王贛華，劉鵬超（.江西省專用通信局，江西 南昌 330036；.中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 0005）

0 引言

當(dāng)前，視頻會(huì)議作為一種高效便捷的工作方式，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。視頻系統(tǒng)作為視頻會(huì)議系統(tǒng)的核心組成，其穩(wěn)定性和可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素，在視頻系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中必須對會(huì)議產(chǎn)生的各種視頻信號進(jìn)行高效穩(wěn)定傳輸[1]。除此之外，系統(tǒng)簡易、功能豐富、體驗(yàn)感強(qiáng)也是視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)[2-3]。本文針對高穩(wěn)定性、多功能、高品質(zhì)的會(huì)議場景需求，設(shè)計(jì)了主備視頻切換控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性高、操作便捷、功能豐富、體驗(yàn)感強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 視頻系統(tǒng)的構(gòu)成及方案設(shè)計(jì)

為保證會(huì)議室場景下視頻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用主備控制方案。常規(guī)的備份方案通過視頻矩陣、視頻分配器和信號切換器來管理和備份輸入信號和輸出信號[4-5]，這種傳統(tǒng)的備份方案可能在圖像質(zhì)量和兼容性方面存在一些問題，并且如果系統(tǒng)中的設(shè)備本身出現(xiàn)故障，將引起整個(gè)備份系統(tǒng)崩潰，導(dǎo)致原本作為備份系統(tǒng)的設(shè)備反而成為新的故障源。為了解決這些問題，本視頻系統(tǒng)采用了全新的熱備份思路，方案原理如圖1 所示。

圖1 視頻系統(tǒng)的熱備份原理圖

獨(dú)立主備控制設(shè)備的中央處理器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測主備系統(tǒng)鏈路。當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障，獨(dú)立主備控制設(shè)備會(huì)立即檢測到主系統(tǒng)信號異常，并迅速啟動(dòng)切換流程，將整個(gè)鏈路自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)，從而確保整個(gè)鏈路的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

本視頻系統(tǒng)的核心設(shè)備包括2 臺(tái)廣播級多功能視頻處理器、1 臺(tái)主備控制設(shè)備、1 臺(tái)可編程控制面板、交換機(jī)、視頻輸入設(shè)備以及視頻顯示終端設(shè)備。系統(tǒng)通過局域網(wǎng)將多臺(tái)處理設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)對會(huì)議中視頻系統(tǒng)的控制管理和交互操作。主備視頻切換控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主備視頻切換控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

視頻會(huì)議終端、會(huì)場攝像機(jī)及硬盤錄像機(jī)等視頻輸入信號接入至獨(dú)立主備控制設(shè)備后將視頻輸入信號一分為二，輸送至后端多功能視頻處理器，實(shí)現(xiàn)輸入信號的分配處理。將主備兩套視頻處理器處理完的輸出信號輸送至主備控制設(shè)備。中央處理器實(shí)時(shí)監(jiān)測這兩個(gè)信號的狀態(tài)，當(dāng)主信號出現(xiàn)故障，第一時(shí)間將整個(gè)鏈路切換至備路信號上，實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)信號的備份切換。此外，主備控制設(shè)備的3G 串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）輸出接口具有斷電直通設(shè)計(jì)，確保主鏈路輸入到輸出的整體安全性。

本系統(tǒng)用到的多功能視頻處理器單機(jī)即可替代目前傳統(tǒng)會(huì)議室場景視頻系統(tǒng)中的字幕機(jī)、視頻矩陣、多畫面分割器及格式轉(zhuǎn)換器等多個(gè)設(shè)備，可實(shí)施性、易用性、可維護(hù)性都大幅提升。矩陣切換、同步切換、字幕調(diào)用、場景存儲(chǔ)及場景調(diào)用等功能集中管理、統(tǒng)一操作，均可通過可編程控制面板實(shí)現(xiàn)?？删幊炭刂泼姘逯С滞瑫r(shí)對多臺(tái)設(shè)備發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中控制。主備設(shè)備僅需設(shè)置一次，且所有面板按鍵可根據(jù)被控制設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用功能做自定義編程，極大地提升了系統(tǒng)的操作便捷性。

在視頻信號處理算法方面，系統(tǒng)采用了12 位圖像位深、4 ∶4 ∶4 采樣率的畫質(zhì)處理技術(shù)，視頻傳輸質(zhì)量達(dá)到廣電級應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足黨政機(jī)關(guān)、政府企業(yè)等高畫質(zhì)、高穩(wěn)定的會(huì)議場景需求。

