張常亮，馬渝勇，劉一謙，譚紅賓

(四川省氣象信息中心，四川 成都 610072)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與視音頻技術(shù)的不斷發(fā)展，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議系統(tǒng)［1］的構(gòu)建中，相對(duì)于標(biāo)清視頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)在視頻和音頻效果上有著質(zhì)的變化，加之高清視音頻系統(tǒng)設(shè)備采購(gòu)價(jià)格的逐步降低，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)在各行業(yè)用戶中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

由于氣象業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求日益凸顯，需要大量的圖文數(shù)據(jù)進(jìn)行交互協(xié)同，才能準(zhǔn)確地制作各類天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品，視頻會(huì)商系統(tǒng)［2］在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用不斷增多，要求也逐步提高。但同時(shí)現(xiàn)有全省標(biāo)清氣象視頻會(huì)商系統(tǒng)還存在明顯不足，視頻圖像和計(jì)算機(jī)圖像質(zhì)量不高，省到市(州)局的會(huì)商系統(tǒng)功能不完善，市(州)到省無(wú)法發(fā)送雙流信號(hào)，市(州)到縣局還沒(méi)有會(huì)商系統(tǒng)，無(wú)法滿足氣象信息化建設(shè)和氣象服務(wù)需求。因此，建設(shè)覆蓋省—市—縣三級(jí)級(jí)聯(lián)的高清視頻會(huì)議系統(tǒng)是十分必要的。

但是如何根據(jù)自身業(yè)務(wù)的要求，量身定制，對(duì)視頻會(huì)議設(shè)備進(jìn)行合理搭配，選擇一套合理的視頻會(huì)議系統(tǒng)，使設(shè)備的配置科學(xué)化、梯次化，做到既不浪費(fèi)設(shè)備功能、性能，各設(shè)備之間又不出現(xiàn)瓶頸，既能滿足業(yè)務(wù)需求，又能節(jié)省資金，成為視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用面臨的問(wèn)題。

1 高清視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 原有標(biāo)清系統(tǒng)

如圖1所示，全省標(biāo)清視頻會(huì)商系統(tǒng)包括1個(gè)省級(jí)中心和21個(gè)分會(huì)場(chǎng)，運(yùn)行在省到市2 Mbit/s碼率(下稱帶寬)SDH上，省中心機(jī)房部署1臺(tái)RADVISION VIP400 MCU完成全省會(huì)議的多點(diǎn)控制，最多支持24個(gè)點(diǎn)，1臺(tái)網(wǎng)閘服務(wù)器，用于全省終端的注冊(cè)管理，省氣象臺(tái)配1臺(tái)Tandberg視頻終端;21個(gè)分會(huì)場(chǎng)分別部署1臺(tái)Sony PCS－11P視頻終端及顯示系統(tǒng)和擴(kuò)聲系統(tǒng)。該系統(tǒng)的圖像的清晰度和MCU端口數(shù)已不能滿足業(yè)務(wù)需求，需對(duì)全省視頻會(huì)商系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和規(guī)劃。

圖1 四川氣象標(biāo)清視頻會(huì)商系統(tǒng)

1.2 三級(jí)高清視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高清視頻與標(biāo)清視頻的主要區(qū)別有:圖像分辨力由CIF(352×288)變?yōu)?20p(1280×720)，圖像由隔行掃描變?yōu)橹鹦袙呙?，圖像由4∶3變?yōu)?6∶9。

構(gòu)建高清視頻系統(tǒng)要求具有高清攝像機(jī)，高清編解碼器，多路分量、HDMI或DVI等標(biāo)準(zhǔn)的高清接口，高清的揚(yáng)聲器拾音器，高清的雙流，高清的顯示器和高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的保證機(jī)制。根據(jù)高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的基本要求和全省氣象業(yè)務(wù)的實(shí)際需要，系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)省到市1080p，市到縣720p的省—市—縣三級(jí)級(jí)聯(lián)高清視頻會(huì)議系統(tǒng)。

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析

四川氣象廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是以四川省氣象局為中心、21個(gè)市州氣象局為分中心、160多個(gè)臺(tái)站組成的星型與樹(shù)型結(jié)構(gòu)相結(jié)合的氣象廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

