高穩定性會議場景的多功能視頻系統設計與實現

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

0 引言

當前，視頻會議作為一種高效便捷的工作方式，被廣泛應用于各領域。視頻系統作為視頻會議系統的核心組成，其穩定性和可靠性是系統設計需要考慮的重要因素，在視頻系統實際應用中必須對會議產生的各種視頻信號進行高效穩定傳輸[1]。除此之外，系統簡易、功能豐富、體驗感強也是視頻系統設計的目標[2-3]。本文針對高穩定性、多功能、高品質的會議場景需求，設計了主備視頻切換控制系統，具有穩定性高、操作便捷、功能豐富、體驗感強等特點。

1 視頻系統的構成及方案設計

為保證會議室場景下視頻系統的穩定運行，視頻系統設計采用主備控制方案。常規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]，這種傳統的備份方案可能在圖像質量和兼容性方面存在一些問題，并且如果系統中的設備本身出現故障，將引起整個備份系統崩潰，導致原本作為備份系統的設備反而成為新的故障源。為了解決這些問題，本視頻系統采用了全新的熱備份思路，方案原理如圖1 所示。

圖1 視頻系統的熱備份原理圖

獨立主備控制設備的中央處理器負責實時監測主備系統鏈路。當主系統出現故障，獨立主備控制設備會立即檢測到主系統信號異常，并迅速啟動切換流程，將整個鏈路自動切換到備用系統，從而確保整個鏈路的安全和穩定運行。

本視頻系統的核心設備包括2 臺廣播級多功能視頻處理器、1 臺主備控制設備、1 臺可編程控制面板、交換機、視頻輸入設備以及視頻顯示終端設備。系統通過局域網將多臺處理設備連接起來，實現對會議中視頻系統的控制管理和交互操作。主備視頻切換控制系統的架構如圖2 所示。

圖2 主備視頻切換控制系統架構圖

視頻會議終端、會場攝像機及硬盤錄像機等視頻輸入信號接入至獨立主備控制設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，實現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備。中央處理器實時監測這兩個信號的狀態，當主信號出現故障，第一時間將整個鏈路切換至備路信號上，實現這兩個信號的備份切換。此外，主備控制設備的3G 串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）輸出接口具有斷電直通設計，確保主鏈路輸入到輸出的整體安全性。

本系統用到的多功能視頻處理器單機即可替代目前傳統會議室場景視頻系統中的字幕機、視頻矩陣、多畫面分割器及格式轉換器等多個設備，可實施性、易用性、可維護性都大幅提升。矩陣切換、同步切換、字幕調用、場景存儲及場景調用等功能集中管理、統一操作，均可通過可編程控制面板實現。可編程控制面板支持同時對多臺設備發送指令，實現設備的集中控制。主備設備僅需設置一次，且所有面板按鍵可根據被控制設備的實際應用功能做自定義編程，極大地提升了系統的操作便捷性。

在視頻信號處理算法方面，系統采用了12 位圖像位深、4 ∶4 ∶4 采樣率的畫質處理技術，視頻傳輸質量達到廣電級應用標準，可以滿足黨政機關、政府企業等高畫質、高穩定的會議場景需求。

2 系統備份機制

視頻系統的獨立主備控制設備由中央處理器、輸入模塊和輸出模塊構成。中央處理器控制系統負責輸入輸出信號的狀態監控，并且負責連接控制按鍵以及液晶面板顯示，獨立主備控制設備的架構設計如圖3 所示。

圖3 獨立主備控制設備設計架構

系統最大可支持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。 獨立主備控制設備的輸入卡采集到輸入視頻信號后完成復制功能，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立主備控制設備的輸出卡。正常情況下系統主視頻鏈路工作，當中央處理器監測到主視頻鏈路無視頻分辨率則自動切換到備路。獨立主備控制設備的備份機制如圖4 所示。

圖4 獨立主備控制設備的備份機制

獨立主備控制設備的3G SDI 輸出接口具有斷電直通設計。系統正常工作時，繼電器開關打開，主備設備正常運行。當獨立主備控制設備出現故障，繼電器開關閉合，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。斷電直通設計的原理如圖5 所示。

圖5 獨立主備控制設備斷電直通設計原理圖

本視頻系統的備份方式包括雙機熱備份、信號備份、場景備份及雙電源備份。各種備份機制的特點如下。

第一，雙機熱備份。本系統采用兩臺廣播級多功能處理器進行雙機熱備份，確保主備設備同時運行。如果主設備出現故障，備份設備將自動接管并繼續處理任務，從而保證系統的穩定性和可靠性。系統不僅可以實現自動備份切換，還可以通過手動方式一鍵切換到備機，以便檢查主備路信號狀態以及快速應對緊急情況。系統還采用Genlock 技術使主備設備保持同步狀態，確保了視頻信號的準確性和一致性。