2 系統(tǒng)備份機(jī)制

視頻系統(tǒng)的獨(dú)立主備控制設(shè)備由中央處理器、輸入模塊和輸出模塊構(gòu)成。中央處理器控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸入輸出信號的狀態(tài)監(jiān)控，并且負(fù)責(zé)連接控制按鍵以及液晶面板顯示，獨(dú)立主備控制設(shè)備的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 獨(dú)立主備控制設(shè)備設(shè)計(jì)架構(gòu)

系統(tǒng)最大可支持4 張輸入備份模塊和4 張輸出備份模塊。每張板卡可支持兩組備份信號，輸入輸出模塊接口類型為3G SDI 與高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）1.3。 獨(dú)立主備控制設(shè)備的輸入卡采集到輸入視頻信號后完成復(fù)制功能，一分為二的視頻輸入信號送至主備多功能視頻處理器的輸入端，多功能視頻處理器的2 路視頻輸出信號送至獨(dú)立主備控制設(shè)備的輸出卡。正常情況下系統(tǒng)主視頻鏈路工作，當(dāng)中央處理器監(jiān)測到主視頻鏈路無視頻分辨率則自動(dòng)切換到備路。獨(dú)立主備控制設(shè)備的備份機(jī)制如圖4 所示。

圖4 獨(dú)立主備控制設(shè)備的備份機(jī)制

獨(dú)立主備控制設(shè)備的3G SDI 輸出接口具有斷電直通設(shè)計(jì)。系統(tǒng)正常工作時(shí)，繼電器開關(guān)打開，主備設(shè)備正常運(yùn)行。當(dāng)獨(dú)立主備控制設(shè)備出現(xiàn)故障，繼電器開關(guān)閉合，形成主鏈路直通線路，確保主鏈路的輸入到輸出整體安全性。斷電直通設(shè)計(jì)的原理如圖5 所示。

圖5 獨(dú)立主備控制設(shè)備斷電直通設(shè)計(jì)原理圖

本視頻系統(tǒng)的備份方式包括雙機(jī)熱備份、信號備份、場景備份及雙電源備份。各種備份機(jī)制的特點(diǎn)如下。

第一，雙機(jī)熱備份。本系統(tǒng)采用兩臺(tái)廣播級多功能處理器進(jìn)行雙機(jī)熱備份，確保主備設(shè)備同時(shí)運(yùn)行。如果主設(shè)備出現(xiàn)故障，備份設(shè)備將自動(dòng)接管并繼續(xù)處理任務(wù)，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)備份切換，還可以通過手動(dòng)方式一鍵切換到備機(jī)，以便檢查主備路信號狀態(tài)以及快速應(yīng)對緊急情況。系統(tǒng)還采用Genlock 技術(shù)使主備設(shè)備保持同步狀態(tài)，確保了視頻信號的準(zhǔn)確性和一致性。

第二，信號備份與場景備份。為了確保視頻輸出顯示畫面的安全與穩(wěn)定，多功能視頻處理器具備輸入信號備份功能與場景備份功能，在主輸入或主場景因故障掉線時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至備份輸入信號或備份場景。顯示畫面在應(yīng)對會(huì)議進(jìn)行中的突發(fā)狀況時(shí)，依然能夠保證輸出畫面的穩(wěn)定，提升了系統(tǒng)的可靠性。

第三，雙電源備份。視頻系統(tǒng)中的主備控制設(shè)備和視頻處理器均配備了雙重電源備份，一旦其中一個(gè)電源出現(xiàn)斷電或其他故障情況，另一個(gè)電源將立即工作，繼續(xù)為會(huì)議現(xiàn)場的顯示系統(tǒng)提供穩(wěn)定運(yùn)行保障，確保會(huì)議顯示系統(tǒng)的正常進(jìn)行而不受電源故障的干擾。

第四，斷電直通。獨(dú)立主備控制設(shè)備采用了斷電直通設(shè)計(jì)，即使在電源中斷的情況下，也可以保證備份設(shè)備能夠正常工作并繼續(xù)完成信號的傳輸任務(wù)，而不會(huì)成為新的故障點(diǎn)。這樣的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了備份系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的備份系統(tǒng)失效，確保數(shù)據(jù)和信號的安全與完整性。

3 創(chuàng)新性及系統(tǒng)性能優(yōu)勢

本視頻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性及易維護(hù)性，系統(tǒng)中的核心設(shè)備用到了功能豐富的視頻處理器，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的同時(shí)，系統(tǒng)還具有以下性能及優(yōu)勢。

