多校區(qū)無縫實(shí)現(xiàn)高清視頻會(huì)議

文/秦海江

多校區(qū)無縫實(shí)現(xiàn)高清視頻會(huì)議

文/秦海江

視頻會(huì)議系統(tǒng)是一種應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和音頻/視頻編解碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛擬會(huì)議的多媒體通信系統(tǒng)，能使地理上分散的用戶在網(wǎng)絡(luò)上通過視頻、聲音、文本等信息流進(jìn)行交互，具有極其廣泛的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。

高清視頻技術(shù)協(xié)議

對(duì)于高校來說，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行即時(shí)、交互式的行政會(huì)議和面對(duì)面的視頻交流，及時(shí)響應(yīng)高校決策層的方針政策和重要工作的部署，還可以節(jié)約學(xué)校各校區(qū)間管理人員的開會(huì)時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)也為學(xué)?？蒲?、學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)等遠(yuǎn)程視頻應(yīng)用提供便捷而快速的手段。本文實(shí)現(xiàn)的高清視頻會(huì)議的技術(shù)協(xié)議有H.264協(xié)議和H.239協(xié)議。

H.264協(xié)議

H.264/AVC(Advanced Video Coding)是ITU-T和MPEG合作制定的視頻碼標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)作為MPEG-4的第10部分，是目前最新的視頻編碼。與以往的標(biāo)準(zhǔn)相比較，H.264在幀內(nèi)編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、變換量化和熵編碼等方面采用多種新技術(shù)，大幅提高編碼效率。H.264具有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 壓縮性能：相較于H.263v2（H.263+）或MPEG-4 Simple Profile，在相同編碼器最佳化的條件下，H.264最多可節(jié)省50%的位速率。

2. 抗錯(cuò)性（error resilience）：H.264 具有較強(qiáng)的的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的信道中的視頻傳輸，它不但能處理封包網(wǎng)絡(luò)的封包遺失，還能針對(duì)容易發(fā)生錯(cuò)誤的無線網(wǎng)絡(luò)，處理可能出現(xiàn)的位錯(cuò)誤。

3. 網(wǎng)絡(luò)友善性：透過網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)層，H.264位串流容易在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸，從而獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。

H.263、MPEG2、MPEG4和H.264壓縮性能的比較如圖1所示，橫坐標(biāo)軸代表碼率(單位:kbps)，縱坐標(biāo)軸代表圖像質(zhì)量。信噪比越高，圖像質(zhì)量(單位：dB)越好。從圖1可以看到MPEG2若要達(dá)到和H.264一樣的畫質(zhì)，需要更高的碼率，當(dāng)圖像質(zhì)量達(dá)到35dB時(shí)，MPEG2需要2200kbps的碼率，而H.264則需要不到900kbps的碼率。上述優(yōu)點(diǎn)使得H.264成為許多視頻應(yīng)用的理想技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

H.239協(xié)議

H.239協(xié)議又稱為雙流技術(shù)。2003年7月，ITU批準(zhǔn)了H.239標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)支持“Additional Media Channels for H.3xx System”，即在一次呼叫建立媒體連接后，在2個(gè)H.239終端之間傳送兩路媒體流，這2條媒體流共享呼叫帶寬，采用該技術(shù)的終端能夠同時(shí)發(fā)送/接收兩路視頻流。這樣僅需要通過共享網(wǎng)絡(luò)帶寬便能使終端得到更多的信息，無需更多的資源，通過最小的代價(jià)獲得更多信息。此項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)雙流視頻服務(wù)，在視頻會(huì)議中同時(shí)傳送和顯示多路視頻信息，H.239雙流發(fā)送過程如圖2所示。

圖2中終端設(shè)備使用Open Logical Channel(extended Video Capability)消息請(qǐng)求打開輔流通道，在終端需要發(fā)送輔流時(shí)使用Logical Channel Active消息激活輔流通道，發(fā)送輔流完成后發(fā)送Logical Channel Inactive消息使輔流通道休眠，最后采用Close Logical Channel消息關(guān)閉輔流通道。采用此方法可以快速地將類似Power Point等制作的幻燈片、打開的Word文檔、DVD視頻信號(hào)等其他形式的PC桌面內(nèi)容實(shí)時(shí)傳送到會(huì)議中的其他分會(huì)場(chǎng)。

圖1 H.263、MPEG2、MPEG4和H.264壓縮性能比較

圖2 H.239實(shí)現(xiàn)消息流程

整合資源構(gòu)建高清視頻系統(tǒng)

