高清視頻會議系統設計①

韓緯杰, 施元超, 陳玲玲

1(中國航天科技集團第八研究院 上海航天動力技術研究所,上海 201109)

2(中國航天科技集團第八研究院 上海航天控制技術研究所,上海 201109)

1 引言

上海某研究所跨上海(本部)、浙江(基地)兩地,本部在日常辦公中經常存在同跨地域和跨各級科研生產單位業務協調的情況. 在“十二五”初期,本部部署了一套視頻會議系統,隨著企業內部規模不斷擴展,各業務部門對視頻會議的使用頻度不斷增加,對視頻會議的圖像傳輸質量、網絡帶寬和聲音等提出更高要求,原會議模式已無法滿足現有業務擴展與工作需求.

本文以提升視頻會議質量為前提,采用多點控制單元(MCU)的級聯模式和高清視頻會議終端設備對原有會議室系統進行改造,采用一鍵式的中控管理模式來區分本地會議和遠程會議,對會場內的視頻、音頻、窗簾、投影、視頻會議主圖像和雙流圖像顯示的輸入輸出進行統一控制,從而達到操作便利和靈活性的目的.

2 總體設計

2.1 系統布局

高清視頻會議系統(HD Video Conference System)是建立在集團廣域網內部的應用[1],所以本部在建設系統時遵循的是“BMB17-2006”[2]和“BMB20-2007”[3]的安全保密防護標準. 系統整體布局如圖1所示.

圖1 高清視頻會議系統布局

高清視頻會議時的邏輯結構如下：集團公司總部、各試驗基地、各專業公司及直屬單位會場的視頻終端直接呼入集團公司的一級MCU進行互通; 各院的二級MCU呼入集團公司的一級MCU進行互通; 各廠所的視頻終端呼入其所屬院的二級MCU進行互通. 最終所有節點形成2 級MCU級聯的樹形結構的邏輯互聯關系.

2.2 系統架構

由于新的視頻會議主機要和部分的老舊設備進行設備對接,考慮到整個視頻會議過程中音、視頻傳輸的穩定性,所以需要對原有的視頻會議架構進行重構,因此對視頻源、視頻矩陣和顯示部分進行了調整,調整后的系統架構如圖2所示.

圖2 高清視頻會議系統架構

2.3 實現方案

2.3.1 會議室布局

改造后的整體布局采用長方桌的會議形式,在正前方中央安裝120寸電動投影幕. 投影幕一側安裝高清液晶顯示器. 可保證在滿足視頻會議攝像對燈光要求的前提下,仍能清晰地顯示數據和視頻圖像信號. 開視頻會議時,分別用來顯示本地信號和遠端會場信號.舉行報告和演講時,液晶顯示器用來顯示主講人特寫畫面,電動投影幕用來顯示計算機文檔.

2.3.2 音、視頻部分

(1) 音頻擴聲

為了防止外接的手機電磁信號對麥克風的干擾,新系統音頻部分采用的是具備回聲抑制的音頻處理器,保證遠端會場的聲音不會出現回聲的現象,除去原有的調音臺,避免出現誤操作而導致的嘯叫問題.

(2) 高清雙流

在保持原有網絡帶寬占用條件不變的前提下,需要在原有網絡條件下同時傳送兩路視頻信號,發送音視頻信號同時傳送一路筆記本信號到其他會場,考慮到雙流圖像格式的自動轉換和適配問題,本系統采用高清終端來實現信號輸出.

2.3.3 輸入、輸出控制

(1) 視頻控制

視頻源的輸入端支持VGA和HDMI兩種輸入模式,通過數字混合矩陣將視頻源輸出至顯示器和投影儀等設備.

(2) 音頻控制

通過數字音頻處理器的內置噪聲濾波器來過濾現場環境的背景噪聲,對數字信號進行通道回聲消除,背景降噪,增益控制操作,保持通對話聲調的連貫,維持聽感上的舒適性,在視頻會議時保證遠端和近端的話音易于聽清楚.

3 會議系統的實現

3.1 整體實現

3.1.1 會議通信協議

(1) H.323

H.323是ITU-T組織提出的H.323協議多媒體通信系列標準H.32X的一部分[4],是分組網絡上進行多媒體通訊的標準. 該協議能提供設備與設備、應用與應用、供應商與供應商之間的互操作能力,因此,該協議能夠保證所有基于H.323的設備之間能夠相互兼容地進行通信. 此外,H.323協議還能使分組網絡與其他類型網絡進行多媒體的聯通,所以本視頻網絡系統采用H.323框架協議,由于傳統的H.323協議容納的視頻壓縮協議主要是H261、H263、H263+,碼率較大和壓縮算法固有的缺陷[5,6],圖像質量相對較差,帶寬要求苛刻. 所以本次改造的系統通過擴展傳統的H.323協議棧,引入H.264視頻壓縮協議.

