張常亮，馬渝勇，劉一謙，譚紅賓

(四川省氣象信息中心，四川 成都 610072)

隨著網(wǎng)絡技術與視音頻技術的不斷發(fā)展，高清視頻會議系統(tǒng)相關技術被廣泛應用于視頻會議系統(tǒng)［1］的構建中，相對于標清視頻系統(tǒng)來說，高清視頻會議系統(tǒng)在視頻和音頻效果上有著質(zhì)的變化，加之高清視音頻系統(tǒng)設備采購價格的逐步降低，高清視頻會議系統(tǒng)在各行業(yè)用戶中的應用會更加廣泛。

由于氣象業(yè)務對實時性和準確性的要求日益凸顯，需要大量的圖文數(shù)據(jù)進行交互協(xié)同，才能準確地制作各類天氣預報產(chǎn)品，視頻會商系統(tǒng)［2］在預報業(yè)務中的應用不斷增多，要求也逐步提高。但同時現(xiàn)有全省標清氣象視頻會商系統(tǒng)還存在明顯不足，視頻圖像和計算機圖像質(zhì)量不高，省到市(州)局的會商系統(tǒng)功能不完善，市(州)到省無法發(fā)送雙流信號，市(州)到縣局還沒有會商系統(tǒng)，無法滿足氣象信息化建設和氣象服務需求。因此，建設覆蓋省—市—縣三級級聯(lián)的高清視頻會議系統(tǒng)是十分必要的。

但是如何根據(jù)自身業(yè)務的要求，量身定制，對視頻會議設備進行合理搭配，選擇一套合理的視頻會議系統(tǒng)，使設備的配置科學化、梯次化，做到既不浪費設備功能、性能，各設備之間又不出現(xiàn)瓶頸，既能滿足業(yè)務需求，又能節(jié)省資金，成為視頻會議系統(tǒng)設計應用面臨的問題。

1 高清視頻會議系統(tǒng)設計

1.1 原有標清系統(tǒng)

如圖1所示，全省標清視頻會商系統(tǒng)包括1個省級中心和21個分會場，運行在省到市2 Mbit/s碼率(下稱帶寬)SDH上，省中心機房部署1臺RADVISION VIP400 MCU完成全省會議的多點控制，最多支持24個點，1臺網(wǎng)閘服務器，用于全省終端的注冊管理，省氣象臺配1臺Tandberg視頻終端;21個分會場分別部署1臺Sony PCS－11P視頻終端及顯示系統(tǒng)和擴聲系統(tǒng)。該系統(tǒng)的圖像的清晰度和MCU端口數(shù)已不能滿足業(yè)務需求，需對全省視頻會商系統(tǒng)進行重新設計和規(guī)劃。

圖1 四川氣象標清視頻會商系統(tǒng)

1.2 三級高清視頻會議系統(tǒng)設計

高清視頻與標清視頻的主要區(qū)別有:圖像分辨力由CIF(352×288)變?yōu)?20p(1280×720)，圖像由隔行掃描變?yōu)橹鹦袙呙?，圖像由4∶3變?yōu)?6∶9。

構建高清視頻系統(tǒng)要求具有高清攝像機，高清編解碼器，多路分量、HDMI或DVI等標準的高清接口，高清的揚聲器拾音器，高清的雙流，高清的顯示器和高質(zhì)量網(wǎng)絡的保證機制。根據(jù)高清視頻會議系統(tǒng)的基本要求和全省氣象業(yè)務的實際需要，系統(tǒng)建設目標是設計實現(xiàn)省到市1080p，市到縣720p的省—市—縣三級級聯(lián)高清視頻會議系統(tǒng)。

1.2.1 網(wǎng)絡環(huán)境分析

四川氣象廣域網(wǎng)絡系統(tǒng)是以四川省氣象局為中心、21個市州氣象局為分中心、160多個臺站組成的星型與樹型結構相結合的氣象廣域網(wǎng)絡系統(tǒng)。

