武警融媒體文化娛樂系統設計與實現

劉江濱 張妙軍

(武警宣傳文化中心,北京 100089)

1 系統概述

1.1 系統簡介

近年來,武警部隊各級購置配發了大量卡拉OK 演唱、影視節目播放、電子圖書閱覽、網絡游戲對抗等文化娛樂器材,深受基層官兵歡迎,但這些傳統設備存在著功能單一、資源更新困難、戰時和動態條件下運用受限等缺陷。融媒體文化娛樂系統是在新時代信息化條件下,運用網絡、智能、電子和音響等技術,采取硬件高度集成、資源廣泛融合、軟件充分智能理念,定制的一種新型文化娛樂器材,主要具備觀看影視節目、欣賞有聲讀物、演唱卡拉OK、閱讀圖書雜志、查找學習資料、開展游戲娛樂6大功能,具有多媒體多功能、網絡化智能化、便捷性安全性等特點。

1.2 系統構成

融媒體文化娛樂系統從整體職能劃分,由 “管理和服務平臺”與 “終端設備套件”兩部分組成(見圖1)。其中管理和服務平臺包括:云端接口服務、存儲服務以及內網管理服務。終端設備套件包括:融媒體文化娛樂系統主機 (以下簡稱為主機)、融媒體文化智能軟件(以下簡稱為手機端)以及安全防護箱、投影銀幕、平板電腦、遙控器、鼠標、手柄等配件。

圖1 融媒體文化娛樂系統結構

2 功能設計

設備功能設計上要求系統具有融媒體多功能,實現一機多能、一機多用;結構高度集成、簡約高效,移動方便、操作智能;資源更新便捷,安全可靠。

2.1 融合音視頻多媒體內容

系統內置內容包括影視節目、學習資料、圖書雜志、有聲讀物、卡拉OK、游戲娛樂6大類型。

圖2 設備內置內容分類

2.2 集成互聯媒體平臺

主機具有多種輸入輸出接口,HDMI IN 多媒體視音頻輸入與HDMI OUT 多媒體視音頻輸出功能,可以連接部隊現有的多媒體設備終端,如音箱、電視、放映機等,將這些設備整合為多終端、多媒體娛樂學習系統。

(1)多媒體視音頻輸入。可將電腦、平板等設備的資源視音頻內容、文檔、課件等,通過HDMI線纜傳輸到設備主機投影顯示,方便組織會議、演講、教學等集體活動。

(2)支持手機投屏。支持具有MHL 功能的手機投屏,使用手機投屏不需要經過任何設置,就可以將手機中的視頻與音頻信號同時傳輸到設備主機上通過投影進行顯示。

(3)多媒體視音頻輸出。將主機的視頻、音頻內容進行輸出,作為多媒體中心服務器將硬盤存儲的內容輸出給多個房間多個電視、投影、顯示器等設備,實現多屏互動、多屏互聯。

2.3 操作方式多樣化智能化

融媒體文化娛樂系統主機支持多種操作方式,可以選擇設備固定按鍵、遙控器、平板電腦(手機)遙控3種操作模式,使用方式多樣,覆蓋用戶更廣。

(1)主機后面板操作。按鍵或旋鈕直接操作,響應迅速。

(2)紅外遙控器。控制精準全面。

(3)平板電腦 (手機)軟件遙控。支持視頻:播放、暫停、退出;支持音頻:播放、暫停、退出;支持卡拉OK:唱歌、添加歌曲、音量調節、模式選擇、原唱伴唱切換等。

2.4 輔助功能設計人性化和資源更新便捷化

(1)內置音響和音頻輸入輸出。主機內置一套音響系統板并帶有一套音箱,滿足中小場合的講話或者音頻播放需求。內置唱將模式、KTV 模式、錄音棚模式等多種音響效果模式,并提供了嘯叫抑制功能,可以滿足使用卡拉OK 功能時用戶對不同效果的需求。音響系統具有豐富的輸入輸出接口,以適應不同場景的使用需要,可對用戶提供兩路LINE IN、兩路LINE OUT、兩路有線麥克風以及兩路無線麥克風接入。