構(gòu)建高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬為省—市4 Mbit/s、市—縣2 Mbit/s。該網(wǎng)絡(luò)是業(yè)務(wù)專網(wǎng)，主要用于氣象觀、探測(cè)資料和氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)相關(guān)業(yè)務(wù)的傳輸，也有行政辦公等應(yīng)用，是一個(gè)綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，這些業(yè)務(wù)共享線路帶寬，氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流主要集中在規(guī)定的發(fā)報(bào)傳輸時(shí)次，帶寬占用呈脈沖狀態(tài)，數(shù)據(jù)流量大，沒(méi)有作優(yōu)先級(jí)設(shè)置。

1.2.2 傳輸帶寬設(shè)計(jì)［3］

根據(jù)構(gòu)建省—市—縣三級(jí)高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)省局到市局(一級(jí)到二級(jí))1080p視頻會(huì)議、市局到縣局(二級(jí)到三級(jí))720p視頻會(huì)議的省—市—縣三級(jí)全網(wǎng)高清視頻會(huì)議。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的分析，在現(xiàn)有省到市4 Mbit/s、市到縣2 Mbit/s的帶寬條件下進(jìn)行了4 Mbit/s，3.5 Mbit/s，3 Mbit/s，2.5 Mbit/s，2 Mbit/s，1.5 Mbit/s，1.2 Mbit/s，1 Mbit/s等帶寬下召開(kāi)高清視頻會(huì)議時(shí)的網(wǎng)絡(luò)壓力測(cè)試，以及氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的影響程度，經(jīng)過(guò)綜合考慮，除去其他氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)占用的帶寬，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)最高可占用2 Mbit/s帶寬來(lái)召開(kāi)1080p視頻會(huì)議，最高1.2 Mbit/s帶寬來(lái)召開(kāi)720p視頻會(huì)議;召開(kāi)省—市—縣三級(jí)視頻會(huì)議時(shí)，考慮到市到縣之間的網(wǎng)絡(luò)承載能力，最高可使用1.2 Mbit/s的帶寬召開(kāi)720p高清視頻會(huì)議。經(jīng)過(guò)兩年多的使用，該網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)計(jì)是能夠滿足視頻會(huì)議傳輸要求的，只是在氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流集中傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)與視頻會(huì)議數(shù)據(jù)爭(zhēng)搶帶寬的現(xiàn)象。

1.2.3 關(guān)鍵設(shè)備選型要求

高清視頻會(huì)議系統(tǒng)需運(yùn)行在四川省氣象部門(mén)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下，所選設(shè)備需充分考慮產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力。具體要求見(jiàn)表1。

2 高清視頻會(huì)議系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的建設(shè)要求，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過(guò)對(duì)高清視頻系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行選型，組建最合理的三級(jí)級(jí)聯(lián)高清視頻會(huì)議系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 關(guān)鍵設(shè)備選型要求

系統(tǒng)采用高清多點(diǎn)控制單元MCU(POLYCOM RMX1000)23臺(tái)，省局和各市局分別部署1臺(tái);高清終端(POLYCOM HDX7000/HDX8000)共165臺(tái)，其中21個(gè)市局各部署 1臺(tái) HDX8000，143個(gè)縣局各部署 1臺(tái)HDX7000，終端均含高清攝像頭;會(huì)議保障語(yǔ)音電話(POLYCOM IP550/IP650)20臺(tái)，省局和各市局分別部署1臺(tái);省局另部署高清錄播服務(wù)器(POLYCOM RSS2000)1臺(tái)，視頻會(huì)議管理服務(wù)器(POLYCOM CMA4000)1臺(tái)。

圖2 四川氣象高清視頻會(huì)議系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

四川氣象高清系統(tǒng)建成后，在汛期服務(wù)特別是災(zāi)害應(yīng)急氣象保障工作中發(fā)揮了重大作用，提升了視頻會(huì)商的效果，視頻圖像清晰，達(dá)到高清效果，實(shí)現(xiàn)了原標(biāo)清系統(tǒng)所不具備的雙向雙流功能，完全滿足氣象部門(mén)的業(yè)務(wù)需求。該系統(tǒng)主要用于省局和各市州局的日常天氣視頻會(huì)商、全省的工作會(huì)議、重大天氣過(guò)程視頻會(huì)商、轉(zhuǎn)播國(guó)家局會(huì)商和會(huì)議、市局片區(qū)天氣會(huì)商和會(huì)議、西南區(qū)域天氣會(huì)商和會(huì)議等。該高清視頻系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有:

1)視頻清晰流暢。目前整套系統(tǒng)為全省氣象部門(mén)的會(huì)商會(huì)議實(shí)現(xiàn)高清效果。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，在實(shí)際使用中，使用盡量少的帶寬實(shí)現(xiàn)了高清效果。省局到市局召開(kāi)會(huì)議使用1728 kbit/s的帶寬，充分保證實(shí)現(xiàn)了1080p的超高清效果，市局到縣局使用1280 kbit/s的帶寬。在召開(kāi)省—市—縣級(jí)聯(lián)會(huì)議時(shí)，使用1470 kbit/s帶寬，實(shí)現(xiàn)720p高清效果。

2)音頻清晰、立體聲質(zhì)感強(qiáng)烈。POLYCOM的揚(yáng)聲器都是高保真、立體聲的全向揚(yáng)聲器，能夠?qū)崿F(xiàn)360°全向拾音，拾音半徑可以達(dá)7 m。

3)雙流內(nèi)容同樣高清晰。POLYCOM目前能夠?qū)崿F(xiàn)會(huì)議中主流和輔流的雙路720p，即高清視頻和高清雙流同時(shí)支持720p。

4)CMA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)全面管理。CMA服務(wù)器可以對(duì)在線的終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括設(shè)備的狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀況等;對(duì)終端所使用的帶寬進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可用拓?fù)湫问奖憩F(xiàn)出來(lái);對(duì)召開(kāi)會(huì)議的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并已圖形化顯示。

5)CMA Desktop桌面軟終端將視頻會(huì)議延伸至桌面。

6)會(huì)議保障電話實(shí)時(shí)保障會(huì)議順利進(jìn)行。省局配備的IP650，根據(jù)市局的數(shù)量添加了模塊，按下對(duì)應(yīng)市局的快捷按鈕，便可迅速接通市局;市局配備的IP550，摘機(jī)就可直播省局，操作簡(jiǎn)便。

3 高清視頻會(huì)議系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［4］

現(xiàn)階段，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)編解碼主要采用H.264，它比以前H.263和MPEG－4提高編碼效率約50%。同等的圖像質(zhì)量條件下，數(shù)據(jù)壓縮比較MPEG－2高2～3倍，比MPEG－4高1.5～2倍，比H.263高2倍。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要有H.323協(xié)議、SIP協(xié)議和H.239協(xié)議等。高清系統(tǒng)要求核心設(shè)備基于ITU－T H.323標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，MCU和終端需同時(shí)支持IETF SIP協(xié)議，支持H.323和SIP混合組會(huì);支持H.239雙流協(xié)議，在省、市、縣高清多點(diǎn)會(huì)議中所有會(huì)場(chǎng)終端均可實(shí)現(xiàn)雙流發(fā)送和接收，PC圖像清晰度可以達(dá)到1024×768及以上。

高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括視頻編碼、高清視頻信號(hào)接口、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、圖像標(biāo)準(zhǔn)和MCU級(jí)聯(lián)技術(shù)等。文章主要對(duì)圖像標(biāo)準(zhǔn)、高清視頻信號(hào)接口和MCU級(jí)聯(lián)技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1 高清圖像標(biāo)準(zhǔn)

視頻會(huì)議發(fā)展之初，是以CIF(352×288)格式作為視頻會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)。到了21世紀(jì)，視頻會(huì)議系統(tǒng)提升到4CIF，現(xiàn)階段國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義高清為720p(分辨力1280×720，24～60 f/s)和1080p(分辨力1920× 1080，24～30 f/s)。視頻分辨力的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示。

圖3 視頻分辨力的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)

圖4 4種高清視頻信號(hào)接口

3.2 高清視頻信號(hào)接口

高清視頻信號(hào)接口的研究對(duì)于高清視頻系統(tǒng)的構(gòu)建和顯示設(shè)備的選擇具有重大的指導(dǎo)意義看，目前主流的高清信號(hào)接口有HD－SDI(高清數(shù)字分量串行接口)、色差分量、HDMI(高清晰度多媒體接口)和DVI(數(shù)字視頻接口)等，如圖4所示。色差分量和DVI是目前在視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)備上使用較多的接口，HDMI能夠同時(shí)傳送音頻和視頻信號(hào)的高清接口，數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)5 Gbit/s，而且在信號(hào)傳送前不需要進(jìn)行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換。

