李志剛

摘 要:智能集中控制系統(tǒng)、交互式數(shù)字白板、視頻會(huì)議系統(tǒng)、“數(shù)字法庭”系統(tǒng)、數(shù)字電影系統(tǒng)、數(shù)字告示系統(tǒng)、多媒體實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng),等等,都是信息化音視頻系統(tǒng)的具體應(yīng)用模式。本文是基于北京大學(xué)某教學(xué)樓的信息化音視頻系統(tǒng)工程的建設(shè)實(shí)例,通過(guò)細(xì)致繪制出的“系統(tǒng)設(shè)備連接拓?fù)鋱D”,并運(yùn)用音視頻系統(tǒng)的“十模塊”分析設(shè)計(jì)法進(jìn)行該工程案例的具體技術(shù)分析。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合流媒體技術(shù)將該套系統(tǒng)與北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂進(jìn)行整合,達(dá)到一加一大于二的增值效果和創(chuàng)新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:北京大學(xué) 信息化音視頻系統(tǒng) 網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng) “十模塊”分析設(shè)計(jì)法 流媒體技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào):TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1673-8454(2009)13-0047-04

一、引言

二十一世紀(jì)是信息化時(shí)代,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,人們的交流信息的形式和途徑變得豐富多彩,并且不再滿足于簡(jiǎn)單傳統(tǒng)的文字、圖畫(huà)、聲音的交流,因此高質(zhì)量視頻的交流和信息傳播越來(lái)越受到重視與青睞。人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一種時(shí)尚,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻的豐富程度和利用網(wǎng)絡(luò)視頻進(jìn)行交流的實(shí)時(shí)性和清晰度也越來(lái)越受到人們的重視。這些都使人們對(duì)信息化音視頻系統(tǒng)、技術(shù)與設(shè)備具有很大的期望。

信息化音視頻系統(tǒng)是把計(jì)算機(jī)技術(shù)、音視頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)合為一體,把多媒體系統(tǒng),流媒體系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系,將高質(zhì)量音視頻信息進(jìn)行展現(xiàn)和發(fā)布。目前,針對(duì)信息化音視頻系統(tǒng)的研究主要涉及視頻信號(hào)源與記錄重放技術(shù)與設(shè)備、視頻顯示設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和接口、信號(hào)分配、切換、轉(zhuǎn)換和處理技術(shù)與設(shè)備、視頻信號(hào)的傳輸技術(shù)和信號(hào)的控制技術(shù)等等。[1]

本文是基于北京大學(xué)某教學(xué)樓的信息化音視頻系統(tǒng)工程的建設(shè)實(shí)例,它兼具智能集中控制系統(tǒng)、多媒體實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng)和視頻會(huì)議系統(tǒng)的典型特點(diǎn)。通過(guò)細(xì)致繪制出的“系統(tǒng)設(shè)備連接拓?fù)鋱D”,并運(yùn)用音視頻系統(tǒng)的“十模塊分析設(shè)計(jì)法”進(jìn)行該工程案例的具體技術(shù)分析。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合流媒體技術(shù)將該套系統(tǒng)與北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂進(jìn)行整合,達(dá)到一加一大于二的增值效果和創(chuàng)新應(yīng)用。可以說(shuō)通過(guò)流媒體技術(shù)與視頻采集壓縮技術(shù)整合后聯(lián)動(dòng)應(yīng)用的兩套系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)從低質(zhì)量的攝像頭圖像到高質(zhì)量實(shí)時(shí)的攝像機(jī)圖像傳輸?shù)妮^大轉(zhuǎn)變,是一項(xiàng)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值拓展研究。

二、“十模塊”分析設(shè)計(jì)法

信息化音視頻系統(tǒng)由多種多樣的信息化音視頻設(shè)備有機(jī)地組合而成,主要包括前端設(shè)備、外圍設(shè)備、傳輸設(shè)備和終端設(shè)備。比如,攝像機(jī)和視頻展臺(tái)就是典型的前端設(shè)備,矩陣切換器和信號(hào)處理器就是典型的外圍設(shè)備,同軸電纜、雙絞線和光纖就是典型的傳輸設(shè)備,投影機(jī)和磁帶錄像機(jī)就是典型的終端設(shè)備。

而這里筆者要談的信息化音視頻系統(tǒng)的“十模塊”主要包括視頻攝像與控制模塊、視頻切換復(fù)合模塊、計(jì)算機(jī)視頻轉(zhuǎn)換處理模塊、音頻發(fā)射接收模塊、音頻切換復(fù)合模塊、音頻降噪模塊、音視頻監(jiān)視預(yù)覽模塊、音視頻復(fù)合錄制模塊、流媒體壓縮發(fā)布模塊、音視頻同步模塊。這十個(gè)模塊主要由上面的前端設(shè)備、外圍設(shè)備、傳輸設(shè)備和終端設(shè)備靈活有機(jī)地組合。

