張元龍,趙 威,陳 雨,張旭陽,王 帥
(遼寧省氣象信息中心,沈陽 110166)
多媒體通信技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的文字和語音的交流方式正在因科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)生著巨大的變化,人類的生產(chǎn)生活與聲音和圖像的傳遞越來越密切.而高清視頻會議系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)聲音和圖像的實(shí)時遠(yuǎn)距離傳輸,已經(jīng)發(fā)展成為不可或缺的溝通和交流方式,為人們提供一種簡單、快捷,高效的異地交流的手段,更接近于面對面交流的真實(shí)體驗[1].
高清視頻會議系統(tǒng)在氣象部門發(fā)揮著越發(fā)重要的業(yè)務(wù)應(yīng)用位置,是氣象部門防災(zāi)減災(zāi)、提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和提高工作效率的有力支撐.近些年來,氣候變化和氣象災(zāi)害對社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響越來越大,氣象服務(wù)的深度和廣度也逐漸增大,人們對高質(zhì)量氣象服務(wù)的需求急劇上升,更加需要高質(zhì)量的業(yè)務(wù)服務(wù)支撐體系,以更好的服務(wù)社會.目前氣象科技服務(wù)已延伸至交通、旅游、航空,水利,農(nóng)業(yè)、軍事等多個行業(yè)和領(lǐng)域[2].
隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展需要和先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn),高清視頻會議系統(tǒng)設(shè)備體系更加龐大復(fù)雜,出現(xiàn)問題的幾率不斷加大,同時也增加了日常維護(hù)的難度.本文對遼寧氣象高清視頻會議系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)組成以及實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)視音頻功能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,同時結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展需要,新建移動終端視頻會議接入系統(tǒng),最后以我省高清視頻會議系統(tǒng)的音頻故障為例,創(chuàng)建音頻故障樹,運(yùn)用故障樹分析法對該系統(tǒng)音頻的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量和定性分析.
遼寧省氣象局的高清視頻會議系統(tǒng)是基于多媒體通信技術(shù),以遼寧省氣象信息中心視頻會議操控臺為控制中心,覆蓋全省14個市氣象局、65個縣氣象局,以及環(huán)保局,沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),水利廳等同城用戶,具備實(shí)時傳輸視頻、音頻和發(fā)言主機(jī)輔流信號的功能.該系統(tǒng)是建立在集團(tuán)廣域網(wǎng)內(nèi)部的應(yīng)用[3],承載著天氣預(yù)報會商業(yè)務(wù)交流、區(qū)域氣候會議、氣象應(yīng)急服務(wù)、遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)以及其他國家級,省級的臨時電視電話會議等業(yè)務(wù),尤其在每年汛期、重大災(zāi)害性天氣過程中以及氣象應(yīng)急保障中發(fā)揮巨大作用.圖1是遼寧省氣象局高清視頻會議系統(tǒng)架構(gòu)圖,該系統(tǒng)由省級控制中心主控,由7個省級分會場、4個同城用戶分會場、14個市級分會場以及局機(jī)關(guān)會場組成.基于IP網(wǎng)絡(luò),采用高清視頻會議終端背靠背轉(zhuǎn)播、MCU逐級級聯(lián)(即市級MCU呼入省級MCU,縣級終端呼入所在市級MCU)的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)對中國氣象局組織召開的各類視頻會議進(jìn)行收聽、收看和轉(zhuǎn)發(fā)功能,同時也能夠召開全省省-市-縣三級的高清視頻會議,實(shí)現(xiàn)實(shí)時的不同會場之間多媒體數(shù)據(jù)流雙向互通.該系統(tǒng)全年365天不間斷運(yùn)行,目前已建成全省的省-市-縣三級高清視頻會議系統(tǒng),可以提供高清1080P@60F的視頻圖像.
