模式設計。

①中央大屏幕

中央大屏幕系統采用投影機與電動白塑幕布的組合。屏幕尺寸為400英寸。投影機選型為12000流明的三片DMD的DLP工程機，對比度優于1000︰1，分比率優于720p。

②兩側大屏幕

兩側大屏幕設計為P3 LED全彩屏，屏幕尺寸為280英寸，分辨率為1080p，亮度不低于400尼特。

③舞臺返送

舞臺返送屏設計采用四臺50英寸的等離子屏，分辨率為1080p，亮度不低于300尼特。

（6）錄播系統

錄播系統設計選用嵌入式一體式錄播服務器。

①編碼器技術指標

設計選用的嵌入式一體式錄播服務器的編碼器技術指標為：

◆ 采用H.264視頻編碼，支持720p、1080i、1080p高清視頻信號的采集；

◆ 支持高分辨率、高幀率計算機屏幕信號采集，最高支持1920×1200分辨率和60Hz幀率，滿足錄制高清動態視頻、高清計算機屏幕信息的需要；

◆ 支持字幕及時間顯示、在錄制的視頻畫面上添加字幕、自定義字幕位置、加入錄制時間；

◆ 可以設置不同的編碼輸出分辨率，滿足解碼端不同的分辨率需求；

◆ 支持標準的RTSP、TS流傳輸，可在視頻采集編碼后生成標準的RTSP、TS媒體流，支持VLC、QuickTime等通用播放器接收，并可配合第三方的解碼設備使用。

②信號存儲轉發單元技術指標

設計選用的錄播服務器信號存儲轉發單元的技術指標為：

◆ 采用專用硬件設備，不宜采用工控機插視頻采集卡的方式；

◆ 所采用的視頻格式能支持更多操作系統，如Windows操作系統、Mac OS操作系統；

◆ 支持通過多種瀏覽器（如Internet Explorer 8及以上版本、Safari、Chrome、Firefox、Opera等）進行服務器訪問；

◆ 宜采用ASF、MP4等流媒體文件格式；

◆ 直播延時小于3s；

◆ 支持H.264視頻編碼、AAC音頻編碼；

◆ 支持 CIF、4CIF、720p、1080p錄制格式。

③錄播服務器功能

錄播系統核心的記錄、直播、點播功能均基于信號存儲轉發設備，因此系統的性能由所采用的硬件及軟件系統決定；一般要求信號存儲轉發設備為專業服務器，嵌入式系統。設計的系統功能要求如下：

◆ 基于IP網絡，采用分布式產品架構，可以對視頻、音頻信號和計算機動態屏幕信號進行同步組合錄制、直播；

◆ 支持兩信道視頻、一信道VGA計算機動態屏幕信號、一信道立體聲音頻同時錄播；

◆ 支持多平臺、多瀏覽器在線訪問；

◆ 支持錄制文件在線編輯、PPT圖片自動索引等功能；

◆ 采用B/S訪問架構，支持跨瀏覽器、跨操作系統平臺直播功能（即無論用戶使用的是Windows還是Mac OS操作系統，均可使用相應瀏覽器接收節目直播；用戶可通過 包 括 Internet Explorer、Mozilla Firefox、Apple Safari等在內的所有流行的瀏覽器登陸錄播服務器接收直播的視頻、音頻和計算機動態屏幕內容）；

◆ 支持通過IE瀏覽器進行點播（非實時）；支持用戶在點播時通過文本模式或圖片模式查找想要點播的文件，也支持通過節目名稱、節目錄制時間、會議記錄名稱等信息搜索需要點播的文件；支持根據PPT圖片索引或文字索引跳轉點播節目的段落；

◆ 支持通過圖片、文字、“圖片+文字”三種索引方式查看節目內容，能夠支持10～100個直播、點播用戶同時在線觀看；

◆ 支持Web方式訪問及管理；

◆ 支持多種操作系統訪問；

◆ 支持移動終端訪問；

◆ 支持多級權限管理；

◆ 支持多種資源生成模式，如電影模式、資源模式、多碼流模式等；

◆ 支持大容量存儲。

3.4 控制系統設計

表1展示了設計控制系統的控制設備的種類、控制接口和控制方式。

表1 多功能廳中控系統設備種類及控制方式表

3.5 信號連接端口設計

信號連接端口（LAN除外）的設計主要為多功能廳舞臺臺口與控制室之間的信號連接設計，按全數字化傳輸的要求進行設計。

（1）弱電接口

弱電接口設計如下：

◆ 計算機信號連接界面為6個VGA接口；

◆ 話筒連接界面為20個XLR接口；

◆ 音視頻連接界面為10個RCA接口（4個音頻接口、6個視頻接口）；

◆ 視頻連接界面為4個BNC接口；

◆ 高清視頻連接界面為4個DVI接口、4個HDMI接口。

（2）強電接口

為了減少干擾，凡接入系統的設備應接入系統的同一路電源。接口設計為AC 220～250V的10A五孔插座四個、AC 220～250V的15A五孔插座兩個。

4 系統拓撲結構

圖1為該多功能廳的系統拓撲結構原理圖。

5 結束語

任何類型或形式的錄播系統的建設和設計，必須本著先進性、實用性、穩定可靠性、完備性、可拓展性和標準化之目標，以再現現場和動感視聽為目的。為了讓用戶了解流媒體錄播系統在各種環境中的配套應用，必須提供基于用戶需求且符合目標功能需求的、全面的解決方案。設計方案是指導系統集成的藍本，對系統的拓撲結構、系統原理、綜合布線（管線路由、連接方法）接口協議、控制信令都應有明確的圖示和解釋。本文給出了接受某政府部門委托進行的具有流媒體錄播功能的多功能廳環境設計的一個示例，限于設計時間和具體條件，有些因素可能會考慮不周全，歡迎同行多指教、交流。

1 多媒體教學環境的設計與評價[J].現代教育技術，2010（10）

2 劉健.SIS擴聲系統設計[J].音響技術，2001（3）

3 宋建功，張冀中.課程錄播系統的研究與應用[J].現代教育技術，2011（8）

4 吳建家，符水波.“智能錄播系統”關鍵技術及發展趨勢探析[J].中國教育信息化，2010（12）

5 鐘曉流，畢雄，李學農，等.多媒體教學環境工程建設規范（第一冊）建筑物理、信息網絡、供配電系統設計規范[M].北京：清華大學出版社，2011

6 鐘曉流.錄播技術與應用系統[M].北京：清華大學出版社，2012