構建高清視頻會議系統(tǒng)的網(wǎng)絡帶寬為省—市4 Mbit/s、市—縣2 Mbit/s。該網(wǎng)絡是業(yè)務專網(wǎng)，主要用于氣象觀、探測資料和氣象預測預報相關業(yè)務的傳輸，也有行政辦公等應用，是一個綜合業(yè)務應用網(wǎng)絡，這些業(yè)務共享線路帶寬，氣象業(yè)務數(shù)據(jù)流主要集中在規(guī)定的發(fā)報傳輸時次，帶寬占用呈脈沖狀態(tài)，數(shù)據(jù)流量大，沒有作優(yōu)先級設置。

1.2.2 傳輸帶寬設計［3］

根據(jù)構建省—市—縣三級高清視頻會議系統(tǒng)的設計要求，系統(tǒng)需要實現(xiàn)省局到市局(一級到二級)1080p視頻會議、市局到縣局(二級到三級)720p視頻會議的省—市—縣三級全網(wǎng)高清視頻會議。

通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡環(huán)境的分析，在現(xiàn)有省到市4 Mbit/s、市到縣2 Mbit/s的帶寬條件下進行了4 Mbit/s，3.5 Mbit/s，3 Mbit/s，2.5 Mbit/s，2 Mbit/s，1.5 Mbit/s，1.2 Mbit/s，1 Mbit/s等帶寬下召開高清視頻會議時的網(wǎng)絡壓力測試，以及氣象實時業(yè)務的影響程度，經(jīng)過綜合考慮，除去其他氣象實時業(yè)務占用的帶寬，高清視頻會議系統(tǒng)最高可占用2 Mbit/s帶寬來召開1080p視頻會議，最高1.2 Mbit/s帶寬來召開720p視頻會議;召開省—市—縣三級視頻會議時，考慮到市到縣之間的網(wǎng)絡承載能力，最高可使用1.2 Mbit/s的帶寬召開720p高清視頻會議。經(jīng)過兩年多的使用，該網(wǎng)絡帶寬設計是能夠滿足視頻會議傳輸要求的，只是在氣象業(yè)務數(shù)據(jù)流集中傳輸時會出現(xiàn)與視頻會議數(shù)據(jù)爭搶帶寬的現(xiàn)象。

1.2.3 關鍵設備選型要求

高清視頻會議系統(tǒng)需運行在四川省氣象部門的實際網(wǎng)絡環(huán)境之下，所選設備需充分考慮產(chǎn)品的網(wǎng)絡適應能力。具體要求見表1。

2 高清視頻會議系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構

根據(jù)高清視頻會議系統(tǒng)的建設要求，在現(xiàn)有網(wǎng)絡環(huán)境下，通過對高清視頻系統(tǒng)關鍵設備進行選型，組建最合理的三級級聯(lián)高清視頻會議系統(tǒng)，整個系統(tǒng)結構如圖2所示。

表1 關鍵設備選型要求

系統(tǒng)采用高清多點控制單元MCU(POLYCOM RMX1000)23臺，省局和各市局分別部署1臺;高清終端(POLYCOM HDX7000/HDX8000)共165臺，其中21個市局各部署 1臺 HDX8000，143個縣局各部署 1臺HDX7000，終端均含高清攝像頭;會議保障語音電話(POLYCOM IP550/IP650)20臺，省局和各市局分別部署1臺;省局另部署高清錄播服務器(POLYCOM RSS2000)1臺，視頻會議管理服務器(POLYCOM CMA4000)1臺。

圖2 四川氣象高清視頻會議系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)的應用

四川氣象高清系統(tǒng)建成后，在汛期服務特別是災害應急氣象保障工作中發(fā)揮了重大作用，提升了視頻會商的效果，視頻圖像清晰，達到高清效果，實現(xiàn)了原標清系統(tǒng)所不具備的雙向雙流功能，完全滿足氣象部門的業(yè)務需求。該系統(tǒng)主要用于省局和各市州局的日常天氣視頻會商、全省的工作會議、重大天氣過程視頻會商、轉(zhuǎn)播國家局會商和會議、市局片區(qū)天氣會商和會議、西南區(qū)域天氣會商和會議等。該高清視頻系統(tǒng)的主要特點有:

1)視頻清晰流暢。目前整套系統(tǒng)為全省氣象部門的會商會議實現(xiàn)高清效果。經(jīng)過反復測試，在實際使用中，使用盡量少的帶寬實現(xiàn)了高清效果。省局到市局召開會議使用1728 kbit/s的帶寬，充分保證實現(xiàn)了1080p的超高清效果，市局到縣局使用1280 kbit/s的帶寬。在召開省—市—縣級聯(lián)會議時，使用1470 kbit/s帶寬，實現(xiàn)720p高清效果。

2)音頻清晰、立體聲質(zhì)感強烈。POLYCOM的揚聲器都是高保真、立體聲的全向揚聲器，能夠?qū)崿F(xiàn)360°全向拾音，拾音半徑可以達7 m。

3)雙流內(nèi)容同樣高清晰。POLYCOM目前能夠?qū)崿F(xiàn)會議中主流和輔流的雙路720p，即高清視頻和高清雙流同時支持720p。

4)CMA服務器實現(xiàn)全面管理。CMA服務器可以對在線的終端進行實時監(jiān)測，包括設備的狀態(tài)、網(wǎng)絡狀況等;對終端所使用的帶寬進行監(jiān)測，并可用拓撲形式表現(xiàn)出來;對召開會議的頻率進行統(tǒng)計，并已圖形化顯示。

5)CMA Desktop桌面軟終端將視頻會議延伸至桌面。

6)會議保障電話實時保障會議順利進行。省局配備的IP650，根據(jù)市局的數(shù)量添加了模塊，按下對應市局的快捷按鈕，便可迅速接通市局;市局配備的IP550，摘機就可直播省局，操作簡便。

3 高清視頻會議系統(tǒng)關鍵技術［4］

現(xiàn)階段，高清視頻會議系統(tǒng)編解碼主要采用H.264，它比以前H.263和MPEG－4提高編碼效率約50%。同等的圖像質(zhì)量條件下，數(shù)據(jù)壓縮比較MPEG－2高2～3倍，比MPEG－4高1.5～2倍，比H.263高2倍。網(wǎng)絡通信協(xié)議主要有H.323協(xié)議、SIP協(xié)議和H.239協(xié)議等。高清系統(tǒng)要求核心設備基于ITU－T H.323標準協(xié)議，MCU和終端需同時支持IETF SIP協(xié)議，支持H.323和SIP混合組會;支持H.239雙流協(xié)議，在省、市、縣高清多點會議中所有會場終端均可實現(xiàn)雙流發(fā)送和接收，PC圖像清晰度可以達到1024×768及以上。

高清視頻會議系統(tǒng)的關鍵技術主要包括視頻編碼、高清視頻信號接口、網(wǎng)絡通信協(xié)議、圖像標準和MCU級聯(lián)技術等。文章主要對圖像標準、高清視頻信號接口和MCU級聯(lián)技術的研究和應用進行介紹。

3.1 高清圖像標準

視頻會議發(fā)展之初，是以CIF(352×288)格式作為視頻會議標準。到了21世紀，視頻會議系統(tǒng)提升到4CIF，現(xiàn)階段國際標準定義高清為720p(分辨力1280×720，24～60 f/s)和1080p(分辨力1920× 1080，24～30 f/s)。視頻分辨力的業(yè)界標準如圖3所示。

圖3 視頻分辨力的業(yè)界標準

圖4 4種高清視頻信號接口

3.2 高清視頻信號接口

高清視頻信號接口的研究對于高清視頻系統(tǒng)的構建和顯示設備的選擇具有重大的指導意義看，目前主流的高清信號接口有HD－SDI(高清數(shù)字分量串行接口)、色差分量、HDMI(高清晰度多媒體接口)和DVI(數(shù)字視頻接口)等，如圖4所示。色差分量和DVI是目前在視頻會議系統(tǒng)設備上使用較多的接口，HDMI能夠同時傳送音頻和視頻信號的高清接口，數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達5 Gbit/s，而且在信號傳送前不需要進行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換。

