基于矩陣的多網融合切換技術的設計與實現

亢軍賢 陳銀海 楊怡晨 趙美映 常曉茹

摘? 要：文章從功能需求、功能分析和功能設計等方面對音視頻高清混合矩陣進行了研究，提出通過音視頻高清混合矩陣進行電視電話網、遠程網、電話網等多網絡融合切換，在安全保密的情況下，通過背靠背方式實現多種網絡信號實時切換的目標，達到主會場與不同網絡分會場溝通交流的目的。

關鍵詞：矩陣;網絡;融合

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0057-03

Abstract： This paper studies the audio and video HD hybrid matrix from the aspects of functional requirements， functional analysis and functional design， and puts forward the multi networks fusion switching such as TV telephone network， remote network and telephone network through audio and video HD hybrid matrix. Under the condition of security and confidentiality， the goal of real-time switching of various network signals is realized through back-to-back mode， so as to achieve the purpose of communication between the main venue and different network sub venues.

Keywords： matrix; network; fusion

0? 引? 言

在信息化技術快速發(fā)展的今天，人與人之間的溝通交流模式逐漸變得多樣化。相較于最簡單的語言交流，現代人的溝通方式正在朝著以視頻、語音、圖片為主的多媒體方向發(fā)展，加之5G技術的實現，更為多媒體溝通交流提供了有力的網絡技術支撐，這樣，能夠同時讓身處異地的多人通過多種形式進行交流，也逐漸成為多媒體交流的發(fā)展方向。與此同時，在近幾年疫情形勢比較嚴重的情況下，很多工作的開展需要通過視頻會議的方式進行，在這一社會背景下，視頻會議正在逐漸發(fā)揮越來越巨大的作用。同時，多網背靠背融合視頻會議在視頻壓縮與傳輸技術以及相關設備的不斷發(fā)展中逐漸形成。多網融合視頻會議系統能夠利用多種網絡通信技術實現不同地點之間的聲音與圖像交流，對于拉近地理距離、提高工作效率、加速信息傳遞、節(jié)省會議成本具有重要作用[1]。隨著衛(wèi)星網、電視電話會議網、通信網等網絡的快速發(fā)展，將各種網絡通過音視頻矩陣采用背靠背方式進行連接，達到相互溝通交流的目的，這種多網融合切換技術已經成為一種發(fā)展方向。

1? 功能需求

因疫情原因，會議保障需要采取網絡視頻方式進行，目前主要有三種網絡：一種電視電話會議網絡，一種遠程醫(yī)學網絡，還有電話通信網絡。但因各單位設備狀況不同，故主會場需要實現遠程醫(yī)學網與電視電話會議網絡之間無縫切換，使視頻信號和聲音信號在兩個網絡中獨立切換，達到會議中間信號快速切換的目的，以滿足不同的參會者選擇最優(yōu)的網絡發(fā)揮最好的答辯水平，另備有電話通信設備作為基礎通信技術手段，在兩種網絡都無法實現的情況下使用。

2? 功能分析

根據功能需求及視頻技術的發(fā)展，視頻矩陣的需求日益高漲。在實際操作中，經常會遇到顯示屏需要多種不同信號上屏，而且處于指定位置，并且在不同時間段要實現瞬間切換，這樣的需求只有音視頻矩陣可以實現，音視頻矩陣應用之后能夠依據不同的信號源將視頻的格式轉化成VGA、AV、DVI以及HDMI。視頻矩陣的切換器不同，對應的信號源也有所區(qū)別。然而實際應用中，視頻源種類是極為豐富的，在這種情況下，假如僅僅運用單一的視頻矩陣，那么就必須使用中央控制系統來實現其實現必要的功能，然而如果使用了中央控制系統，那么就必然會擴展項目的進度，使得項目的費用有所提升。如果擁有具備模擬、數字、高清、標清明確的視頻信號的各種形式的輸入視頻信號接口，那么在應用中就能夠實現不同的視頻格式信號的訪問，可以滿足各種項目以及視頻源信號的需求，這個音視頻矩陣稱為混合音視頻矩陣。與此同時，人們生活水平的不斷提升，對于視頻要求也在不斷提升，原本的視頻形式已經無法滿足人們的實際需求。在這種情況下高清視頻發(fā)展成為一種必然趨勢[2]。根據分析，高清混合視頻矩陣在這次設計中扮演非常重要的角色，從主會場和分會場分別進行分析。對主會場而言，輸入有四種信號源：電視電話會議網絡、遠程醫(yī)學網絡、電話網絡和手拉手話筒;輸出有兩種信號：LED顯示屏和音箱，注意顯示屏采用雙屏雙流模式，一邊顯示參會者畫面，另一邊顯示課件。對于分會場而言，輸入信號：可以是電視電話會議網絡、遠程醫(yī)學網絡或電話網絡中的任意一種，還有話筒。輸出也有兩個信號：一個是兩個顯示屏幕，采用雙流形式，一臺顯示主會場，一臺顯示課件或本地會場，另一個是音箱。高清混合音視頻矩陣就是將這些輸入和輸出進行組合實現其設計功能。

