高清視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

韓緯杰, 施元超, 陳玲玲

1(中國航天科技集團(tuán)第八研究院 上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所,上海 201109)

2(中國航天科技集團(tuán)第八研究院 上海航天控制技術(shù)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(jí)科研生產(chǎn)單位業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)的情況. 在“十二五”初期,本部部署了一套視頻會(huì)議系統(tǒng),隨著企業(yè)內(nèi)部規(guī)模不斷擴(kuò)展,各業(yè)務(wù)部門對(duì)視頻會(huì)議的使用頻度不斷增加,對(duì)視頻會(huì)議的圖像傳輸質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)帶寬和聲音等提出更高要求,原會(huì)議模式已無法滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)擴(kuò)展與工作需求.

本文以提升視頻會(huì)議質(zhì)量為前提,采用多點(diǎn)控制單元(MCU)的級(jí)聯(lián)模式和高清視頻會(huì)議終端設(shè)備對(duì)原有會(huì)議室系統(tǒng)進(jìn)行改造,采用一鍵式的中控管理模式來區(qū)分本地會(huì)議和遠(yuǎn)程會(huì)議,對(duì)會(huì)場(chǎng)內(nèi)的視頻、音頻、窗簾、投影、視頻會(huì)議主圖像和雙流圖像顯示的輸入輸出進(jìn)行統(tǒng)一控制,從而達(dá)到操作便利和靈活性的目的.

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)布局

高清視頻會(huì)議系統(tǒng)(HD Video Conference System)是建立在集團(tuán)廣域網(wǎng)內(nèi)部的應(yīng)用[1],所以本部在建設(shè)系統(tǒng)時(shí)遵循的是“BMB17-2006”[2]和“BMB20-2007”[3]的安全保密防護(hù)標(biāo)準(zhǔn). 系統(tǒng)整體布局如圖1所示.

圖1 高清視頻會(huì)議系統(tǒng)布局

高清視頻會(huì)議時(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)如下：集團(tuán)公司總部、各試驗(yàn)基地、各專業(yè)公司及直屬單位會(huì)場(chǎng)的視頻終端直接呼入集團(tuán)公司的一級(jí)MCU進(jìn)行互通; 各院的二級(jí)MCU呼入集團(tuán)公司的一級(jí)MCU進(jìn)行互通; 各廠所的視頻終端呼入其所屬院的二級(jí)MCU進(jìn)行互通. 最終所有節(jié)點(diǎn)形成2 級(jí)MCU級(jí)聯(lián)的樹形結(jié)構(gòu)的邏輯互聯(lián)關(guān)系.

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

由于新的視頻會(huì)議主機(jī)要和部分的老舊設(shè)備進(jìn)行設(shè)備對(duì)接,考慮到整個(gè)視頻會(huì)議過程中音、視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性,所以需要對(duì)原有的視頻會(huì)議架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu),因此對(duì)視頻源、視頻矩陣和顯示部分進(jìn)行了調(diào)整,調(diào)整后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

圖2 高清視頻會(huì)議系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 實(shí)現(xiàn)方案

2.3.1 會(huì)議室布局

改造后的整體布局采用長(zhǎng)方桌的會(huì)議形式,在正前方中央安裝120寸電動(dòng)投影幕. 投影幕一側(cè)安裝高清液晶顯示器. 可保證在滿足視頻會(huì)議攝像對(duì)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(hào). 開視頻會(huì)議時(shí),分別用來顯示本地信號(hào)和遠(yuǎn)端會(huì)場(chǎng)信號(hào).舉行報(bào)告和演講時(shí),液晶顯示器用來顯示主講人特寫畫面,電動(dòng)投影幕用來顯示計(jì)算機(jī)文檔.

2.3.2 音、視頻部分

(1) 音頻擴(kuò)聲

為了防止外接的手機(jī)電磁信號(hào)對(duì)麥克風(fēng)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(yuǎn)端會(huì)場(chǎng)的聲音不會(huì)出現(xiàn)回聲的現(xiàn)象,除去原有的調(diào)音臺(tái),避免出現(xiàn)誤操作而導(dǎo)致的嘯叫問題.