HD－SDI是根據(jù)SMPTE(攝影與電視工程師協(xié)會)202M，在 1.485 Gbit/s或者 1.485/1.001(Gbit·s－1)的信號速率條件下傳輸?shù)慕涌谝?guī)格，該規(guī)格規(guī)定了數(shù)據(jù)格式、信道編碼方式、同軸電纜借口的信號規(guī)格、連接器及電纜類型與光纖接口等，具有架設距離長、使用一根同軸電纜傳輸視頻和音頻信號等優(yōu)點。HD－SDI接口是目前廣電行業(yè)標準的高清接口。在實際應用中，應根據(jù)系統(tǒng)建設需要選擇最適合的接口，4種高清接口的比較如表2所示。

表2 高清接口比較

3.3 MCU 級聯(lián)

對于一個大型視頻會議系統(tǒng)，當其視頻終端的數(shù)量超出了單臺MCU最大系統(tǒng)容量，則需要MCU級聯(lián)的方式實現(xiàn)所有終端集中在一個會議里面，即把MCU串聯(lián)起來，串聯(lián)是分層的，一層一層下去。目的把相同或不同的MCU設備連接起來增加MCU端口數(shù)。

MCU和終端的連接網(wǎng)呈星形狀態(tài)，通常放置在星形網(wǎng)絡的中心處，即參加會議的各個終端都以雙向通信的方式和 MCU相連接。在級聯(lián)中，處在上面的一層的MCU是上層MCU，處在下層的 MCU為從MCU，從MCU受控于上層 MCU。在高清系統(tǒng)設計中，采用了省級MCU(第一級)級聯(lián)21個市級MCU(第二級)的方法，市級及所屬縣級的終端均由市級MCU管理，將視頻系統(tǒng)延伸至三級。

系統(tǒng)所采用的MCU(POLYCOM RMX1000)支持數(shù)字級聯(lián)，具體設置方法為:省、市級MCU分別建省—市—縣級聯(lián)會議模板，設定主MCU連接速率為1472 kbit/s，會議模式為演講者模式，視頻質(zhì)量最高至720p;從MCU設定連接速率為1280 kbit/s，啟用從級聯(lián)策略，會議模式為演講者模式，視頻質(zhì)量最高至720p，其余設置為默認。

級聯(lián)會議中，MCU自動采用演講者模式，演講者設置為省局MCU，演講者觀看對象設置為市局終端。此時，省局節(jié)點觀看到的是所有市、縣局節(jié)點會場的輪詢畫面，各市州局和各縣局節(jié)點觀看到的是省局節(jié)點的畫面。如需某市局發(fā)言，則在主MCU中修改演講者為此市局的MCU，再到此市局的MCU中將畫面切換到需要發(fā)言的會場即可。圖5為省市縣三級級聯(lián)會議召開時主MCU的操作界面，省級MCU實現(xiàn)了對市級MCU的數(shù)字級聯(lián)。

圖5 省市縣三級級聯(lián)會議操作界面

4 結束語

系統(tǒng)實現(xiàn)了省—市可召開1080p高清會議，市—縣可召開720p高清會議，建成全國氣象部門首個覆蓋省—市—縣三級的高清視頻會商(會議)系統(tǒng)，為氣象部門的天氣會商和會議發(fā)揮了重大的作用?，F(xiàn)階段，視頻會議系統(tǒng)需要解決網(wǎng)絡服務質(zhì)量(QoS)保障欠缺、接入網(wǎng)的帶寬問題和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)優(yōu)先級設置等問題。隨著網(wǎng)絡技術和視頻技術的不斷發(fā)展，高清視頻會議系統(tǒng)將會更加普及和完善。

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