(2) H.264

H.264是由JVT制定的新一代視頻標準[7,8],具有出色的編碼效率和壓縮性能,其基本框架主要用于“視頻會議系統”應用. H.264碼流結構含視頻編碼層：負責高效的視頻內容表示,網絡適配層提供視頻編碼與外部設備的接口,以網絡所要求的適當方式對數據進行打包盒傳送,更靈活的將編碼數據組合到網絡中[9-11].在同等網絡條件下,提高視頻圖像質量,節省帶寬,從而提高了同時支持的客戶端數量.

3.1.2 多點視頻會議的實現

根據會議召開的實際情況,系統采用的是基于H.323的網絡協議體系,使用層級組網的方式進行構建,由二級單位(各院)通過集團公司廣域網核心路由器進行互聯,本部作為某二級單位下屬的三級單位,通過二級單位的核心路由器進行互聯,將MCU和視頻終端設備接入本單位的網絡,最終形成與二級單位級聯的邏輯互聯關系,實現思路如圖3所示.

圖3 高清視頻會議系統邏輯互聯關系圖

3.2 視頻、音頻實現

3.2.1 視頻設計

(1) 顯示設計

會場主席臺位置配置了1 臺發言席電腦主機和會議桌插器,配合高清混合切換矩陣,實現向會場內各顯示設備的信號發送.

(2) 矩陣輸入輸出

系統矩陣的輸入輸出原理如圖4所示.

下面對整個輸入輸出邏輯設計做簡要說明：

① 主席臺電腦和4個桌插接入高清矩陣的5個輸入端;

② 視頻會議的會場畫面接入矩陣的第5路輸入端;

③ 視頻會議的雙流畫面接入矩陣的第6路輸入端;

④ 音頻處理器接入矩陣的第1路輸出端;

⑤ 會場的兩個高清攝像頭通過第3、第4路輸出端接到錄播服務器;

⑥ 兩個12口的分配器接入矩陣的第5、第6輸出端;

⑦ 會場投影儀接入矩陣第9路輸出端,通過580R接受器接受高清信號;

⑧ 電視機接入矩陣第10路輸出端,通過580R接受器接受高清信號.

以輸入端“視頻會場畫面”到輸出端“投影儀”為例,只需在矩陣面板輸入相應的信號“IN 05-OUT09”,然后按“TAKE”按鈕即可實現信號切換. 矩陣采用的是插拔式的架構,如果需要添加輸入或輸出信號,只要擴充相應的板卡即可,這樣的控制方式可以減少信號轉換器的設備數量,通過矩陣可以方便的對不同類型的輸入設備進行隨意組合.

3.2.2 音頻設計

(1) 話筒布局

會場使用手拉手話筒的布局模式,可以設置同時發言的席數,發言模式,系統具備自由發言、申請發言、輪候發言多種發言模式.

(2) 會場擴聲

由于會議系統的應用場景是點對點以及多對多的模式,考慮到聲音傳輸的穩定性,在原有的6臺吸頂音響的基礎上增加了4臺壁掛音響和3臺功率放大器,實現方式如圖5所示.

① 第1臺功率放大器控制兩個北壁掛音響,接入數字音頻處理器的第1路輸出信號;

② 第2臺功率放大器控制兩個南壁掛音響和兩個南吸頂音響,接入數字音頻處理器第2路輸出信號;

③ 第3臺功率放大器控制兩個中邊的吸頂音響和兩個北邊的吸頂音響,接入數字音頻處理器的第3路輸出信號;

④ 會場話筒接入數字音頻處理器第1路輸入信號;

⑤ 視頻會議主機的左、右聲道分別接入數字音頻處理器第2、3路輸入信號;

圖 4 矩陣輸入輸出圖

圖 5 音頻系統輸入輸出圖

⑥ DVD主機的左、右聲道接入數字音頻處理器的第4、5路輸入信號;

⑦ 混合矩陣的桌插接入數字音頻處理器第7、8路輸入信號.

音頻傳輸采用的是Siren音頻算法,這種算法對帶寬和碼率要求相對較低,配合數字音頻處理器,進一步避免了調音臺誤操作帶來的聲音失真的問題.

3.3 中控系統實現

3.3.1 中控系統架構

會議室的中控系統采用嵌入式的組合方式,主要由4部分組成：輸入輸出控制、時序電源管理、會議模式管理和會議界面管理,整體布局如圖6所示.

(1) 輸入輸出控制主要負責對應矩陣的輸入輸出端,實現信號的切換;

(2) 時序電源管理主要負責控制所有會議室設備的啟動邏輯;

(3) 會議模式管理主要負責對本地會議和視頻會議兩種不同的業務場景分別進行控制;

(4) 會議界面管理主要實現了中控系統的界面布局設計.

