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(jīng)常存在同跨地域和跨各級科研生產(chǎn)單位業(yè)務協(xié)調(diào)的情況. 在“十二五”初期,本部部署了一套視頻會議系統(tǒng),隨著企業(yè)內(nèi)部規(guī)模不斷擴展,各業(yè)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(zhì)量、網(wǎng)絡帶寬和聲音等提出更高要求,原會議模式已無法滿足現(xiàn)有業(yè)務擴展與工作需求.

本文以提升視頻會議質(zhì)量為前提,采用多點控制單元(MCU)的級聯(lián)模式和高清視頻會議終端設備對原有會議室系統(tǒng)進行改造,采用一鍵式的中控管理模式來區(qū)分本地會議和遠程會議,對會場內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)布局

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

圖1 高清視頻會議系統(tǒng)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(yè)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(jié)點形成2 級MCU級聯(lián)的樹形結構的邏輯互聯(lián)關系.

2.2 系統(tǒng)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?shù)姆€(wěn)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(diào)整,調(diào)整后的系統(tǒng)架構如圖2所示.

圖2 高清視頻會議系統(tǒng)架構

2.3 實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(xiàn)回聲的現(xiàn)象,除去原有的調(diào)音臺,避免出現(xiàn)誤操作而導致的嘯叫問題.

(2) 高清雙流

在保持原有網(wǎng)絡帶寬占用條件不變的前提下,需要在原有網(wǎng)絡條件下同時傳送兩路視頻信號,發(fā)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(tǒng)采用高清終端來實現(xiàn)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(shù)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(shù)字音頻處理器的內(nèi)置噪聲濾波器來過濾現(xiàn)場環(huán)境的背景噪聲,對數(shù)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(diào)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(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 整體實現(xiàn)

3.1.1 會議通信協(xié)議

(1) H.323

H.323是ITU-T組織提出的H.323協(xié)議多媒體通信系列標準H.32X的一部分[4],是分組網(wǎng)絡上進行多媒體通訊的標準. 該協(xié)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(xié)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(xié)議還能使分組網(wǎng)絡與其他類型網(wǎng)絡進行多媒體的聯(lián)通,所以本視頻網(wǎng)絡系統(tǒng)采用H.323框架協(xié)議,由于傳統(tǒng)的H.323協(xié)議容納的視頻壓縮協(xié)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(zhì)量相對較差,帶寬要求苛刻. 所以本次改造的系統(tǒng)通過擴展傳統(tǒng)的H.323協(xié)議棧,引入H.264視頻壓縮協(xié)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(tǒng)”應用. H.264碼流結構含視頻編碼層：負責高效的視頻內(nèi)容表示,網(wǎng)絡適配層提供視頻編碼與外部設備的接口,以網(wǎng)絡所要求的適當方式對數(shù)據(jù)進行打包盒傳送,更靈活的將編碼數(shù)據(jù)組合到網(wǎng)絡中[9-11].在同等網(wǎng)絡條件下,提高視頻圖像質(zhì)量,節(jié)省帶寬,從而提高了同時支持的客戶端數(shù)量.

3.1.2 多點視頻會議的實現(xiàn)

根據(jù)會議召開的實際情況,系統(tǒng)采用的是基于H.323的網(wǎng)絡協(xié)議體系,使用層級組網(wǎng)的方式進行構建,由二級單位(各院)通過集團公司廣域網(wǎng)核心路由器進行互聯(lián),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(lián),將MCU和視頻終端設備接入本單位的網(wǎng)絡,最終形成與二級單位級聯(lián)的邏輯互聯(lián)關系,實現(xiàn)思路如圖3所示.

圖3 高清視頻會議系統(tǒng)邏輯互聯(lián)關系圖

3.2 視頻、音頻實現(xiàn)

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(fā)言席電腦主機和會議桌插器,配合高清混合切換矩陣,實現(xiàn)向會場內(nèi)各顯示設備的信號發(fā)送.

(2) 矩陣輸入輸出

系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)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(fā)言的席數(shù),發(fā)言模式,系統(tǒng)具備自由發(fā)言、申請發(fā)言、輪候發(fā)言多種發(fā)言模式.

(2) 會場擴聲

由于會議系統(tǒng)的應用場景是點對點以及多對多的模式,考慮到聲音傳輸?shù)姆€(wěn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)字音頻處理器的第3路輸出信號;

④ 會場話筒接入數(shù)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(shù)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(tǒng)輸入輸出圖

⑥ DVD主機的左、右聲道接入數(shù)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(shù)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(shù)字音頻處理器,進一步避免了調(diào)音臺誤操作帶來的聲音失真的問題.

3.3 中控系統(tǒng)實現(xiàn)

3.3.1 中控系統(tǒng)架構

會議室的中控系統(tǒng)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(xiàn)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(yè)務場景分別進行控制;

(4) 會議界面管理主要實現(xiàn)了中控系統(tǒng)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(xiàn)

中控系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對系統(tǒng)設備統(tǒng)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(xiàn)邏輯首先由觸摸屏這里發(fā)送一個信號到中控板卡,中控板卡接收指令后,執(zhí)行對應代碼將結果輸出.

(1) 時序電源控制實現(xiàn)

為了防止設備開啟順序不正確造成的系統(tǒng)啟動問題,在定義系統(tǒng)啟動的業(yè)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(xiàn)過程如圖7所示.

圖7 時序控制的實現(xiàn)

(2) 輸入輸出信號控制實現(xiàn)

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(xiàn)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(yè)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(jù)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(yè)務邏輯代碼關聯(lián),整個實現(xiàn)過程如圖9所示.

圖9 輸入輸出實現(xiàn)

4 測試與驗證

4.1 一鍵式功能操作測試

(1) 系統(tǒng)啟動

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

(2) 會議的模式選擇

進入系統(tǒng)后出現(xiàn)選擇會議模式界面,根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)關閉

點擊系統(tǒng)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(tǒng)電源逐個斷電,系統(tǒng)界面立刻進入關閉系統(tǒng)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(lián)調(diào). 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(wěn)定,丟包率較低. 如圖14所示.

圖14 與會者通話狀態(tài)

5 結論

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

1 豆丁網(wǎng). 視頻會議系統(tǒng)研究背景及現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)分級保護管理規(guī)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(xiàn). 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(xiàn)中H.264視頻編碼算法的優(yōu)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(xiàn)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(jiān)控接入系統(tǒng)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(xiàn). 西安郵電學院學報,2006,11(5)：47-51.