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，系統自動切換至備份輸入信號或備份場景。顯示畫面在應對會議進行中的突發狀況時，依然能夠保證輸出畫面的穩定，提升了系統的可靠性。

第三，雙電源備份。視頻系統中的主備控制設備和視頻處理器均配備了雙重電源備份，一旦其中一個電源出現斷電或其他故障情況，另一個電源將立即工作，繼續為會議現場的顯示系統提供穩定運行保障，確保會議顯示系統的正常進行而不受電源故障的干擾。

第四，斷電直通。獨立主備控制設備采用了斷電直通設計，即使在電源中斷的情況下，也可以保證備份設備能夠正常工作并繼續完成信號的傳輸任務，而不會成為新的故障點。這樣的設計進一步提高了備份系統的可靠性和穩定性，避免因設備故障導致的備份系統失效，確保數據和信號的安全與完整性。

3 創新性及系統性能優勢

本視頻系統在設計時考慮到系統的擴展性及易維護性，系統中的核心設備用到了功能豐富的視頻處理器，在保證系統穩定工作的同時，系統還具有以下性能及優勢。

第一，系統簡易，操作便捷。傳統會議場景中，視頻系統需要用到視頻分配器、視頻矩陣、格式轉換器、字幕機以及多畫面分割器，本系統的多功能視頻處理器單機即可替代這些設備，提升了系統的便捷性、易用性和可維護性。

第二，可編程控制面板、專業控制軟件靈活控制。可編程控制面板可實現矩陣同切、模式存儲與調用，通過可編程控制面板可完全控制視頻系統中的設備，也可用專業控制軟件完全控制視頻處理器，進行不同場景定時切換、字幕設置等功能，有利于系統的集總控制。系統控制同時開放應用程序編程接口（Application Programming Interface，API），可以進行二次開發，集成到會議系統已有的中控平臺。

第三，輸入輸出接口形態可靈活配置。本視頻系統的設備使用可熱拔插的板卡式結構設計，可根據會場的視頻來源和終端顯示器的接口形態選配不同的輸入輸出板卡。系統可選配HDMI 1.3、HDMI 2.0、3G-SDI 等板卡類型，可滿足不同類型會議場景的視頻切換控制管理需求，也可作為新入設備加嵌到既存的會議系統中進行升級，熱拔插的板卡式設計提升了應用現場的可維護性。

第四，視頻圖像上下變換。本視頻系統設備內部集成了視頻格式轉換、視頻分辨率上下變換、視頻幀率上下變換等功能，加上內部的矩陣切換功能，架設系統時，可解決視頻源與終端顯示設備格式不兼容的問題。通過矩陣切換，可在同一終端顯示設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。本系統設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，擺脫了傳統矩陣切換接口形態必須一致的限制，避免了矩陣切換中的黑屏、信號中斷等問題，極大地提升了現場應用感官體驗。矩陣切換同時集成了編組同切、通道備份自動切換功能，提升了多視頻終端的會議系統操作性。

第六，多畫面處理。連接設備的多個輸入視頻源圖像可在同一個輸出接口上進行畫中畫（Picture-In-Picture，PIP）、畫外畫（Picture-Out-Picture，POP）融合。PIP、POP 的畫面可以自由調整大小、位置以及進行畫面裁剪，也可以將同一輸入圖像經放大后通過多個接口組合輸出，即可滿足同一視頻終端同時獲取多個輸入圖像信息的需求，也可滿足會議系統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看。設備的監看板卡可同時對16 路輸入/輸出通道的視頻進行監看，設備同時兼有Dante 音頻輸入功能。音頻輸入最多32 聲道，可與視頻監看的通道進行編組綁定，從而實現16 路輸入/輸出通道的音視頻同時監看，極大滿足會議室后臺監看的需求，同時可方便進行系統故障排查。

4 結語

在確保視頻系統傳統功能實現的基礎上，豐富系統功能、提升系統穩定性，形成質量高、用途多、范圍廣的視頻系統綜合服務格局，是會議會場視頻系統設計下一步發展的一個突破口。本文設計的視頻系統具有較高的可靠性與穩定性，可維護性強，功能齊全，可以廣泛應用于對會議質量及穩定性有極高要求的政府機關、企事業單位、軍隊等機構的重大會議、指揮控制及展覽展示等領域，具有廣闊的應用前景。