校園網(wǎng)是在學(xué)校區(qū)域內(nèi)為學(xué)校教育提供資源共享、信息交流和協(xié)同工作的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，具有用戶數(shù)量大、類型多，管理策略豐富，線路穩(wěn)定、安全、可靠等特點(diǎn)。

高清視頻會(huì)議系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行即時(shí)、交互式的行政會(huì)議和面對(duì)面的視頻交流，還可以為科研、學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)等遠(yuǎn)程視頻應(yīng)用提供便捷而快速的手段。

近年來隨著校園網(wǎng)系統(tǒng)性的建設(shè)、升級(jí)改造，高校分校區(qū)均以1000M光纖互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)線路上的穩(wěn)定性、安全性等都比公眾網(wǎng)具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)大流量視頻系統(tǒng)應(yīng)用起到網(wǎng)絡(luò)線路保障作用。學(xué)校校園網(wǎng)集建設(shè)、管理、維護(hù)于一體，在各校區(qū)間的各種視頻會(huì)議系統(tǒng)作用成本相對(duì)較低。

視頻會(huì)議需求分析

根據(jù)校園網(wǎng)的特點(diǎn)，視頻會(huì)議系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)學(xué)校各校區(qū)之間、校區(qū)內(nèi)部各部門之間的網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議以及國(guó)際國(guó)內(nèi)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議的連接。在保障學(xué)校內(nèi)部召開各種視頻會(huì)議的同時(shí)，也要滿足與上級(jí)主管部門、校際和國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)以及與其他學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)視頻會(huì)議對(duì)接的需要，系統(tǒng)建設(shè)要充分利用學(xué)?，F(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)資源的高度整合和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，建成后不僅要具有視頻功能，還要具有召開大型會(huì)議、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、培訓(xùn)、調(diào)度、重要事跡報(bào)告等功能，能實(shí)現(xiàn)電視和網(wǎng)絡(luò)直播和廣播功能，將來還能向更高帶寬和更高圖像質(zhì)量擴(kuò)展。系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)平滑擴(kuò)容和升級(jí)，可實(shí)現(xiàn)集中控制與管理以及遠(yuǎn)程維護(hù)等需求。

設(shè)計(jì)原則

1. 先進(jìn)性：采用HD720P及以上的高清產(chǎn)品，具備寬帶音視頻技術(shù)，支持最新國(guó)際主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，符合計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和視頻會(huì)議技術(shù)的主流發(fā)展方向。

2. 實(shí)用性：系統(tǒng)操作應(yīng)用靈活方便，易于掌握，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，具有多種管理方式。

3. 集成性：集成度高、體積小、重量輕，便于移動(dòng)和連接，具有豐富的數(shù)據(jù)接口，便于相關(guān)設(shè)備接入后一體化協(xié)作工作。

4. 可擴(kuò)展性：有充分的擴(kuò)展預(yù)留接口，便于融入隨新技術(shù)發(fā)展而擴(kuò)展的新功能，并符合IETF的SIP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5. 靈活性：具有符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的軟件、硬件、通訊、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等方面的接口和工具，能夠適應(yīng)多功能、外向型的要求。

6. 安全性：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)具備權(quán)限及訪問控制機(jī)制，支持分類加密系統(tǒng)。

7. 可靠性：對(duì)工作條件和工作環(huán)境要求較低，系統(tǒng)啟動(dòng)快，系統(tǒng)掉電或網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷后可以快速恢復(fù)正常，具備分級(jí)診斷和故障提示功能，支持冗余備份和長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。

關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)要求

1. 終端設(shè)備：終端設(shè)備應(yīng)具有豐富的網(wǎng)絡(luò)接口、高清音視頻等接口，適合大、中型會(huì)議室的需求，同時(shí)還要兼容第三方常用攝像頭，支持ITU-T H.323、SIP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，IP速率支持2Mbps，支持H.239雙路動(dòng)態(tài)視頻標(biāo)準(zhǔn)、H.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)；支持高清晰HD畫面編解碼技術(shù)（1280×720）、DVI SXGA（1280×1024）視頻輸入和DVI XGA（1024×768）輸出接口；支持IPv6版本協(xié)議；支持H.235安全認(rèn)證；支持流媒體（streaming）直播、轉(zhuǎn)播、廣播等功能。