(2) 高清雙流

在保持原有網(wǎng)絡(luò)帶寬占用條件不變的前提下,需要在原有網(wǎng)絡(luò)條件下同時(shí)傳送兩路視頻信號(hào),發(fā)送音視頻信號(hào)同時(shí)傳送一路筆記本信號(hào)到其他會(huì)場(chǎng),考慮到雙流圖像格式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和適配問題,本系統(tǒng)采用高清終端來實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shè)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(chǎng)環(huán)境的背景噪聲,對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通道回聲消除,背景降噪,增益控制操作,保持通對(duì)話聲調(diào)的連貫,維持聽感上的舒適性,在視頻會(huì)議時(shí)保證遠(yuǎn)端和近端的話音易于聽清楚.

3 會(huì)議系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 整體實(shí)現(xiàn)

3.1.1 會(huì)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(biāo)準(zhǔn)H.32X的一部分[4],是分組網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行多媒體通訊的標(biāo)準(zhǔn). 該協(xié)議能提供設(shè)備與設(shè)備、應(yīng)用與應(yīng)用、供應(yīng)商與供應(yīng)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(shè)備之間能夠相互兼容地進(jìn)行通信. 此外,H.323協(xié)議還能使分組網(wǎng)絡(luò)與其他類型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多媒體的聯(lián)通,所以本視頻網(wǎng)絡(luò)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(duì)較差,帶寬要求苛刻. 所以本次改造的系統(tǒng)通過擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)[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(huì)議系統(tǒng)”應(yīng)用. H.264碼流結(jié)構(gòu)含視頻編碼層：負(fù)責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示,網(wǎng)絡(luò)適配層提供視頻編碼與外部設(shè)備的接口,以網(wǎng)絡(luò)所要求的適當(dāng)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包盒傳送,更靈活的將編碼數(shù)據(jù)組合到網(wǎng)絡(luò)中[9-11].在同等網(wǎng)絡(luò)條件下,提高視頻圖像質(zhì)量,節(jié)省帶寬,從而提高了同時(shí)支持的客戶端數(shù)量.

3.1.2 多點(diǎn)視頻會(huì)議的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)會(huì)議召開的實(shí)際情況,系統(tǒng)采用的是基于H.323的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系,使用層級(jí)組網(wǎng)的方式進(jìn)行構(gòu)建,由二級(jí)單位(各院)通過集團(tuán)公司廣域網(wǎng)核心路由器進(jìn)行互聯(lián),本部作為某二級(jí)單位下屬的三級(jí)單位,通過二級(jí)單位的核心路由器進(jìn)行互聯(lián),將MCU和視頻終端設(shè)備接入本單位的網(wǎng)絡(luò),最終形成與二級(jí)單位級(jí)聯(lián)的邏輯互聯(lián)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)思路如圖3所示.

圖3 高清視頻會(huì)議系統(tǒng)邏輯互聯(lián)關(guān)系圖

3.2 視頻、音頻實(shí)現(xiàn)

3.2.1 視頻設(shè)計(jì)

(1) 顯示設(shè)計(jì)

會(huì)場(chǎng)主席臺(tái)位置配置了1 臺(tái)發(fā)言席電腦主機(jī)和會(huì)議桌插器,配合高清混合切換矩陣,實(shí)現(xiàn)向會(huì)場(chǎng)內(nèi)各顯示設(shè)備的信號(hào)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(duì)整個(gè)輸入輸出邏輯設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要說明：

① 主席臺(tái)電腦和4個(gè)桌插接入高清矩陣的5個(gè)輸入端;

② 視頻會(huì)議的會(huì)場(chǎng)畫面接入矩陣的第5路輸入端;

③ 視頻會(huì)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(huì)場(chǎng)的兩個(gè)高清攝像頭通過第3、第4路輸出端接到錄播服務(wù)器;

⑥ 兩個(gè)12口的分配器接入矩陣的第5、第6輸出端;

⑦ 會(huì)場(chǎng)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(hào);

⑧ 電視機(jī)接入矩陣第10路輸出端,通過580R接受器接受高清信號(hào).