3? 高清混合視頻矩陣功能實現設計

根據以上功能分析，我們選擇采用高清混合音視頻矩陣實現該功能，為此，對功能提出以下分析：

輸入部分：信號輸入部分有若干個輸入卡構成，提供各種輸入接口，輸入信號采集進入輸入卡后，輸入卡對信號進行解碼，解碼后傳送到交換背板，完成下步工作。

交換背板部分：交換背板接收到輸入卡解碼的輸入信號后，按照指令將信號數據復制到指定輸出卡，實現信號的高速交換輸出。

輸出部分：輸出卡接收到交換背板傳輸的數據后，進過分析處理，將處理的數據通過編碼芯片進行編碼，再通過輸出接口輸出到指定顯示設備，完成整個視頻信號的接收傳遞輸出功能[2]。

控制部分：控制部分有兩種方式，一種是通過軟件控制，也就是軟控制，就是通過安裝有控制軟件的電腦連接混合音視頻矩陣的控制口，控制輸入信號與輸出信號的對應;另一種是通過混合音視頻矩陣控制面板的操作按鈕旋轉完成信號切換，也就是硬控制。

4? 設計思路

通過以上分析，需要將三種網絡同時接入控制室，并對三種網絡信號通過高清混合視頻矩陣進行任意快速切換，LED顯示不能出現黑屏，為此需要研究三個網絡信號傳輸控制原理，電視電話會議控制通過會議終端WEB端進行控制，在授權情況下，可以對主會場和分會場視頻和語音信號進行互傳，實現互通;遠程醫(yī)學網通過WEB網站頁面分會場鏈接點擊，實現對各分會場視頻及課件的調用，進而實現主會場和分會場信號的互傳;再就是電話網絡，只有語音沒有視頻信號，但是參會者課件在各評委電腦中已提前導入，評委可以通過語音及本地評審系統中查閱參會者課件，達到準確評審目的。

從以上分析中可以基本了解思路，首先對三種信號輸入源進行檢查，電視電話會議信號采取有線形式，從通信機房直接使用光纖收發(fā)器接到會議室控制室;遠程醫(yī)學網信號采用無線接收發(fā)傳輸，雙光纖從機房接至會議室控制室;電話信號使用電話線接至會場。其次，遠程醫(yī)學網和電視電話會議信號分別接入對應會議終端，兩個會議終端分別輸入各自會議攝像頭，信號輸出到矩陣，矩陣輸出端接入LED屏控制器。最后，在會議終端與調音臺之間分別接入聲音輸入輸出線纜，打通聲音通道，同時將手拉手話筒和無線話筒輸入到調音臺。

至此兩個網絡的會議終端輸出輸入信號匯聚至矩陣[3]，再將矩陣信號輸出到LED屏，同時將兩個會議終端的音頻輸入輸出信號匯聚至調音臺，調音臺再將信號通過功放輸出，實現聲音和視頻信號的雙通功能，硬件設備設計示意圖如圖1所示。