(2)外部內容讀取展示。主機有兩個高速USB 3.0接口,支持U 盤、移動硬盤、數據存儲服務器接入。

主機的內置圖片閱讀器、視頻解碼器、文檔閱讀器、音頻播放器支持市面常見的30余種多媒體內容格式的直接播放顯示。

(3)主機內容更新便捷安全。為符合安全規定,主機對外沒有保留RJ45以太網接口以及WiFi連接互聯網的功能。為方便內容更新和主機系統軟件升級,存儲硬盤采用可插拔設計。硬盤拆卸固定螺絲抽出主機后可以通過連接線連接到可以訪問互聯網的電腦上,硬盤內置有自動化內容更新程序,通過運行該程序即可完成數據存儲硬盤中內容升級。

3 技術設計

3.1 融媒體文化娛樂系統主機

如圖3所示,主機主要由系統核心主板、存儲系統主板、音響系統主板、內置音箱、硬盤以及投影模組等部分組成。

圖3 主機組成

融媒體文化娛樂系統核心部分采用雙主板設計,兩個獨立的子系統運行于獨立的處理器上各司其職,在保證性能的同時增強安全性。兩個子系統使用GbE網絡進行加密通信,能夠在保證高性能、高穩定性數據傳輸和存儲服務的前提下防止數據竊聽。

(1)系統核心主板

系統核心主板是主機核心,提供主機上所有的用戶操作軟件界面,同時為手機端提供交互服務。

核心主板采用主流的ARM 平臺設計,板載2GB DDR4內存、8GB e MMC Flash,芯片選用華為Hi3798M-V200。該芯片為4核A53架構,能夠最大支持4K、60 fps、10 bit視頻的解碼和1080p、30 fps的視頻編碼,支持高級安全CA,支持可下載CA,支持TVOS安全機制,支持安全啟動、安全存儲、安全升級,支持DRM、硬件水印,HDMI輸出支持HDCP2.2/1.4保護。 同時, 由于Hi3798M-V200平臺沒有提供原生的HDMI切換能力,核心主板上集成了兩顆HDMI切換芯片分別來處理HDMI IN 和第二路HDMI OUT 信號。

核心主板提供下表中的相應接口,以實現與主機內其他系統的對接和通信,并對外提供相應的服務能力。

表1 核心主板接口一覽表

(2)存儲系統和WiFi發射系統

為保證核心主板的穩定性以及數據訪問服務的安全性和可靠性,設備將數據訪問服務和WiFi發射服務獨立成一個子系統:存儲系統板、核心主板通過內部以太網接口使用加密協議與其進行通信。

存儲系統板采用MIPS 平臺設計,芯片選用MTK 的MT76xx系列芯片套件,提供2.4G+5.8G雙頻段無線網絡,支持MU-MIMO 技術,全功率發射可滿足64人同時使用手機連接,30人同時觀看下載使用,并可通過網絡接口擴展WIFI覆蓋范圍與帶寬。

圖4 Wifi發射系統示意圖

主機的數據存儲硬盤掛載于存儲系統板上,通過專用硬盤盒和響應的SATA 轉接線連接。為保證數據的安全性,硬盤中為主機提供的內容數據全部采用加密的方式進行存儲。其中SATA 接口的實現由一顆PCI-e轉SATA III芯片完成,能夠最大發揮數據存儲盤應有的吞吐能力,來支撐在多用戶場景下多人使用手機訪問主機內的多媒體娛樂資源。

圖5 數據訪問服務示意圖

(3)音響系統

主機的音響系統包括音響系統板、內置音箱、無線麥克風適配器、相應的輸入輸出接口以及控制旋鈕和按鍵等部件,其內置的音響可以滿足在中小場合下的聲音播放需求。

音響系統板預置唱將模式、KTV 模式、錄音棚模式、會議模式等多種音效以應對不同應用場景下對音效調節的需求。其音效的選擇控制由核心系統板通過UART 接口與音響系統板通信來實現,其控制功能由運行于核心系統板的應用軟件界面對用戶開放。

音響系統中包含一個1拖2的無線麥克風控制器,能夠支持兩路無線麥克風的使用,并提供了外部紅外對頻的功能,以應對麥克風的不同工作頻率需求。同時,音響系統為用戶提供兩路有線麥克風的接口,方便用戶接入多個麥克風到主機使用。