省級控制中心由兩臺互為冷備的華為ViewPoint 8650多點(diǎn)控制單元(Multipoint Control Unit,MCU)、兩臺背靠背連接的轉(zhuǎn)會終端、一臺配有會議管理平臺的服務(wù)器、抓包服務(wù)器,錄播服務(wù)器、電視墻服務(wù)器、大屏拼接處理器,一臺光纖矩陣共同組成.會議管理平臺服務(wù)器負(fù)責(zé)召集、管理及結(jié)束等會議管理控制功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源統(tǒng)一調(diào)度;MCU主要負(fù)責(zé)不同會場之間碼流的處理和轉(zhuǎn)發(fā),具有超強(qiáng)的組網(wǎng)能力和強(qiáng)大的動態(tài)速率、協(xié)議適配能力,實(shí)現(xiàn)不同會場之間多媒體數(shù)據(jù)流的交互,其最大接入帶寬達(dá)到512 MB,支持1080 P分辨率的視頻碼流以及最高8 MB的會議帶寬;背靠背連接的轉(zhuǎn)會終端,可以將國家級召開的視頻會議轉(zhuǎn)發(fā)給省級其他會場以及市縣級會場收聽收看;抓包服務(wù)器負(fù)責(zé)抓取省內(nèi)(省級會場和市級會場)分會場的主流畫面,便于監(jiān)控各分會場的主流畫面信息;電視墻服務(wù)器和拼接屏處理器負(fù)責(zé)電視墻圖像的處理和顯示;錄播服務(wù)器對召開的會議進(jìn)行實(shí)時錄制;光纖矩陣負(fù)責(zé)不同的視頻信號之間的切換.
圖1 遼寧省氣象局高清視頻會議系統(tǒng)架構(gòu)圖
省級分會場主要有兩臺背靠背轉(zhuǎn)會終端,4個直屬單位視頻終端以及一個會議室視頻終端組成;同城用戶分會場由環(huán)保局,農(nóng)業(yè)大學(xué)等4個單位組成;在各市級分會場分別配有滿足其會議能力的MCU,負(fù)責(zé)管理所管轄縣局的視頻終端,具備同省級進(jìn)行MCU逐級級聯(lián)召開會議的能力[4].局機(jī)關(guān)分會場由5個視頻終端組成.在召開視頻會議時,各分會場的視頻終端基于IP網(wǎng)絡(luò)通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)呼入省級控制中心MCU,各會場之間的音頻、視頻及雙流信號通過視頻終端編解碼后,使其在網(wǎng)絡(luò)中傳輸至省級MCU進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理.
在應(yīng)急氣象服務(wù)中,如何能夠及時、準(zhǔn)確獲得突發(fā)事件現(xiàn)場的實(shí)時情況,是需要急需解決的問題.近些年來,3G、4G通信技術(shù)迅速發(fā)展,其網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬逐漸加大,流量資費(fèi)逐漸降低,如果能夠依靠3G、4G網(wǎng)絡(luò)信號,將突發(fā)事件現(xiàn)場的災(zāi)害情況及時反饋到省級會場,這將大大增加我們在應(yīng)急事件處理中的主動性.圖2是遼寧氣象移動終端接入視頻組網(wǎng)連接架構(gòu)圖.該系統(tǒng)主要由融合服務(wù)器(RPRM和DMA)、智能移動終端RPM、互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)RPAD以及一臺POLYCOM MCU設(shè)備組成.
圖2 遼寧氣象移動終端接入視頻組網(wǎng)連接架構(gòu)圖
省級控制中心利用融合服務(wù)器來集中配置、監(jiān)視和管理整個視頻協(xié)作網(wǎng)絡(luò),該服務(wù)器支持GK和SIP server功能;安全接入網(wǎng)關(guān)是內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)穿越系統(tǒng),支持H.323和SIP協(xié)議;智能移動終端RPM安裝POLYCOM手機(jī)終端軟件.當(dāng)應(yīng)急服務(wù)現(xiàn)場具有3G、4G或WiFi無線網(wǎng)絡(luò)信號時,省級MCU 8650與POLYCOM MCU級聯(lián),RPM利用省級操控中心下發(fā)的用戶名和密碼,通過RPAN即可將應(yīng)急服務(wù)現(xiàn)場的畫面實(shí)時傳輸至POLYCOM MCU,進(jìn)而可以在省級控制中心大屏顯示,不僅有利于值班領(lǐng)導(dǎo)能夠第一時間獲得應(yīng)急服務(wù)現(xiàn)場的信息,更加有利于領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)時情況做出重要批示,增加我們在應(yīng)急事件處理中的主動性.
省級控制中心具備處理,中轉(zhuǎn)傳輸和切換與會會場之間音頻、主流信號和輔流信號的功能.系統(tǒng)的主流信號采集部分采用70寸4×6大屏顯示系統(tǒng)用于會議調(diào)度和主流畫面監(jiān)控顯示,配有一臺48×48的光纖矩陣用于視頻信號的切換顯示,同時配有對與會會場主流信號數(shù)據(jù)流進(jìn)行抓取的抓包服務(wù)器,抓取MCU中參會會場的主流畫面;值班員通過中控主機(jī)對光纖矩陣的輸入、輸出信號進(jìn)行控制切換,進(jìn)而將與會會場的主流視頻信號投放在大屏顯示系統(tǒng)中顯示.系統(tǒng)的音頻部分利用調(diào)音控制臺將會場的多路輸入信號進(jìn)行放大、混合、分配和音響效果加工,調(diào)音控制臺的聲音輸出一部分回傳給視頻會議終端,另一部分聲音輸出到兩臺數(shù)字音頻處理器,數(shù)字音頻處理器的另一端外接8個功放,供省級控制中心音頻擴(kuò)音.