5? 實現步驟

從以上的設計和分析中，我們可以得到實現的基本路徑方法和步驟，具體如圖2所示。

首先，檢查并接入遠程醫(yī)學網聲音和視頻信號。從遠程醫(yī)學網機柜接光纖至會議控制室，需要兩根：一條數據，一條視頻。視頻光纖進會議終端，數據進筆記本電腦控制遠程醫(yī)學信號切換，如果筆記本能夠通終端和串口服務器，說明信號調通。檢查并接入電視電話會議網聲音和視頻信號。從通信機房通過光纖收發(fā)器接入會議控制室，接入會議終端，從會議終端通過網線接入筆記本電腦，測試電視電話有線網絡是否暢通。

其次，將遠程醫(yī)學網和電視電話會議網同時接入矩陣[4]，同時輸出到LED屏控制器。分別從兩個會議終端將視頻信號通過HDMI線接入矩陣，遠程醫(yī)學網為雙路視頻輸出，一路為視頻，一路為課件。

再次，將兩個網絡的會議終端、無線話筒和手拉手話筒接入到調音臺。電視電話會議終端與調音臺之間為雙向兩路線路，遠程醫(yī)學網會議終端與調音臺之間也為雙向兩路線路，無線話筒4只分為兩個收發(fā)器，手拉手話筒17支，由一臺控制器分兩路控制，為防止兩路網絡聲音串音，可將不需要的輸出設為靜音輸出。

最后，三種信號輸入源進行切換測試。電視電話會議系統，大屏控制端切換，連接分會場，LED顯示分會場畫面，測試語音，能夠聽到分會場聲音，分會場可以看到主會場畫面，也能聽到主會場聲音，測試成功。遠程醫(yī)學網切換，大屏控制端切換，連接分會場，LED顯示分會場畫面，播放課件，分屏顯示正常，測試語音，能夠聽到分會場聲音，分會場可以看到主會場畫面，也能聽到主會場聲音，測試成功。電話網絡參會，撥通分會場電話，接通電話，會場通過擴音器加無線話筒將聲音通過調音臺傳到會場音箱，評委通過手拉手話筒講話，再通過調音臺將聲音通過無線話筒傳至擴音器傳出，實現互通，測試成功。硬件設備連接示意圖如圖3所示。

最后，需要注意的是，重要的會議保障需要提供備份手段，就是將信號源輸入到兩路，一路為混合矩陣，一路為編碼器，將解碼器接入顯示設備，如果混合矩陣出現故障，可以通過解碼器直接上屏[5]。

6? 結? 論

視頻是一種記錄人與人之間工作生活場景的工具，伴隨著網絡技術、多媒體技術等的迅速發(fā)展，視頻會議也在疫情期間起到舉足輕重的作用。此次多網融合視頻會議的設計與實現主要依靠混合音視頻矩陣具有不同接口輸入輸出信號匯聚和快速切換功能實現以上功能需求，達到了設計效果和現實需要，以上方案已被實踐檢驗成功，圓滿完成了會議保障任務。

參考文獻：

[1] 崔晉華，段曉莉.淺談矩陣切換技術在視頻會議中的應用 [J].中國無線電，2017（10）：65-66.

[2] 季正勃.試析高清混合視頻矩陣的研究及FPGA實現 [J].數字通信世界，2019（1）：246+274.

[3] 梁炎榮.基于WEBSERVER的遠程視頻矩陣切換系統的設計與實現 [J].影視制作，2019，25（8）：82-85.

[4] 石叢軍.視頻會議系統矩陣單節(jié)點問題的解決方案 [J].中國新通信，2018，20（18）：43.

[5] 邵蓓.基于局部單應矩陣的視頻同步算法 [D].西安：西安電子科技大學，2018.

作者簡介：亢軍賢（1979—），男，漢族，陜西寶雞人，健康管理部信息科主任兼工程師，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統、數據庫系統、網絡系統;陳銀海（1974—），男，漢族，江蘇南京人，副主任醫(yī)師，本科，主要研究方向：醫(yī)院管理;楊怡晨（1997—），女，漢族，陜西寶雞人，助理工程師，本科，主要研究方向：軟件系統、會議系統;趙美映（1985—），女，漢族，陜西西安人，工程師，本科，主要研究方向：會議系統、網絡系統。常曉茹（1985—），女，漢族，陜西西安人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：數據庫系統、網絡系統和會議系統。