第一，系統(tǒng)簡易，操作便捷。傳統(tǒng)會(huì)議場景中，視頻系統(tǒng)需要用到視頻分配器、視頻矩陣、格式轉(zhuǎn)換器、字幕機(jī)以及多畫面分割器，本系統(tǒng)的多功能視頻處理器單機(jī)即可替代這些設(shè)備，提升了系統(tǒng)的便捷性、易用性和可維護(hù)性。

第二，可編程控制面板、專業(yè)控制軟件靈活控制?？删幊炭刂泼姘蹇蓪?shí)現(xiàn)矩陣同切、模式存儲(chǔ)與調(diào)用，通過可編程控制面板可完全控制視頻系統(tǒng)中的設(shè)備，也可用專業(yè)控制軟件完全控制視頻處理器，進(jìn)行不同場景定時(shí)切換、字幕設(shè)置等功能，有利于系統(tǒng)的集總控制。系統(tǒng)控制同時(shí)開放應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），可以進(jìn)行二次開發(fā)，集成到會(huì)議系統(tǒng)已有的中控平臺(tái)。

第三，輸入輸出接口形態(tài)可靈活配置。本視頻系統(tǒng)的設(shè)備使用可熱拔插的板卡式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)會(huì)場的視頻來源和終端顯示器的接口形態(tài)選配不同的輸入輸出板卡。系統(tǒng)可選配HDMI 1.3、HDMI 2.0、3G-SDI 等板卡類型，可滿足不同類型會(huì)議場景的視頻切換控制管理需求，也可作為新入設(shè)備加嵌到既存的會(huì)議系統(tǒng)中進(jìn)行升級，熱拔插的板卡式設(shè)計(jì)提升了應(yīng)用現(xiàn)場的可維護(hù)性。

第四，視頻圖像上下變換。本視頻系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部集成了視頻格式轉(zhuǎn)換、視頻分辨率上下變換、視頻幀率上下變換等功能，加上內(nèi)部的矩陣切換功能，架設(shè)系統(tǒng)時(shí)，可解決視頻源與終端顯示設(shè)備格式不兼容的問題。通過矩陣切換，可在同一終端顯示設(shè)備上輸出不同輸入格式的視頻源圖像。

第五，矩陣同切、無縫切換。本系統(tǒng)設(shè)備的矩陣切換功能不受視頻源格式限制，可以在HDMI 1.3、HDMI 2.0、3G-SDI 等輸入和輸出接口之間自由切換，切換效果為無縫切換，擺脫了傳統(tǒng)矩陣切換接口形態(tài)必須一致的限制，避免了矩陣切換中的黑屏、信號中斷等問題，極大地提升了現(xiàn)場應(yīng)用感官體驗(yàn)。矩陣切換同時(shí)集成了編組同切、通道備份自動(dòng)切換功能，提升了多視頻終端的會(huì)議系統(tǒng)操作性。

第六，多畫面處理。連接設(shè)備的多個(gè)輸入視頻源圖像可在同一個(gè)輸出接口上進(jìn)行畫中畫（Picture-In-Picture，PIP）、畫外畫（Picture-Out-Picture，POP）融合。PIP、POP 的畫面可以自由調(diào)整大小、位置以及進(jìn)行畫面裁剪，也可以將同一輸入圖像經(jīng)放大后通過多個(gè)接口組合輸出，即可滿足同一視頻終端同時(shí)獲取多個(gè)輸入圖像信息的需求，也可滿足會(huì)議系統(tǒng)超高分辨率的拼接輸出需求。

第七，多通道輸入輸出音視頻同步監(jiān)看。設(shè)備的監(jiān)看板卡可同時(shí)對16 路輸入/輸出通道的視頻進(jìn)行監(jiān)看，設(shè)備同時(shí)兼有Dante 音頻輸入功能。音頻輸入最多32 聲道，可與視頻監(jiān)看的通道進(jìn)行編組綁定，從而實(shí)現(xiàn)16 路輸入/輸出通道的音視頻同時(shí)監(jiān)看，極大滿足會(huì)議室后臺(tái)監(jiān)看的需求，同時(shí)可方便進(jìn)行系統(tǒng)故障排查。

4 結(jié)語

在確保視頻系統(tǒng)傳統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，豐富系統(tǒng)功能、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，形成質(zhì)量高、用途多、范圍廣的視頻系統(tǒng)綜合服務(wù)格局，是會(huì)議會(huì)場視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)下一步發(fā)展的一個(gè)突破口。本文設(shè)計(jì)的視頻系統(tǒng)具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，可維護(hù)性強(qiáng)，功能齊全，可以廣泛應(yīng)用于對會(huì)議質(zhì)量及穩(wěn)定性有極高要求的政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、軍隊(duì)等機(jī)構(gòu)的重大會(huì)議、指揮控制及展覽展示等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。