2. MCU：采用CPCI總線設(shè)計(jì)，插卡式結(jié)構(gòu)，支持熱插拔，能滿足電信級(jí)的應(yīng)用；支持ITU-T H.323、H.320、SIP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；MCU可進(jìn)行多點(diǎn)會(huì)議的切換和控制，保障會(huì)議清晰、流暢的需求，能支持既定終端接入容量，還應(yīng)滿足系統(tǒng)擴(kuò)容的需求；支持ITU H.239雙路動(dòng)態(tài)視頻標(biāo)準(zhǔn)、H.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)；支持混速會(huì)議、混協(xié)議會(huì)議，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多種分屏模式，能支持20種以上分屏顯示模式及30路以上分屏顯示效果。網(wǎng)控中心可以通過MCU內(nèi)置Web服務(wù)器的視頻管理和控制功能，進(jìn)行多點(diǎn)會(huì)議的設(shè)置、召開、管理和會(huì)議控制。

3. 錄播服務(wù)器：擁有一體化構(gòu)架，嵌入式操作系統(tǒng)，可直接實(shí)時(shí)錄制會(huì)議數(shù)字碼流，通過網(wǎng)絡(luò)直接接收MCU轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)字視音頻碼流，避免因二次編解碼帶來的圖像和聲音損失。錄制后的文件存儲(chǔ)在本地硬盤中，碼率及分辨率與原會(huì)議均保持一致。設(shè)備存儲(chǔ)空間應(yīng)不小于250G，會(huì)議錄制時(shí)間應(yīng)不小于600h。服務(wù)器支持HD(1280×720)高清及4CIF、CIF會(huì)議的錄制，可提供基于Web的客戶端在線點(diǎn)播服務(wù)，支持多用戶實(shí)時(shí)點(diǎn)播，支持視頻會(huì)議終端撥入錄播系統(tǒng)回放錄制的會(huì)議實(shí)況，支持單點(diǎn)錄制、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)會(huì)議錄制、多點(diǎn)會(huì)議錄制等多種方式，方便不同類型的使用需求。

系統(tǒng)實(shí)施要點(diǎn)

1. 高清攝像機(jī)：為獲得高分辨率圖像，需要配置16∶9標(biāo)準(zhǔn)支持真實(shí)高清(最低720p)的視頻會(huì)議攝像機(jī)。攝像機(jī)與視頻會(huì)議終端設(shè)備出自同一制造商為最佳，以保證攝像頭和終端設(shè)備的功能達(dá)到最優(yōu)化，從而獲得最佳的端到端高清視頻會(huì)議圖像質(zhì)量。

2. 高清MCU：MCU必須支持真實(shí)高清(至少720p)，并保持30幀/秒，才能使多點(diǎn)視頻會(huì)議達(dá)到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的音視頻效果，還必須是標(biāo)準(zhǔn)化(H.264)產(chǎn)品，從而滿足盡可能多的多點(diǎn)通話。

3. 高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)：為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視頻會(huì)議，網(wǎng)絡(luò)寬帶是一個(gè)不可或缺的因素。高清互動(dòng)視頻會(huì)議要求最低的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s，為達(dá)到最好的效果，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到或超過2Mbit/s，通過增加寬帶，獲得最佳音視頻效果以及額外的內(nèi)容共享。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)QoS功能可保證視頻會(huì)議獲得穩(wěn)定、連貫的效果。

4. 高分辨率的顯示器：高清視頻顯示器(液晶、等離子或投影儀)必須支持最低為720p的水平分辨率。另外，顯示器應(yīng)該配有支持高清信號(hào)的接口，如DVI-I數(shù)字接口或色差分量接口YPbPr。

5. 高清數(shù)據(jù)接口：高清視頻會(huì)議的終端必須是高清兼容設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)備都要支持高清數(shù)據(jù)接口（高清接口參數(shù)的區(qū)別見表1），才能使系統(tǒng)整體呈現(xiàn)高清音視頻。具體工程實(shí)施過程中，要根據(jù)高清接口的信號(hào)傳輸模式、格式、距離等特點(diǎn)，合理布置設(shè)備的物理位置，使系統(tǒng)整體效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖3 高清視頻會(huì)議系統(tǒng)實(shí)施方案

多會(huì)場(chǎng)視頻會(huì)議互聯(lián)互通

以專業(yè)MCU和硬件視頻會(huì)議終端與桌面軟件終端無縫聯(lián)結(jié)的原則來構(gòu)建系統(tǒng)。如圖3所示，四川大學(xué)望江、華西、江安三個(gè)校區(qū)會(huì)場(chǎng)各配備1臺(tái)高清視頻終端，江安校區(qū)配備1臺(tái)MCU，系統(tǒng)設(shè)備通過10/100/1000M以太網(wǎng)口連接到校園網(wǎng)絡(luò)上。各終端協(xié)議采用H.323，對(duì)外需要實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)H.323的互通，通過物理背靠背兼容連接方式來實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)H.323協(xié)議音視頻信號(hào)的互聯(lián)互通，同時(shí)也能滿足與專網(wǎng)H.320的兼容聯(lián)接，再配備1個(gè)POTS普通電話接口，可以連接1條普通電話線，滿足會(huì)議備份及外出人員語音加入會(huì)議的需求。