“十模塊”分析設(shè)計(jì)法就是根據(jù)音視頻設(shè)備的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單原理、系統(tǒng)集成和工程設(shè)計(jì)等方面的綜合知識(shí),按照架設(shè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要目的,全部或者部分選擇“十模塊”進(jìn)行集成,最終達(dá)到系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的重要功能。其中,“十模塊”分析設(shè)計(jì)法的核心是系統(tǒng)信號(hào)和設(shè)備拓?fù)鋱D,以及關(guān)鍵的外圍設(shè)備的選擇與功能分析。

三、使用“十模塊”分析設(shè)計(jì)法進(jìn)行北京大學(xué)某教學(xué)樓系統(tǒng)的實(shí)例分析

該系統(tǒng)的主要功能相當(dāng)于一套實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)北京大學(xué)部分精品課程視頻的錄制與視頻課件的轉(zhuǎn)換功能。使用“十模塊”分析設(shè)計(jì)法分析該系統(tǒng)的信號(hào)和設(shè)備拓?fù)鋱D如圖1所示,具體來(lái)說(shuō):

圖中的3臺(tái)視頻攝像機(jī)和1臺(tái)攝像機(jī)控制器屬于視頻攝像與控制模塊;圖中的1臺(tái)視頻切換與數(shù)字特技臺(tái)屬于視頻切換復(fù)合模塊;圖中的1臺(tái)視頻掃描轉(zhuǎn)換器則主要完成計(jì)算機(jī)視頻轉(zhuǎn)換處理模塊的功能,該設(shè)備屬于重要的外圍設(shè)備,主要實(shí)現(xiàn)將計(jì)算機(jī)的VGA格式視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字的SDI格式視頻信號(hào);圖中的2臺(tái)無(wú)線麥克和1臺(tái)無(wú)線傳聲調(diào)諧器屬于音頻發(fā)射接收模塊;圖中的1臺(tái)調(diào)音臺(tái)則主要完成音頻切換復(fù)合模塊的功能;圖中的1臺(tái)反饋抑制器屬于音頻降噪模塊;圖中的1臺(tái)或多臺(tái)畫(huà)面監(jiān)視器屬于音視頻監(jiān)視預(yù)覽模塊;圖中的1臺(tái)錄像機(jī)和1臺(tái)精品課程錄播機(jī)組成音視頻復(fù)合錄制模塊;圖中的1臺(tái)課件錄播服務(wù)器則完成流媒體壓縮發(fā)布模塊的任務(wù),這臺(tái)服務(wù)器中安裝有一塊流媒體視頻采集壓縮卡,主要完成視頻的壓縮轉(zhuǎn)換功能;音視頻同步模塊的功能則由上面講到的視頻切換與數(shù)字特技臺(tái)和調(diào)音臺(tái)的內(nèi)同步設(shè)置來(lái)完成。

下面從實(shí)際工程使用的重點(diǎn)設(shè)備的角度來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的具體分析,該系統(tǒng)的視頻攝像與控制模塊,主要采用松下公司的AW-E650MC、AW-PB504MC、AW-PH360MC、AW-LZ16MD73MC攝像機(jī),如圖2所示,以及AW-RP555MC云臺(tái)控制器,采用AW-PS300AMC,AWPS505AMC電源適配器分別為他們供電,這種攝像機(jī)有如下主要優(yōu)點(diǎn):

1/2 英寸 3CCD優(yōu)質(zhì)圖像;水平分辨率850線;信噪比63dB(DNR ON)PAL;高靈敏度2000lux,F14。另外,在該模塊中這三臺(tái)攝像機(jī)都提供高清數(shù)字輸出SDI接口,并配合云臺(tái)使用為視頻的采集提高了靈活度和視頻的質(zhì)量。

該系統(tǒng)的視頻切換復(fù)合模塊,則主要采用松下AV-HS300多格式現(xiàn)場(chǎng)切換臺(tái),它的功能十分豐富。這里不加累述,但要說(shuō)明的是AV-HS300提供的豐富接口(如圖3所示)滿足了我們這套系統(tǒng)所需要的高清視頻的輸入輸出。