為方便用戶使用主機,不需要在軟件上反復的調取設置界面來修改音響系統的音效、音量、音源等配置,音響系統將全部的控制功能同時在主機后面以按鍵和旋鈕的方式提供給用戶。

圖6 音響系統組成

(4)投影模組

主機集成的投影模組為亮度可達3000流明以上的定制化模塊。投影模組與核心系統板間采用RS232進行通信,核心系統板可通過該接口對投影模組進行設置和狀態的讀取。在散熱設計上,為保證主機長時間運行時投影模組的可靠性,主機內針對投影模組做了主動散熱加強,在原有的風道基礎上增加了兩片大功率靜音風扇。主機運行時,兩片風扇分別負責加強進氣和散熱,在風道內形成高速的氣流對投影模組的發熱部件進行快速散熱,同時系統會根據溫控傳感器的反饋動態調節兩片風扇的轉速,控制風扇的運行速度來平衡散熱和噪音。

(5)主機配套軟件

融媒體娛樂系統主機配套軟件包括主機端應用軟件和手機端APP。兩個軟件端均擁有影視節目、卡拉OK、學習資料、圖書雜志、有聲讀物、游戲娛樂六大應用模塊,在使用影視節目和卡拉OK 功能時可以實現手機 “投屏”操作和 “同屏”顯示效果。

兩端的音視頻播放器均基于ExoPlayer進行定制開發,支持高清視頻解碼硬件加速,并集成了數據實時解密模塊,能夠實現邊加載邊播放,不需要將整個加密音視頻文件下載后解密播放。主機端電子書功能為自主開發,實現了目錄、書簽、瀏覽進度顯示和保存等常用功能。

同時,提供U 盤內容瀏覽支持。為方便在主機上使用自有U 盤瀏覽內容,主機端軟件做了U 盤讀取的定制支持。為了保證主機系統的安全性,屏蔽了所有的可執行軟件的運行權限,僅僅能夠支持常用的圖片、音視頻、PDF和Office文檔的瀏覽。其實現原理為通過接管系統文件瀏覽器,攔截用戶文件瀏覽行為,將非白名單內類型的文件進行隱藏和禁止運行。

3.2 管理和服務平臺

管理和服務平臺同時使用專用內網和互聯網部署。其中專用內網用于部署核心的內容管理服務、內容源存儲服務、音視圖轉碼服務以及直通管理接口。互聯網部署分為兩部分,一部分是使用云廠商的相關服務,另一部分是部署于租用機房的鏡像和接口服務,平臺通過互聯網部署部分向融媒體文化娛樂系統設備終端套件直接提供服務。

(1)CMS服務

一個帶有RBAC和資源組權限控制系統的內容發布和管理平臺,提供對整個融媒體文化娛樂系統運營管理的一個中心界面入口,其主要功能模塊結構,見表2。

表2 服務平臺主要功能模塊結構表

數據包管理 一個支持主機下發內容差異化運營的支撐模塊內容發布管理數據包發布管理用于將數據包發布為全網可用的接口數據的支撐系統數據包推送規則管理支持主機下發內容差異化運營的規則配置模塊手機端APP升級管理 用于管理手機端APP升級軟件升級管理主機端APP升級管理 用于管理主機端APP升級主機端系統OTA 管理 用于管理主機端操作系統升級硬盤更新程序升級管理用于管理主機硬盤更新程序的升級主機設備列表管理主機設備的第一入口設備流轉管理用于管理主機設備發貨和掃描情況主機設備管理接收單位管理用于管理主機設備的接收單位升級記錄管理用于管理主機設備的升級歷史設備型號管理用于管理主機設備的型號

(2)DSM 服務

一個帶有獨立RBAC 的大容量內容源存儲系統,用于提供基本的內容源存儲和訪問服務。本地存儲采用硬件RAID 5技術,提供較高的存儲可靠性,并能夠比較簡單的擴容。現有運行容量最高可達42TB,能夠滿足未來5年內的多媒體內容源的存儲需求。

DSM 服務與CMS服務部署于同一個內網,運行于專有的NAS系統,通過授權遠程掛載的方式為CMS服務和CDN推送提供數據存儲和讀取的途徑。

(3)轉碼服務

一個基于FFMpeg自主研發的自動化音視頻轉碼隊列系統,該轉碼服務為CMS服務的子系統之一,可獨立運行和使用,主要用于配合CMS 系統提供自動化的音視頻發布服務。該服務為分布式設計,支持轉碼節點的一鍵擴容。轉碼節點可配置高性能顯卡GPU,以支持音視頻轉碼的硬件加速功能。單個轉碼節點最多可并行進行3個音視頻文件的轉碼任務,最高轉碼速度可達以往的15倍。