隨著互聯(lián)網(wǎng)帶寬的增加以及多媒體處理技術(shù)的發(fā)展[5],視頻會議變得越來越吸引人,高清視頻會議已經(jīng)成為主流.我省的視頻會議系統(tǒng)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外有關(guān)編碼規(guī)范要求,滿足先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)化、安全可靠、靈活擴(kuò)展、易操作的設(shè)計原則[6],是一種基于IP分組交換網(wǎng)絡(luò)召開會議的方式,它不僅能夠?qū)崟r傳遞與會代表之間的聲音和圖像,而且還可以傳遞文件和圖表等信息[7],它是將音頻、主流和輔流信號在IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).因此,整個視頻會議系統(tǒng)涉及到視頻、音頻和圖像處理等技術(shù),以及在通信系統(tǒng)中應(yīng)該遵循的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn).
在分組交換網(wǎng)絡(luò)中,H.323和SIP是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的兩種多媒體會話信令協(xié)議[8].早在1996年ITUT(國際電信聯(lián)盟)就通過了H.323協(xié)議[9],它是集音頻、視頻、媒體終端控制及數(shù)據(jù)應(yīng)用等幾方面協(xié)議組成的一組協(xié)議集,H.323發(fā)展至今在與傳統(tǒng)電信體系互聯(lián)、互通方面技術(shù)發(fā)展比較成熟,應(yīng)用也很廣泛[10,11].基于H.323協(xié)議的多媒體通信系統(tǒng)由終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守以及多點(diǎn)控制單元(MCU)等不同的角色組成,體現(xiàn)了一種集中式、富有層次式的控制模式,其中多點(diǎn)控制單元(MCU)主要負(fù)責(zé)視頻會議中眾多參與者之間視頻,音頻和數(shù)據(jù)流的分發(fā)和處理[5],網(wǎng)守主要完成呼叫的控制、媒體傳輸控制功能等.而SIP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由IETF (因特網(wǎng)工程任務(wù)組)在1999年推出的,它不需要大量的協(xié)議配合就能控制現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)多媒體互通,它采用Client/Server結(jié)構(gòu)的消息機(jī)制,在風(fēng)格上遵循簡練、開方、兼容和可擴(kuò)展的原則,體現(xiàn)出一種分布式分控制模式.SIP協(xié)議最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單;和SIP協(xié)議相比,H.323在可靠性方面支持中間實(shí)體故障處理的能力,在服務(wù)質(zhì)量方面支持視頻終端的集中管理和控制的功能,而不是依賴于別的協(xié)議;同時,結(jié)合我省業(yè)務(wù)的運(yùn)行實(shí)際情況,遼寧氣象高清視頻會商系統(tǒng)是一個大型的會議系統(tǒng),需要集中管理和控制,因此遼寧高清視頻會議系統(tǒng)采用H.323通信標(biāo)準(zhǔn).
在高清視頻會議系統(tǒng)中,如何選取適合的視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是非常關(guān)鍵的.當(dāng)前比較主流的視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有H.265、H.264、H.263、MPEG-4和MPEG-2等,都是基于塊的混合編碼[12].H.265是目前最新的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn),相比于其他的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),H.265明顯改善了視頻壓縮效率[13],針對其更高的計算復(fù)雜度,提出了幀內(nèi)預(yù)測硬件加速算法[13,14].H.264同其他三種視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比,基本功能沒有變化,但是在運(yùn)動補(bǔ)償方面通過率失真優(yōu)化來選擇不同的塊尺寸改善運(yùn)動精度(可以達(dá)到1/4像素的精度),提高圖像質(zhì)量和編碼效率;幀內(nèi)預(yù)測是用鄰近塊的相關(guān)性預(yù)測當(dāng)前塊和實(shí)際塊的殘差被編碼,以消除空間冗余;H.264編碼視頻流與H.263或MPEG-4編碼視頻流相比,平均可節(jié)省39%的比特率[15].通過對比以上幾種視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在編碼效率上H.264算法最領(lǐng)先[16],并且在較低的帶寬條件下就可以保證視頻的傳輸質(zhì)量,這也是我省高清視頻會議系統(tǒng)目前所采用的視頻壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).