以輸入端“視頻會(huì)場(chǎng)畫面”到輸出端“投影儀”為例,只需在矩陣面板輸入相應(yīng)的信號(hào)“IN 05-OUT09”,然后按“TAKE”按鈕即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換. 矩陣采用的是插拔式的架構(gòu),如果需要添加輸入或輸出信號(hào),只要擴(kuò)充相應(yīng)的板卡即可,這樣的控制方式可以減少信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)備數(shù)量,通過矩陣可以方便的對(duì)不同類型的輸入設(shè)備進(jìn)行隨意組合.

3.2.2 音頻設(shè)計(jì)

(1) 話筒布局

會(huì)場(chǎng)使用手拉手話筒的布局模式,可以設(shè)置同時(shí)發(fā)言的席數(shù),發(fā)言模式,系統(tǒng)具備自由發(fā)言、申請(qǐng)發(fā)言、輪候發(fā)言多種發(fā)言模式.

(2) 會(huì)場(chǎng)擴(kuò)聲

由于會(huì)議系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及多對(duì)多的模式,考慮到聲音傳輸?shù)姆€(wěn)定性,在原有的6臺(tái)吸頂音響的基礎(chǔ)上增加了4臺(tái)壁掛音響和3臺(tái)功率放大器,實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示.

① 第1臺(tái)功率放大器控制兩個(gè)北壁掛音響,接入數(shù)字音頻處理器的第1路輸出信號(hào);

② 第2臺(tái)功率放大器控制兩個(gè)南壁掛音響和兩個(gè)南吸頂音響,接入數(shù)字音頻處理器第2路輸出信號(hào);

③ 第3臺(tái)功率放大器控制兩個(gè)中邊的吸頂音響和兩個(gè)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(hào);

④ 會(huì)場(chǎng)話筒接入數(shù)字音頻處理器第1路輸入信號(hào);

⑤ 視頻會(huì)議主機(jī)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(hào);

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(jī)的左、右聲道接入數(shù)字音頻處理器的第4、5路輸入信號(hào);

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(hào).

音頻傳輸采用的是Siren音頻算法,這種算法對(duì)帶寬和碼率要求相對(duì)較低,配合數(shù)字音頻處理器,進(jìn)一步避免了調(diào)音臺(tái)誤操作帶來的聲音失真的問題.

3.3 中控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.3.1 中控系統(tǒng)架構(gòu)

會(huì)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(shí)序電源管理、會(huì)議模式管理和會(huì)議界面管理,整體布局如圖6所示.

(1) 輸入輸出控制主要負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)矩陣的輸入輸出端,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換;

(2) 時(shí)序電源管理主要負(fù)責(zé)控制所有會(huì)議室設(shè)備的啟動(dòng)邏輯;

(3) 會(huì)議模式管理主要負(fù)責(zé)對(duì)本地會(huì)議和視頻會(huì)議兩種不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景分別進(jìn)行控制;

(4) 會(huì)議界面管理主要實(shí)現(xiàn)了中控系統(tǒng)的界面布局設(shè)計(jì).

圖6 會(huì)議室中控架構(gòu)

3.3.2 會(huì)議控制的實(shí)現(xiàn)

中控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)設(shè)備統(tǒng)一控制,可以控制電動(dòng)窗簾、音視頻設(shè)備的開、關(guān),各種視頻信號(hào)的切換及控制會(huì)場(chǎng)音量的大小、靜音等. 整個(gè)實(shí)現(xiàn)邏輯首先由觸摸屏這里發(fā)送一個(gè)信號(hào)到中控板卡,中控板卡接收指令后,執(zhí)行對(duì)應(yīng)代碼將結(jié)果輸出.

(1) 時(shí)序電源控制實(shí)現(xiàn)

為了防止設(shè)備開啟順序不正確造成的系統(tǒng)啟動(dòng)問題,在定義系統(tǒng)啟動(dòng)的業(yè)務(wù)邏輯時(shí)首先將視頻會(huì)議主機(jī)開啟,然后依次啟動(dòng)投影儀,攝像頭和音頻功率放大器等設(shè)備. 實(shí)現(xiàn)過程如圖7所示.

圖7 時(shí)序控制的實(shí)現(xiàn)

(2) 輸入輸出信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)

將高清矩陣和輸入設(shè)備接入中控主機(jī)的硬件端口,打開中控主程序界面視圖,核對(duì)各個(gè)設(shè)備的端口號(hào)信息. 實(shí)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(huì)場(chǎng)畫面”到輸出端“投影儀”為例,首先業(yè)務(wù)邏輯代碼matrix_in5_out_10寫入,讀取每個(gè)輸入輸出設(shè)備對(duì)應(yīng)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(wù)邏輯代碼關(guān)聯(lián),整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程如圖9所示.