會(huì)場(chǎng)主要功能

會(huì)場(chǎng)的主要功能如下：

1. 可以分屏觀看各分會(huì)場(chǎng)情況。

2. 可實(shí)現(xiàn)視頻雙流、多種電子文檔的共享（Word、Excel、PDF、JPG和PowerPoint等文檔）文字交流和文件上傳以及電子白板功能。

3. 召開大型視頻會(huì)議時(shí)，系統(tǒng)各分會(huì)場(chǎng)可參與到大型視頻會(huì)議中，實(shí)現(xiàn)會(huì)議發(fā)言、應(yīng)急指揮、遠(yuǎn)程調(diào)度、視/音頻信號(hào)接收，收看實(shí)時(shí)交互信息。

4. 各會(huì)議節(jié)點(diǎn)可作為分會(huì)場(chǎng)即時(shí)連接到視頻會(huì)議主會(huì)場(chǎng)。

5. 支持電視信號(hào)接入及流媒體的直播、轉(zhuǎn)播、廣播功能。

6. 進(jìn)行視頻會(huì)議錄像資料的存儲(chǔ)、查詢、回放等會(huì)議音視頻信息的管理，授權(quán)用戶可以通過Internet隨時(shí)隨地進(jìn)行視頻會(huì)議的遠(yuǎn)程點(diǎn)播。

視頻會(huì)議運(yùn)行方式

表1 高清接口參數(shù)比較

1. 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視頻會(huì)議：網(wǎng)絡(luò)中任何一臺(tái)視頻會(huì)議終端都可直接呼叫全網(wǎng)內(nèi)的其他任何一臺(tái)視頻會(huì)議終端，召開一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的視頻會(huì)議。

2. 小規(guī)模多點(diǎn)會(huì)議：任何一個(gè)視頻會(huì)議會(huì)場(chǎng)都可召開小規(guī)模的多點(diǎn)會(huì)議。任何兩臺(tái)連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的視頻會(huì)議終端都可以參與到召開的視頻會(huì)議中。

3. 全網(wǎng)大型視頻會(huì)議：采用MCU呼叫全網(wǎng)視頻會(huì)議終端加入視頻會(huì)議，任何一個(gè)視頻會(huì)議會(huì)場(chǎng)都可加入到全網(wǎng)的大型視頻會(huì)議中。

4. 分組視頻會(huì)議：可召開分組視頻會(huì)議，各組之間互不影響。

該系統(tǒng)除了滿足校區(qū)之間的高清視頻會(huì)議應(yīng)用之外，同時(shí)通過技術(shù)連接方案也兼容上級(jí)主管部門視頻會(huì)議系統(tǒng)的互聯(lián)互通，在實(shí)現(xiàn)與香港工業(yè)局面試我校學(xué)生的外網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中，音視頻信號(hào)穩(wěn)定、清晰、連貫，達(dá)到系統(tǒng)建設(shè)預(yù)期效果。視頻會(huì)議系統(tǒng)是學(xué)校信息化建設(shè)的重要工程和基礎(chǔ)工作，也是教育系統(tǒng)召開會(huì)議和應(yīng)急指揮的主要渠道。為保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，提高運(yùn)行效率，在系統(tǒng)建成使用時(shí)，還要制定出視頻會(huì)議系統(tǒng)的管理制度。落實(shí)好使用申請(qǐng)與技術(shù)保障部門，管好用好視頻會(huì)議系統(tǒng)，讓它在實(shí)際應(yīng)用中真正發(fā)揮出實(shí)際的作用。

視頻會(huì)議系統(tǒng)建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，在建設(shè)前要針對(duì)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行需求分析，對(duì)各種不同的技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比、分析，盡可能做到各種設(shè)備的功能、性能的有機(jī)配合，使設(shè)備的配置科學(xué)化、梯次化，既不浪費(fèi)設(shè)備功能、性能，又要避免各個(gè)設(shè)備之間不出現(xiàn)瓶頸，做到物盡其用。

(作者單位1為四川大學(xué)信息管理中心，2為四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院)