ISO (國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)與ITU-T (國際電信聯(lián)盟)等組織在2010年成立了聯(lián)合組織,就數(shù)字視頻壓縮技術(shù)H.264的某些技術(shù)進(jìn)行了升級,提出了H.265,其宗旨是只需要消耗原來的一半帶寬即可獲得同質(zhì)量的視頻[17].在2013年2月,ITU正式通過了HEVC/H.265(高效視頻編碼,High Efficiency Video Coding)標(biāo)準(zhǔn),圖3是Grois等[18]對H.265/MPEG-HEVC,VP9和H.264/MPEG-AV-C編碼器性能(兩種不同的應(yīng)用場景進(jìn)行對比,兩種場景的畫面分辨率分別是2560×1600,30 fps和1920×1080,24 fps)進(jìn)行的對比分析,發(fā)現(xiàn)H.265編碼器的效率更高,在較低的帶寬下即可獲得同等的視頻質(zhì)量.從H.264向H.265升級是信息技術(shù)和時代發(fā)展已經(jīng)成為一種必然趨勢,比如現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的4K電視、HUAWEI TX50等終端產(chǎn)品已經(jīng)支持H.265技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),它提供給用戶無可比你的音視頻效果,帶去更加優(yōu)質(zhì)的視頻會議體驗.
圖3 H.265/MPEG-HEVC,VP9和H.264/MPEG-AVC編碼器性能對比分析[18]
針對高清視頻會議系統(tǒng),保證視頻,音頻以及圖像的傳輸質(zhì)量是十分重要的.有人會說視頻比較重要,其實(shí)視頻會議中,我認(rèn)為音頻的傳輸質(zhì)量更重要.在一次視頻會議中,與會者之間的交流主要是通過音頻對話實(shí)現(xiàn)的,因此,音頻的編解碼和傳輸保障是多媒體關(guān)鍵技術(shù)的重要特征之一.表1是不同的音頻編解碼器性能對比分析表.我省視頻會議系統(tǒng)MCU采用的音頻協(xié)議是G.722-64 k,目前完全可以滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)的需求.G.722音頻協(xié)議采用16 kHz的音頻采樣頻率,7 kHz頻寬,48、56和64 kbit/s三種傳輸速率,其延時和誤碼率低,質(zhì)量較好,音質(zhì)可達(dá)到調(diào)幅廣播音質(zhì).
表1 不同的音頻編解碼器性能對比分析
人耳所能感知的自然界的頻響能力可以達(dá)到20 Hz~20 kHz,由于G.711,G.722和G.728等音頻標(biāo)準(zhǔn)的頻寬限制,在對視頻會議現(xiàn)場音頻的還原過程中過多的音頻信息的丟失造成了無法真實(shí)還原會議現(xiàn)場的情況,對音頻質(zhì)量影響最大的是丟包率,時延和抖動.為了解決以上問題,AAC_LD (Advanced Audio Coding Low Delay,高級音頻編碼低延遲規(guī)格)音頻標(biāo)準(zhǔn)的誕生,其低帶寬、低延遲和高質(zhì)量的特點(diǎn)使高清視頻會議過程中的音頻更加近于完美,能夠達(dá)到高保真CD音質(zhì).
高清視頻會議系統(tǒng)在氣象服務(wù)體系中扮演著不可或缺的重要角色,且該統(tǒng)設(shè)備較多,可能的故障點(diǎn)和種類多,因此保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要.而故障樹分析法,簡稱FTA (Fault Tree Analysis),它是由貝爾電話實(shí)驗室的H.A.Watson在1961年提出的,是一種分析、判斷系統(tǒng)的可靠性和可用性的重要方法,它是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖,是故障事件在一定的條件下發(fā)生的邏輯規(guī)律,能夠清晰的說明系統(tǒng)是怎樣失效的[19],反映出系統(tǒng)發(fā)生故障這一事件的各種直接原因和間接原因,故障樹分析法在油氣管道傳輸[20]、評估電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[21,22]方面有很多的應(yīng)用.接下來以我省高清視頻會議系統(tǒng)的音頻信號故障為例,運(yùn)用故障樹分析法,對該系統(tǒng)音頻信號的穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量的分析.