圖9 輸入輸出實(shí)現(xiàn)

4 測(cè)試與驗(yàn)證

4.1 一鍵式功能操作測(cè)試

(1) 系統(tǒng)啟動(dòng)

點(diǎn)擊系統(tǒng)開啟按鍵之后,進(jìn)入系統(tǒng)開啟等待界面,此過程機(jī)柜中時(shí)序電源會(huì)依次給系統(tǒng)設(shè)備供電.

(2) 會(huì)議的模式選擇

進(jìn)入系統(tǒng)后出現(xiàn)選擇會(huì)議模式界面,根據(jù)使用情況點(diǎn)擊相應(yīng)的會(huì)議模式按鈕. 如圖10所示.

圖10 會(huì)議模式選擇

(3) 本地會(huì)議模式

進(jìn)入本地會(huì)議模式后,點(diǎn)擊投影控制后出現(xiàn)投影機(jī)控制界面,點(diǎn)擊投影開鍵則幕布自動(dòng)降下來,點(diǎn)擊投影關(guān)鍵則幕布自動(dòng)升起,本地電腦信號(hào)默認(rèn)切換到投影機(jī)和液晶屏; 如點(diǎn)擊下方畫面右側(cè)信號(hào)源按鍵則投影機(jī)、升降屏都切換到該信號(hào)源. 如圖11所示.

圖11 本地會(huì)議模式

(4) 視頻會(huì)議模式

進(jìn)入視頻會(huì)議模式后,點(diǎn)擊視頻會(huì)議房間選擇按鍵后出現(xiàn)視頻會(huì)議撥號(hào)選擇界面,功能如下：視頻會(huì)議房間選擇撥號(hào),點(diǎn)擊會(huì)議室號(hào)碼則將和此會(huì)議室視頻會(huì)議; 點(diǎn)擊報(bào)告廳號(hào)碼則將和此報(bào)告廳視頻會(huì)議. 選擇右側(cè)信號(hào)源按鍵,再點(diǎn)擊“分享電腦畫面”將本地選擇的信號(hào)源切換到遠(yuǎn)端雙流. 如圖12所示.

圖12 視頻會(huì)議模式

(5) 系統(tǒng)關(guān)閉

點(diǎn)擊系統(tǒng)關(guān)閉按鍵,自動(dòng)完成投影機(jī)關(guān)機(jī)、液晶屏降下、窗簾自動(dòng)升起、系統(tǒng)電源逐個(gè)斷電,系統(tǒng)界面立刻進(jìn)入關(guān)閉系統(tǒng)等待界面,大約幾分鐘后回到首頁.

4.2 應(yīng)用實(shí)例

圖13 多點(diǎn)視頻會(huì)議

以本部會(huì)議室為主會(huì)場(chǎng),依次與基地和二級(jí)單位的會(huì)議室進(jìn)行三方視頻聯(lián)調(diào). 界面效果如圖13所示.與兩方同時(shí)進(jìn)行大約50分鐘左右的會(huì)議,在不改變?cè)袔挼那疤釛l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(huì)者通話狀態(tài)

5 結(jié)論

本文以單位實(shí)際的業(yè)務(wù)需求出發(fā),以先進(jìn)性、便利性和靈活性為原則,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高清視頻會(huì)議系統(tǒng),使用了簡(jiǎn)易的一鍵式操作方法對(duì)會(huì)場(chǎng)內(nèi)的主要設(shè)備和輸入輸出等進(jìn)行統(tǒng)一控制,最終通過實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景的應(yīng)用表明,該系統(tǒng)可以滿足不同會(huì)議模式的使用需求.

1 豆丁網(wǎng). 視頻會(huì)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(jí)保護(hù)技術(shù)要求. 保密科學(xué)技術(shù),2011.

3 BMB20-2007 涉及國家秘密的信息系統(tǒng)分級(jí)保護(hù)管理規(guī)范. 保密科學(xué)技術(shù),2011.

4 OpenH323Project. http：//www.openh323.rog.

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