需要重點(diǎn)說(shuō)明的是該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視頻轉(zhuǎn)換處理模塊,該模塊主要選擇了Scan Do?誖Pro II 視頻掃描轉(zhuǎn)換器,如圖4所示。此設(shè)備是比較先進(jìn)的,提供的超級(jí)處理功能與專(zhuān)業(yè)的廣播電視相關(guān)的特性和接口,主要實(shí)現(xiàn)將計(jì)算機(jī)顯示器的VGA信號(hào)視頻輸出轉(zhuǎn)換為NTSC/PAL的SDI串行數(shù)字視頻。

這種SDI格式的視頻信號(hào)輸出,正是我們這套系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就追求使用的主要的數(shù)字音視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。目前,從標(biāo)清視頻向高清視頻升級(jí)轉(zhuǎn)換正是信息化音視頻系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。我們這套系統(tǒng)也正契合了當(dāng)前的主流趨勢(shì),具有很好的前瞻性和應(yīng)用價(jià)值。

另外,該套系統(tǒng)的流媒體壓縮發(fā)布模塊,所用的關(guān)鍵設(shè)備是課件錄播服務(wù)器,該服務(wù)器上連接有Osprey 500 DVPRO 視頻采集卡如圖5所示。該卡是一種能傳輸未壓縮的數(shù)字或模擬的視音頻信號(hào)到微軟的Windows Media應(yīng)用程序的單插卡,它的硬件數(shù)字影像預(yù)處理功能可以顯著地提高傳送程序所傳送的影像質(zhì)量。我們?cè)?jīng)使用的是Osprey 210視頻采集卡。

兩者的區(qū)別主要在于后者主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的壓縮輸出,而前者則是高清晰度信號(hào)的輸出。輸出的視頻主要儲(chǔ)存于課件錄制服務(wù)器中。該服務(wù)器上安裝流媒體編碼軟件和視頻課件錄制軟件,可以滿足流媒體發(fā)布的需求和高質(zhì)量視頻課件的實(shí)時(shí)制作。流媒體發(fā)布是利用錄播系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)音視頻信息實(shí)時(shí)點(diǎn)播和直播的重要功能,也是目前“錄播”系統(tǒng)兼具“錄”和“播”雙重功能與傳統(tǒng)的“錄制”系統(tǒng)單純“錄”的重要區(qū)別。

此外,該系統(tǒng)還采用了很多重要的設(shè)備,包括Sony LMD-1420、LMD-5320多畫(huà)面監(jiān)視系統(tǒng),DSR-45A編輯錄像機(jī),調(diào)音臺(tái)YAMAHA-MG-124CX,Sony MB-8N調(diào)諧器基礎(chǔ)單元,SONY AN-820A UHF天線,SONY的數(shù)字反饋抑制器SRB-FR300等。之所以選用上述設(shè)備,一方面是滿足“十模塊”中其他模塊的功能實(shí)現(xiàn),更根本的是上述設(shè)備都符合設(shè)計(jì)系統(tǒng)前定下的要使系統(tǒng)的傳輸信號(hào)滿足“高清”標(biāo)準(zhǔn)的原則。

最后再說(shuō)明一點(diǎn)的是,由于系統(tǒng)中所采用的DVI數(shù)字視頻信號(hào)在傳輸距離上有限制,因?yàn)镈VI信號(hào)的傳輸距離通常為5~7m,所以系統(tǒng)在前端設(shè)備——多媒體計(jì)算機(jī)DELL-745上加入了CM1-201SA-TR光纖傳輸器,主要用于解決DVI圖像長(zhǎng)距離或超長(zhǎng)距離高速傳輸設(shè)備,并解決了數(shù)據(jù)安全、抗磁干擾等問(wèn)題。

四、網(wǎng)上視頻課堂與通過(guò)“十模塊”分析設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)的音視頻系統(tǒng)的成功對(duì)接

借助流媒體技術(shù),我們只在該系統(tǒng)的課件錄制服務(wù)器上連接相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,并配置一套流媒體服務(wù)器系統(tǒng),就可以將音視頻信息在Internet上實(shí)時(shí)發(fā)布出去,真正實(shí)現(xiàn)音視頻信息的實(shí)時(shí)傳播。

同樣,依托流媒體技術(shù)和Flash Media Server技術(shù)架構(gòu)的北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng),通過(guò)上面音視頻信息的導(dǎo)入,可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)從低質(zhì)量的攝像頭圖像到高質(zhì)量實(shí)時(shí)的攝像機(jī)圖像傳輸?shù)妮^大轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)的融合使用,達(dá)到一加一大于二的增值效果和創(chuàng)新應(yīng)用。