圖6 會議室中控架構

3.3.2 會議控制的實現

中控系統主要實現了對系統設備統一控制,可以控制電動窗簾、音視頻設備的開、關,各種視頻信號的切換及控制會場音量的大小、靜音等. 整個實現邏輯首先由觸摸屏這里發送一個信號到中控板卡,中控板卡接收指令后,執行對應代碼將結果輸出.

(1) 時序電源控制實現

為了防止設備開啟順序不正確造成的系統啟動問題,在定義系統啟動的業務邏輯時首先將視頻會議主機開啟,然后依次啟動投影儀,攝像頭和音頻功率放大器等設備. 實現過程如圖7所示.

圖7 時序控制的實現

(2) 輸入輸出信號控制實現

將高清矩陣和輸入設備接入中控主機的硬件端口,打開中控主程序界面視圖,核對各個設備的端口號信息. 實現過程如圖8所示.

圖8 主程序界面視圖

以輸入端“視頻會場畫面”到輸出端“投影儀”為例,首先業務邏輯代碼matrix_in5_out_10寫入,讀取每個輸入輸出設備對應的地址碼,根據讀取到的地址碼輸入矩陣切換指令x01x85x8Ax81,最后將矩陣切換指令和業務邏輯代碼關聯,整個實現過程如圖9所示.

圖9 輸入輸出實現

4 測試與驗證

4.1 一鍵式功能操作測試

(1) 系統啟動

點擊系統開啟按鍵之后,進入系統開啟等待界面,此過程機柜中時序電源會依次給系統設備供電.

(2) 會議的模式選擇

進入系統后出現選擇會議模式界面,根據使用情況點擊相應的會議模式按鈕. 如圖10所示.

圖10 會議模式選擇

(3) 本地會議模式

進入本地會議模式后,點擊投影控制后出現投影機控制界面,點擊投影開鍵則幕布自動降下來,點擊投影關鍵則幕布自動升起,本地電腦信號默認切換到投影機和液晶屏; 如點擊下方畫面右側信號源按鍵則投影機、升降屏都切換到該信號源. 如圖11所示.

圖11 本地會議模式

(4) 視頻會議模式

進入視頻會議模式后,點擊視頻會議房間選擇按鍵后出現視頻會議撥號選擇界面,功能如下：視頻會議房間選擇撥號,點擊會議室號碼則將和此會議室視頻會議; 點擊報告廳號碼則將和此報告廳視頻會議. 選擇右側信號源按鍵,再點擊“分享電腦畫面”將本地選擇的信號源切換到遠端雙流. 如圖12所示.

圖12 視頻會議模式

(5) 系統關閉

點擊系統關閉按鍵,自動完成投影機關機、液晶屏降下、窗簾自動升起、系統電源逐個斷電,系統界面立刻進入關閉系統等待界面,大約幾分鐘后回到首頁.

4.2 應用實例

圖13 多點視頻會議

以本部會議室為主會場,依次與基地和二級單位的會議室進行三方視頻聯調. 界面效果如圖13所示.與兩方同時進行大約50分鐘左右的會議,在不改變原有帶寬的前提條件下,音頻、視頻和雙流圖像傳輸穩定,丟包率較低. 如圖14所示.

圖14 與會者通話狀態

5 結論

本文以單位實際的業務需求出發,以先進性、便利性和靈活性為原則,設計并實現了高清視頻會議系統,使用了簡易的一鍵式操作方法對會場內的主要設備和輸入輸出等進行統一控制,最終通過實際業務場景的應用表明,該系統可以滿足不同會議模式的使用需求.

1 豆丁網. 視頻會議系統研究背景及現狀概述. http：//www.docin.com/p-203398679.html. [2011-05-16].

2 BMB17-2006 涉及國家秘密的信息系統分級保護技術要求. 保密科學技術,2011.

3 BMB20-2007 涉及國家秘密的信息系統分級保護管理規范. 保密科學技術,2011.

4 OpenH323Project. http：//www.openh323.rog.

5 劉瑞芳,曾曉軒,孟慶昌,等. H323視頻會議中MCU的設計與實現. 北京郵電大學學報,2003,26(2)：77-81.

6 王喆. 多點控制單元MCU的性能測試[碩士學位論文]. 北京：北京郵電大學,2009.

7 Yang LB,Yu K,Li J,et al. An effective variable block-size early termination algorithm for H.264 video coding. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2005,15(6)：784-788. [doi：10.1109/TCSVT.2005.848306]

8 黃孝建,李紹勝,張穎. 工程實現中H.264視頻編碼算法的優化方法研究. 信息通信,2011,(5)：35-36.

9 麻曉園,酆勇. H.264視頻編碼標準及其在移動通信中的應用. 現代電信科技,2003,(7)：5-8.

10 孫金海,魯建領,王力華. H.264在高速公路視頻監控接入系統的應用. 河北省科學院學報,2011,28(3)：101-105.

11 寇毅,朱志祥. 基于H.264標準的視頻編解碼器軟終端的一種實現. 西安郵電學院學報,2006,11(5)：47-51.