存儲于DSM 服務中通過CMS 服務提交的影視、音頻內容可以根據選擇的轉碼規格進行自動的排隊轉碼,并將轉碼結果投遞給CMS 服務作為數據包內容使用,可節省大量的人力。

(4)域名解析服務

使用云廠商的域名解析服務,為融媒體文化娛樂系統內的相關服務和接口的訪問提供支持。支持自定義解析、智能解析。

(5)OSS服務

使用云廠商的文件存儲服務,對需要互聯網加速訪問的部分文件進行預部署,理論上支持無限容量的存儲。

(6)CDN 服務

內置內容更新需要通過互聯網通道進行,如果直接通過機房來進行數據下發,機房帶寬有限,全國不同地域的用戶在下載數據時會出現帶寬爭搶,不同地域的用戶與機房間的聯通性也無法得到保障。為解決此問題,可以使用云廠商的CDN 服務,對一部分需要通過互聯網進行訪問的文件進行全國范圍內的節點分發,這樣不同地域的用戶內容更新下載數據時就近選擇CDN 數據存儲節點來進行訪問,避免帶寬爭搶的同時也可以達到最佳的文件下載速度。

(7)數據接口

內網的功能無法直接通過互聯網訪問,為讓主機在內容更新時能夠正常訪問相關的數據接口,這部分相關的數據接口選擇部署在互聯網機房中。對內網的數據訪問同樣通過VPN 和反向代理技術來實現,以保證系統的安全性。

對于數據升級請求以及軟件升級類的訪問接口,由于其邏輯的規則性高,變化僅僅依賴于CMS 服務后臺的編輯操作,因此選擇直接部署于外部機房,管理員通過CMS服務后臺編輯規則保存后,將規則數據直接推送到外部機房服務器中。

典型的規則類接口請求處理邏輯見圖7。

圖7 規則類接口請求處理邏輯圖

4 關鍵技術

4.1 “投屏”“雙屏”互動

為保證“投屏”和 “雙屏”互動 (以下簡稱投屏)的相關能力不被其他無關手機軟件所探測和使用,采用基于Socket的私有加密協議設計。在保證性能的前提下,能夠避免干擾和惡意操作。

投屏協議主要包括控制指令、響應指令和廣播指令三種指令類型,其中,一個控制指令必然會對應一個響應指令,但是不一定需要廣播指令。當手機端與主機端打開后,兩端會自動建立指令通道,手機端軟件會定時向主機端發送心跳指令,表明連接的有效性。當其中一個手機端軟件成為主控端發起控制指令時,主機端會與主控端建立唯一的控制連接接收控制指令。

4.2 卡拉OK 雙端音畫同步

在使用卡拉OK 雙屏互動功能時,在手機端能夠實現同步控制主機端點歌、切歌、切換原唱伴唱、效果調節等功能,并且能夠實現手機端和主機端畫面的同步,以方便多人在唱卡拉OK 時能夠各自使用手機操作而不必共用一個遙控器。由于手機屏幕畫面和主機端同步,用戶就可以直接通過手機來看當前歌曲的歌詞。

由于手機端和主機端的連接是通過WiFi網絡,因此雙方通信本身會有一個固有的延時,并且在兩端各自加載卡拉OK 歌曲時,速度也各不相同。所以,在默認情況下,兩端畫面始終是無法同步的,導致手機顯示的歌詞始終和主機端正在唱的位置無法相對應。為解決雙屏同步問題,在現有的投屏協議基礎上實現了一套“動態進度同步算法”。

在此算法中,手機端作為主動同步一方,初次加載時會主動與主機端詢問當前的時間軸進度,并根據協議響應時間等因素進行本地時間軸查找,并記錄本次調整的相關參數,當查找結束后會再次與主機端進行對時,計算誤差,同時記錄查找加載時長、協議延時、誤差時長等調整參數。如果時間誤差不滿足要求,則反復重復該操作。

5 結語

融媒體文化娛樂系統的設計與實現,融網絡、智能、電子和音響等技術于一體,立足功能多樣、安全可靠、高速下載、易于操作等特點,搭建了集軟硬件、后臺管理、網絡服務器等多位一體的整體解決方案。這一硬件高度集成、資源廣泛融合、軟件充分智能的融媒體設計理念,緊貼部隊遂行任務實際,滿足部隊動散狀態下開展宣傳教育和文化娛樂活動需求,為創新影視文化技術提供了新思路和解決方案,下步還要進一步拓展功能、迭代升級,更好地提升官兵滿意度。?