網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)(Connect Server)的主要功能之一是提供多個(gè)用戶(hù)參與的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議。該視頻會(huì)議包含各種顯示面板(窗格)和組件,具有多個(gè)預(yù)置的會(huì)議室布局,也可以自定義布局以滿足需要。會(huì)議室使得多個(gè)用戶(hù)或與會(huì)者能夠共享計(jì)算機(jī)屏幕或文件,聊天,廣播實(shí)時(shí)音頻和視頻,以及參加其他互動(dòng)在線活動(dòng),如學(xué)生發(fā)言,教師提問(wèn),學(xué)生回答提問(wèn),相互交流討論等。

下面,以北京大學(xué)校本部與北京大學(xué)深圳研究生院的在線遠(yuǎn)程教學(xué)為例來(lái)說(shuō)明上面兩套系統(tǒng)是如何融合在一起的。假設(shè),北京大學(xué)的教授在校本部的一間多媒體教室講課,深圳研究生院的一間多媒體教室內(nèi)有所有聽(tīng)課的學(xué)生,學(xué)生準(zhǔn)備好通過(guò)網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng),來(lái)實(shí)時(shí)聽(tīng)這位教授的講課,同時(shí)可以與教授進(jìn)行課堂交互。教授和學(xué)生同時(shí)進(jìn)入到網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)中,而我們上面重點(diǎn)分析的實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng)則提供了豐富的音視頻信息來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)教室的視頻同步輸出。與在真實(shí)教室上課不同的是,上課的老師和學(xué)生在同一時(shí)間內(nèi)是在相距甚遠(yuǎn)的異地,老師和學(xué)生的交流是通過(guò)多媒體計(jì)算機(jī)的幫助完成的,并且上課的場(chǎng)景可以實(shí)時(shí)錄制、存儲(chǔ),為以后的教學(xué)研究提供了極大的方便。

圖6是兩套系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的模擬示意圖。

圖7是使用網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)和實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng),進(jìn)行北京與深圳異地課程研討測(cè)試時(shí)真實(shí)記錄的效果圖。左上角視頻是深圳教室的現(xiàn)場(chǎng)情況(攝像頭視頻),左下角視頻是北京教室的現(xiàn)場(chǎng)情況(實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng)的攝像機(jī)視頻,應(yīng)用“十模塊”分析設(shè)計(jì)法),右上角視頻是北京某辦公室現(xiàn)場(chǎng)情況(USB攝像頭視頻)。

除了上面兩套系統(tǒng)融合的拓展研究,隨著手機(jī)3G時(shí)代的來(lái)臨,可以考慮添加無(wú)線發(fā)布系統(tǒng)的拓展研究,讓流媒體的音視頻信息不再局限于有線發(fā)布,還可以利用藍(lán)牙、紅外和其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)、PDA和移動(dòng)電視等主流移動(dòng)媒體上,供教育和培訓(xùn)使用。這樣,一套基于硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng)與基于流媒體技術(shù)的軟件系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用,他們的價(jià)值能夠得到更好體現(xiàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

北京大學(xué)教學(xué)網(wǎng)中的重要功能就是北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂,在視頻課堂中通常使用USB攝像頭的視頻導(dǎo)入來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的視頻交流。但是對(duì)于大型“公開(kāi)課”的應(yīng)用模式,低質(zhì)量廣角小的USB攝像頭顯然無(wú)法滿足需要。而通過(guò)“十模塊”分析設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)的音視頻系統(tǒng)可以與網(wǎng)上視頻課堂成功對(duì)接,將教師現(xiàn)場(chǎng)的視頻實(shí)時(shí)高質(zhì)量地導(dǎo)入并傳輸,效果比較理想且能夠滿足多畫(huà)面切換的要求。

“十模塊”分析設(shè)計(jì)法是筆者經(jīng)過(guò)三年工作實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的方法,認(rèn)為它是對(duì)信息化音視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一次模塊化“創(chuàng)新”,對(duì)于入門(mén)和從事設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作時(shí)間不長(zhǎng)的工程師將起到很好的幫助作用。該方法主要通過(guò)將系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的共性問(wèn)題進(jìn)行模塊化分類(lèi)總結(jié),分塊設(shè)計(jì)后再集成,這樣會(huì)使得設(shè)計(jì)思路異常清晰,這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng),其擴(kuò)展性和改造性很強(qiáng)。筆者認(rèn)為該方法類(lèi)似于程序編程中的“面向?qū)ο蟆本幊谭ㄖ小邦?lèi)”的作用和意義。今后,筆者將通過(guò)更多的實(shí)例分析詳細(xì)撰文,繼續(xù)探討。

總之,目前通過(guò)將北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂與通過(guò)“十模塊法”分析設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)的音視頻系統(tǒng)的成功對(duì)接,使得兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮了更大的價(jià)值,通過(guò)項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)將為后續(xù)工作提供很好的幫助,并具有一定的推廣價(jià)值。

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