HD－SDI是根據(jù)SMPTE(攝影與電視工程師協(xié)會(huì))202M，在 1.485 Gbit/s或者 1.485/1.001(Gbit·s－1)的信號(hào)速率條件下傳輸?shù)慕涌谝?guī)格，該規(guī)格規(guī)定了數(shù)據(jù)格式、信道編碼方式、同軸電纜借口的信號(hào)規(guī)格、連接器及電纜類型與光纖接口等，具有架設(shè)距離長(zhǎng)、使用一根同軸電纜傳輸視頻和音頻信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。HD－SDI接口是目前廣電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高清接口。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)需要選擇最適合的接口，4種高清接口的比較如表2所示。

表2 高清接口比較

3.3 MCU 級(jí)聯(lián)

對(duì)于一個(gè)大型視頻會(huì)議系統(tǒng)，當(dāng)其視頻終端的數(shù)量超出了單臺(tái)MCU最大系統(tǒng)容量，則需要MCU級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)所有終端集中在一個(gè)會(huì)議里面，即把MCU串聯(lián)起來(lái)，串聯(lián)是分層的，一層一層下去。目的把相同或不同的MCU設(shè)備連接起來(lái)增加MCU端口數(shù)。

MCU和終端的連接網(wǎng)呈星形狀態(tài)，通常放置在星形網(wǎng)絡(luò)的中心處，即參加會(huì)議的各個(gè)終端都以雙向通信的方式和 MCU相連接。在級(jí)聯(lián)中，處在上面的一層的MCU是上層MCU，處在下層的 MCU為從MCU，從MCU受控于上層 MCU。在高清系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了省級(jí)MCU(第一級(jí))級(jí)聯(lián)21個(gè)市級(jí)MCU(第二級(jí))的方法，市級(jí)及所屬縣級(jí)的終端均由市級(jí)MCU管理，將視頻系統(tǒng)延伸至三級(jí)。

系統(tǒng)所采用的MCU(POLYCOM RMX1000)支持?jǐn)?shù)字級(jí)聯(lián)，具體設(shè)置方法為:省、市級(jí)MCU分別建省—市—縣級(jí)聯(lián)會(huì)議模板，設(shè)定主MCU連接速率為1472 kbit/s，會(huì)議模式為演講者模式，視頻質(zhì)量最高至720p;從MCU設(shè)定連接速率為1280 kbit/s，啟用從級(jí)聯(lián)策略，會(huì)議模式為演講者模式，視頻質(zhì)量最高至720p，其余設(shè)置為默認(rèn)。

級(jí)聯(lián)會(huì)議中，MCU自動(dòng)采用演講者模式，演講者設(shè)置為省局MCU，演講者觀看對(duì)象設(shè)置為市局終端。此時(shí)，省局節(jié)點(diǎn)觀看到的是所有市、縣局節(jié)點(diǎn)會(huì)場(chǎng)的輪詢畫(huà)面，各市州局和各縣局節(jié)點(diǎn)觀看到的是省局節(jié)點(diǎn)的畫(huà)面。如需某市局發(fā)言，則在主MCU中修改演講者為此市局的MCU，再到此市局的MCU中將畫(huà)面切換到需要發(fā)言的會(huì)場(chǎng)即可。圖5為省市縣三級(jí)級(jí)聯(lián)會(huì)議召開(kāi)時(shí)主MCU的操作界面，省級(jí)MCU實(shí)現(xiàn)了對(duì)市級(jí)MCU的數(shù)字級(jí)聯(lián)。

圖5 省市縣三級(jí)級(jí)聯(lián)會(huì)議操作界面

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了省—市可召開(kāi)1080p高清會(huì)議，市—縣可召開(kāi)720p高清會(huì)議，建成全國(guó)氣象部門(mén)首個(gè)覆蓋省—市—縣三級(jí)的高清視頻會(huì)商(會(huì)議)系統(tǒng)，為氣象部門(mén)的天氣會(huì)商和會(huì)議發(fā)揮了重大的作用?，F(xiàn)階段，視頻會(huì)議系統(tǒng)需要解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障欠缺、接入網(wǎng)的帶寬問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置等問(wèn)題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻技術(shù)的不斷發(fā)展，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)將會(huì)更加普及和完善。

［1］葉冬茂.會(huì)議系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展概述［J］.電聲技術(shù)，2007，31(S1):26－27.

［2］陳建華，詹葉青.智能會(huì)議系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)［J］.電聲技術(shù)，2004，28(8):12－14.

［3］李棟，李媛敏，張秋華.1080p高清視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用案例［J］.電視技術(shù)，2010(10):109－110.

［4］胡勇，周敬利，余勝生.基于網(wǎng)閘連接的視頻會(huì)議系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量控制及實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001(8):66－67.