■李礫

基于三網(wǎng)融合高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計的多屏互動直播系統(tǒng)，主要用于實現(xiàn)多用戶多終端多點實時視頻互動直播。本系統(tǒng)支持ADSL、WIFI、FTTH、3G 等多種互聯(lián)網(wǎng)接入方式；用戶可以通過攝像機、家用電腦、筆記本、iphone、ipad 或其它各種基于安卓平臺的智能手機和平板電腦等終端接入本系統(tǒng)實現(xiàn)視頻互動?；谕ㄓ媒K端的視頻互動應(yīng)用上手簡易，大大降低了用戶操作、使用的門檻。

一、概述

1.立項背景

在三網(wǎng)融合不斷推進的時代背景下，電視節(jié)目競爭日益激烈。如何充分利用三網(wǎng)融合時代高速、雙向的傳輸帶寬豐富節(jié)目內(nèi)容，提高節(jié)目質(zhì)量，是業(yè)界近年來一直不斷探討的命題。我們認為，高速的帶寬能夠承載質(zhì)量更高、延時更小的視頻流，因此，直播的門檻大大降低，互動的需求日益增多，節(jié)目形態(tài)也會隨之發(fā)生改變。

2.主要內(nèi)容

本系統(tǒng)采用面向互動應(yīng)用的開放式架構(gòu)設(shè)計方案，達成“多屏互動、上手即用”的設(shè)計理念。解決了傳統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)效率與多設(shè)備多應(yīng)用兼容性難以兩全的難題，能夠高效運行X86、ARM 或RISC 等處理器指令集下的大部分互動應(yīng)用；能夠根據(jù)需求不斷堆疊擴展輸入輸出通道和各種功能模塊；具有較高兼容性、適應(yīng)性和無縫擴展功能。以強大性能和豐富功能為“多屏互動”需求提供全面技術(shù)保障。

多屏互動直播系統(tǒng)不僅支持PC平臺上的視頻互動接入，還支持其他各種智能設(shè)備的視頻互動接入。不論用戶身處何地（在家、在公司、在公車上、在旅途中等等），均可通過iphone、ipad 或者各種智能手機和平板電腦接入我們的視頻互動系統(tǒng)與我們的節(jié)目實現(xiàn)互動，實現(xiàn)了基于開放式架構(gòu)的多屏互動服務(wù)。

二、設(shè)計理念

1.多屏互動

多屏互動直播系統(tǒng)不僅需要支持PC 平臺上的視頻互動接入，還要能夠以簡便高效的技術(shù)方案支持各種型號的智能手機、平板電腦接入我們的視頻互動系統(tǒng)。

2.上手即用

我們拋棄了在各個設(shè)備平臺上研發(fā)接入客戶端的想法，以用戶群體最為廣泛的通用視頻互動應(yīng)用為接入客戶端，自主開發(fā)系統(tǒng)接入模塊，讓用戶不用重新學習、適應(yīng)新的接入客戶端，就能夠以自己最為熟悉、最常用的視頻互動應(yīng)用接入我們的系統(tǒng)。

3.成本嚴控

在設(shè)備選型上，優(yōu)先選擇基于通用平臺研發(fā)或運用廣泛、銷量大的設(shè)備，盡力降低日常維護和未來升級換代的成本；在數(shù)據(jù)傳輸通道選擇上，優(yōu)先采用多元化的民用通信信道互為補充，節(jié)約了大量專用數(shù)據(jù)通道的租用經(jīng)費。因此，本系統(tǒng)的建設(shè)成本和運維成本遠遠小于業(yè)內(nèi)常用的衛(wèi)星轉(zhuǎn)播系統(tǒng)和微波轉(zhuǎn)播系統(tǒng)，成為任何日播欄目都能用得起的視頻互動系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)組成

1.硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1 所示。本系統(tǒng)能夠支持X86 處理器指令集，ARM 處理器指令集，RISC 處理器指令集下的大部分互動應(yīng)用，輕松實現(xiàn)跨越多類設(shè)備的交互操作。嚴謹?shù)拈_放式模塊規(guī)劃，使得系統(tǒng)升級和擴展如同搭積木一樣簡單，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流程和節(jié)目形態(tài)的需求，可定制服務(wù)模塊集群以成倍疊加信號輸入輸出路數(shù)和編碼運算能力。

圖1 硬件架構(gòu)

2.功能模塊架構(gòu)

功能模塊架構(gòu)如圖2 所示。專業(yè)攝像機輸出的視頻流通過壓縮編碼模塊、冗余分片模塊、鏈路聚合模塊，由數(shù)據(jù)調(diào)制模塊無線傳輸?shù)较到y(tǒng)控制臺；視頻流進入系統(tǒng)控制臺后，由編碼IO 模塊進行解碼輸出到信號處理模塊，產(chǎn)生標準數(shù)字串行信號輸送給各個演播室。

多屏互動應(yīng)用產(chǎn)生的互動視頻流通過ADSL、WIFI、FTTH、3G等多種互聯(lián)網(wǎng)接入方式接入系統(tǒng)控制臺，由編碼IO 模塊進行解碼輸出到信號處理模塊，產(chǎn)生標準數(shù)字串行信號輸送給各個演播室。