對高清視頻會議系統(tǒng)的組成原理和故障特點(diǎn)了解的越充分,越有利于故障樹的建立.我省高清視頻會議系統(tǒng)主要是基于傳輸寬帶網(wǎng)絡(luò),通過MCU、視頻終端、光纖矩陣、電視墻服務(wù)器和DLP拼接屏處理器等硬件設(shè)備,將不同會場之間的多媒體信息流進(jìn)行交互的.視頻會議系統(tǒng)中的多媒體信息流包括視頻(本文指輔流信號)和音頻信號兩個部分,與視頻信號相比較,音頻信號可以為與會者提供更好的交流互動平臺,更加有利于表述己方的觀點(diǎn).因此,我們以視頻會議系統(tǒng)的音頻信號故障為例進(jìn)行故障樹分析,將音頻信號故障作為故障樹的頂事件,根據(jù)我省視頻會議系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)際情況,構(gòu)建我省視頻會議系統(tǒng)音頻信號故障樹如圖4所示,其中聲音故障作為該故障樹的頂事件,找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部可能原因即中間事件,再找出導(dǎo)致中間事件發(fā)生的全部可能原因即底事件.
對故障樹進(jìn)行定性分析,主要是尋找故障樹的全部最小割集,找到最小割集能夠全面了解系統(tǒng)相應(yīng)故障發(fā)生的各種可能情況,了解系統(tǒng)正常運(yùn)行的可靠性大小,同時也可以為故障預(yù)防和處理提供依據(jù).本文采用上行法進(jìn)行分析,即從最末的底事件一級起,繼而將上一級中的事件用最末一級的事件和本級中的有關(guān)的基本事件表示,如此向上運(yùn)算,直到最上一級.在圖4中,各事件相互獨(dú)立,都有或門構(gòu)成,頂事件用T表示,按照該原則,便可得到整個故障樹頂事件、中間事件和底事件之間的表達(dá)式如式(1)–式(6)所示:
利用式(1)–式(6)的進(jìn)一步推算,即可得出式(7),如下所示:
從式(7)可以看出,該故障樹的最小割集為{S1},{S2},{S3},{S4},{S5},{S6},{S7},{S8},{S9},{S10},{S11},并且最小割集均為一階,說明一個底事件發(fā)生就可以引起頂事件發(fā)生,故障發(fā)生的可能性比較大.
圖4 我省視頻會議系統(tǒng)音頻信號故障樹
故障樹的定量分析就是對該系統(tǒng)進(jìn)行量化分析,分析不同最小割集的重要程度,同時可以間接估算頂事件發(fā)生的概率.最小割集之間相互獨(dú)立,頂事件發(fā)生的概率公式如式(8)所示:
其中,PT是頂事件發(fā)生的概率,PSi是最小割集發(fā)生的概率,為最小割集均不發(fā)生的概率乘積,n為最小割集的個數(shù).假設(shè)圖4中各個底事件發(fā)生概率均為0.01,則該系統(tǒng)故障樹頂事件發(fā)生的概率PT=0.105.但是實(shí)際上音頻發(fā)生故障原因的基本事件發(fā)生的概率是不同的,發(fā)生概率比較高的事件是{S8}和{S9},即連接MIC的接線松動和不經(jīng)意碰到中控主機(jī)致使功放靜音,導(dǎo)致故障樹頂事件的發(fā)生,假設(shè)這兩次事件發(fā)生的概率為0.02,則頂事件發(fā)生的概率PT=0.123,頂事件發(fā)生的概率增加了,所以這兩點(diǎn)可作為日常處理音頻故障檢查的重點(diǎn),有利于更有效的減少故障率.
遼寧省級高清視頻會議系統(tǒng)在氣象服務(wù)體系中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,該系統(tǒng)已經(jīng)成為我省氣象部門防災(zāi)減災(zāi)、提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和提高氣象服務(wù)質(zhì)量的有力支撐.該系統(tǒng)依托全國及全省氣象廣域網(wǎng)絡(luò),承擔(dān)國家級及全省級的各類技術(shù)培訓(xùn)、異地交流以及行政會議等工作,不但減少了工作人員的舟車勞頓,還有利于提高了工作效率.同時,我省新建的移動終端接入視頻組網(wǎng)系統(tǒng),使得在應(yīng)急氣象服務(wù)中更加靈活、便捷的了解災(zāi)害現(xiàn)場的實(shí)時情況,有利于領(lǐng)導(dǎo)決策、部署下一步工作任務(wù)提供依據(jù).此外,對我省高清視頻會議系統(tǒng)整體架構(gòu)分析,深入探討視音頻的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并以該系統(tǒng)的音頻信號故障為例,運(yùn)用故障樹分析法對我省高清視頻會議系統(tǒng)的音頻故障進(jìn)行了定性和定量的分析,這不僅增加我們對該系統(tǒng)更深層次的了解,還為今后故障應(yīng)急和處理打下了堅實(shí)的基礎(chǔ),進(jìn)而有利于減少音頻故障.