圖2 功能模塊架構(gòu)

遙控臺通過連接鄰近無線收發(fā)設(shè)備登錄系統(tǒng)控制臺進行監(jiān)控操作。

3.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

互動視頻流由Internet 進入防火墻，經(jīng)過入侵檢測和包過濾，只允許合法數(shù)據(jù)流進入我們的網(wǎng)絡(luò)；通過防火墻后，由路由器根據(jù)數(shù)據(jù)報文目的地址，將互動視頻數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)控制臺。

四、功能模塊

1.壓縮編碼模塊

高效的視頻壓縮編碼不僅能去除視頻圖像內(nèi)象素之間的信息冗余，而且具有很好的網(wǎng)絡(luò)親和性，能適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸。我們選擇H.264 作為壓縮編碼模塊的標準視頻編碼。H.264 既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點和精華又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點。其優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾點：

（1）低碼率：和MPEG2 和MPEG4 ASP 等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264 技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2 的1/8，MPEG4 的1/3。

圖3 工作模塊結(jié)構(gòu)

（2）高質(zhì)量的圖象：H.264 能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。

（3）容錯能力強：H.264 提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。

（4）網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強：H.264 提供了網(wǎng)絡(luò)抽象層（Network Abstraction Layer），使得H.264 的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸（例如互聯(lián)網(wǎng)、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000 等）。

2.冗余分片模塊

冗余分片模塊主要是為了支持高誤碼的移動環(huán)境而引入的，同時它對盡力而為的IP 信道也同樣有效。但是，與其他抗誤碼技術(shù)的一樣，冗余分片模塊是以降低視頻編碼效率為代價來增強視頻流的容錯能力的，因此在采用冗余分片實現(xiàn)視頻的魯棒傳輸時，必須設(shè)計一個合理的冗余分片編碼策略，以便能在編碼效率和容錯能力之間取得一個較好的權(quán)衡。

3.鏈路聚合模塊

實現(xiàn)多路傳輸?shù)暮诵哪K是鏈路聚合模塊，其核心技術(shù)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)交換機基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種擴展網(wǎng)絡(luò)帶寬、增強網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的技術(shù)。簡言之就是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，將多個低速物理鏈路聚合在一起，使它成為一條帶寬成倍增加的邏輯鏈路。而對使用這個邏輯鏈路服務(wù)的上層實體而言，聚合鏈路的實現(xiàn)機制和內(nèi)部運行細節(jié)是透明的，聚合在一起的物理鏈路的條數(shù)還可以根據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬需求來配置。配置后的邏輯鏈路的帶寬等于被聚合在一起的多條物理鏈路的帶寬之和。因此鏈路聚合具有成本低、配置靈活的優(yōu)點，此外，鏈路聚合還提供了鏈路冗余備份的功能，聚合在一起的鏈路彼此動態(tài)備份，只要還存在能正常工作的成員，整個傳輸鏈路就不會失效，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。工作模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 中主要模塊的功能如下：

（1）幀分發(fā)模塊：主要負責通過一定的幀分配算法，選擇合適的端口把MAC 端傳送過來的幀發(fā)送出去。它還包括可選實現(xiàn)的標記協(xié)議的生成/接收模塊。

（2）幀收集模塊：加入鏈路聚合的各個成員鏈路接收到的幀都要首先交給幀收集模塊處理。再由幀收集模塊傳送給MAC 端。還包括標記響應(yīng)模塊。

（3）聚合解析/復用模塊：在發(fā)送的時候負責把由標記發(fā)布、收集或是響應(yīng)的請求傳送給適當?shù)亩丝凇Ｔ诮邮諘r首先辨別不同的幀類型，然后根據(jù)類型傳送到相應(yīng)的模塊處理。

（4）聚合模塊：由幀分發(fā)模塊、幀收集模塊和聚合解析/復用模塊組成。

（5）聚合控制模塊：配置和控制鏈路聚合，其中的子模塊線路聚合控制協(xié)議負責運行 LACP 協(xié)議，可以自動地與對端系統(tǒng)交互雙方的聚合信息，并進行鏈路聚合的相關(guān)配置。

（6）控制解析/復用模塊：發(fā)送時，不做任何處理，只是簡單地將聚合模塊和控制模塊的發(fā)送請求傳給相應(yīng)的端口；接收時，解析報文的類型，如果是LACPDU（線路聚合控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元）則前傳給控制模塊，如果是其它類型的幀則將其傳送給聚合模塊。

鏈路聚合模塊主要用于實現(xiàn)以下7 點功能：

（1）增加帶寬且可以線性增加。鏈路聚合除了可以增加帶寬外還有一個特點就是與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)只能以物理層技術(shù)提供的數(shù)量級方式（如10M、100M、l000M）增加不同，鏈路聚合可以線性的增加帶寬，配置靈活。

（2）提供了鏈路可靠性。當聚合在一起的成員鏈路有一條出現(xiàn)故障時，其它的成員鏈路會分擔它的流量，故業(yè)務(wù)不會中斷。

（3）負載分擔。聚合鏈路的流量可以相對均勻地分配到加入聚合的物理鏈路上。

（4）快速進行配置和重配置。當鏈路發(fā)生了某些相關(guān)事件時，鏈路聚合要快速地重新配置鏈路的狀態(tài)。

（5）確保幀傳輸中盡量不產(chǎn)生幀失序。

（6）支持現(xiàn)有的所有以太網(wǎng)協(xié)議，向后兼容不支持Trunk 的設(shè)備。

（7）支持網(wǎng)絡(luò)管理，明確了用于配置、監(jiān)控、控制鏈路聚合的管理對象。

4.數(shù)據(jù)調(diào)制模塊

數(shù)據(jù)調(diào)制模塊是系統(tǒng)內(nèi)負責通過無線信道收發(fā)數(shù)據(jù)的重要模塊，它負責掃描附近可用的無線基站，經(jīng)過用戶權(quán)限驗證登陸后，與視頻接收服務(wù)器交互控制信息，并在需要的時候，把經(jīng)過冗余分片的視頻流傳輸回視頻接收服務(wù)器。

經(jīng)過我們實際使用檢測，在大多數(shù)信號良好的無線環(huán)境下，只需啟動四個數(shù)據(jù)調(diào)整模塊，即可以榨干一個WCDMA 基站的上行傳輸帶寬。為了獲取更高的帶寬，本系統(tǒng)的每個數(shù)據(jù)調(diào)整模塊均可以工作在WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA 三種制式下，因此，在大多數(shù)信號良好的無線環(huán)境下，我們能夠同時利用WCDMA 基站、CDMA2000 基站和TD-SCDMA 基站的十路上行帶寬來傳輸數(shù)據(jù)，極大地擴展了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

5.編碼IO 模塊

編碼IO 模塊主要用于完成視頻流編解碼和多路視頻輸出任務(wù)，其采用基于異步計算引擎設(shè)計的GCN架構(gòu)，由若干個計算單元構(gòu)成。每個計算單元中有4 個16 路標量算術(shù)邏輯單元，每個16 路標量算術(shù)邏輯單元由16 個全功能的標量ALU 構(gòu)成。每個計算單元配備一個硬件分支單元，主要負責抽取、編碼以及調(diào)度數(shù)據(jù)和指令。此外，還有擴充的64KB 文件寄存器、16KB 一級緩存以及可供相鄰計算單元共享的16KB 只讀一級緩存和32KB 一級指令緩存。

該模塊架構(gòu)相比傳統(tǒng)的專業(yè)處理模塊有三大優(yōu)點：首先是指令編譯壓力減輕，硬件調(diào)度的加入使編譯器擺脫了調(diào)度任務(wù)；其次是程序優(yōu)化和支持擴充更加容易；最后是不用再生成調(diào)度指令和相關(guān)調(diào)度信息，使得底層設(shè)計也更加簡單。

圖4 信號處理模塊

該模塊支持多達19 路的多格式視頻互動混合接入，以及多達18 路的數(shù)字視頻輸出。該模塊支持不同制式不同格式的視頻流混合接入，其軟硬件結(jié)合的解碼方式既能夠穩(wěn)定地完成實時輸出任務(wù)，又可以隨著視頻編碼格式的發(fā)展，不斷更新解碼器以適應(yīng)各種新的編碼格式。解碼器的更新支持外掛模式，能夠?qū)r下業(yè)界流行的最新解碼模塊以通用接口接入系統(tǒng)。與傳統(tǒng)非編系統(tǒng)的封閉式編解碼體系相比，更新速度更快、兼容性更好、設(shè)置更簡便且不需要支付升級費用。

6.信號處理模塊

信號處理模塊主要用于將編碼IO 模塊輸出的視頻流進行標準化操作，即將視頻流調(diào)制成576i 標清或1080i 高清的數(shù)字串行信號輸出給演播室系統(tǒng)。如圖4 所示，該模塊有三路輸入接口，三路輸出接口。三路輸入接口支持硬切換操作，能夠?qū)崿F(xiàn)某些場合的信號復用功能。三路輸出接口輸出的信號是一致的，通常其中兩路輸出用于主備線路，另一路輸出用于監(jiān)看信號。

五、總結(jié)與展望

互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬較低是阻礙電視互動普及的主要瓶頸。目前，大多數(shù)用戶的互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬較低，傳輸高質(zhì)量的實時視頻流仍然較為吃力，導致視頻互動直播業(yè)務(wù)只能以較低碼率、較差圖像質(zhì)量進行傳輸。

在國家戰(zhàn)略“寬帶中國”以及三網(wǎng)融合的大背景下，我們認為，單向傳播的電視節(jié)目必將慢慢走向沒落，未來將是視頻互動的時代。盡早布局電視互動節(jié)目平臺、盡快培養(yǎng)電視互動觀眾群體是搶占未來互動時代先機的關(guān)鍵。