基于CM-IMS的視頻會議終端研究與應用

劉昶，蔡偉利，賈夢媛

（中國移動通信集團公司政企客戶分公司，北京 100083）

隨著企業(yè)信息化趨勢及公車改革的實施，政企客戶在追求高效溝通的同時更注重降本增效，國內(nèi)外高清視頻會議市場日漸活躍。傳統(tǒng)視頻會議系統(tǒng)建設受到技術、格局及成本約束，適用范圍僅限于高精尖企業(yè)。中國移動基于傳統(tǒng)通信管道發(fā)展新型通信服務，打造覆蓋全球的云視訊視頻會議業(yè)務，以云化的多方融合視頻通信滿足政企客戶降本增效的高效溝通需求。

中國移動云視訊遵循IETF業(yè)務框架和3GPP組網(wǎng)標準，基于IMS網(wǎng)絡面向行業(yè)客戶提供的視頻會議產(chǎn)品，采用SIP協(xié)議的開放式架構打破H.323等傳統(tǒng)視頻會議系統(tǒng)的孤島狀態(tài)，該網(wǎng)絡架構進一步實現(xiàn)了控制與業(yè)務的分離，具備更為開放、融合、兼容的特性，可提供跨省、跨國、跨企業(yè)的視頻會議服務，并支持會議與傳統(tǒng)PSTN、VoLTE的互融互通。

中國移動云視訊自主研發(fā)多款低成本高清會議終端及行業(yè)定制終端，結合第三方終端打造全系列終端鏈，最大程度滿足用戶需求。并針對自研終端提出媒體傳輸質量優(yōu)化方案，增強了自研終端的抗傳輸分組丟失、抖動、時延能力，提高了視頻會議服務質量，保證網(wǎng)絡傳輸條件差時的視頻會議效果。

1 自研低成本會議終端

云視訊自研低成本會議終端全面覆蓋各種辦公及行業(yè)場景視頻會議需求。形態(tài)上，研發(fā)了便于集成分體式、無需安裝一體式、即插即用輕巧型、桌面型等多種形態(tài)終端，首次推出了投影式、智能觸控式等新型會議形態(tài)，滿足各種大中小型、移動辦公會議場景需求。體驗上，采用簡潔UI/UE風格及便捷安裝方式，終端自主檢測與遠程升級，傻瓜式操作無需專業(yè)人員安裝及配置。能力上，采用硬件編解碼，支持SIP、H.323雙協(xié)議注冊，BFCP高清雙流傳輸，視頻支持100°超廣角4K圖像采集，1080 P 60 fps高清輸出，音頻支持48 kHz全頻帶高保真音質。面向中小企業(yè)市場，其終端優(yōu)勢如下。

1.1 高清的音視頻體驗

終端內(nèi)置硬件編解碼器，采用進階處理的H.264視頻編解碼技術，圖像編解碼支持1080 P/30幀、720 P/30幀、4 CIF、 CIF等多種格式，支持高清視頻分層編碼傳輸控制技術、分組丟失恢復（PLC）技術，保證在大量分組丟失情況下圖像連續(xù)。音頻支持G.711、G.722、Opus等多種音頻編解碼協(xié)議，具備快速回聲消除（AEC）、 北京噪音抑制（ANS）、 自動增益補償（AGC）等音頻特性。

1.2 高效的終端管理

配套研發(fā)終端管理平臺，對所有部署的云視訊會議終端進行遠程監(jiān)控、遠程配置與管理，無需客戶側投入專業(yè)的IT運營維護人員，減少人工運營成本。

圖1 高清會議媒體優(yōu)化方案

1.3 深度的行業(yè)封裝

深度契合教育、醫(yī)療、應急指揮等多種行業(yè)，提供豐富接口與行業(yè)專用器械結合，為行業(yè)遠程溝通提供專業(yè)化解決方案。

2 媒體質量優(yōu)化方案

為了解決跨網(wǎng)傳輸過程中的視頻圖像卡頓、馬賽克、音視頻不同步等問題，創(chuàng)新性提出了在傳輸層面通過媒體加速優(yōu)化技術，確保在時延小于800 ms、雙向分組丟失小于40%的網(wǎng)絡環(huán)境下，視頻會議體驗清晰無卡頓。技術上從傳輸層切入，采用透明部署方案，將視頻流由UDP傳輸改為由TCP協(xié)議傳輸，采用相對于傳統(tǒng)TCP協(xié)議更為精確的分組丟失判斷及擁塞預測算法，改進重傳機制，優(yōu)化傳輸特性，并且采用雙向加速的機制，從而搭建高效視頻通道。高清會議媒體優(yōu)化方案如圖1所示。

2.1 增設媒體優(yōu)化設備

在集中SBC與CMNet出口之間集中增設高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備，在自研視頻終端安裝加速軟件模塊。終端到高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備之間的視頻流由UDP傳輸改為由TCP協(xié)議進行傳輸，不需搭載FEC算法，對分組丟失進行快速重傳。加速設備至SBC、會議平臺之間仍還原為UDP報文進行傳輸。非自研視頻終端與會議平臺之間保持FEC算法，采用UDP協(xié)議進行傳輸，高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備對UDP報文進行透傳，不做處理。視頻流傳輸示意圖如圖2所示。

其中，高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備系統(tǒng)結構如圖3所示。

根據(jù)邏輯功能劃分，平臺包括5個邏輯模塊。

圖2 視頻流傳輸示意圖

流量識別模塊：設備自動識別流經(jīng)的網(wǎng)絡流量，實現(xiàn)視頻會議流進入加速狀態(tài)、其它流量進入直通狀態(tài)的功能。

視頻會議媒體流優(yōu)化模塊：自動和對端設備 (視頻終端設備) 實現(xiàn)加速連接，對視頻流進行加速，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸效率，形成無分組丟失的視頻傳輸通道。

安全模塊：自動監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)內(nèi)置Bypass功能，在設備出現(xiàn)軟硬件故障時快速自動切換到直通狀態(tài)，保障業(yè)務正常。

流量監(jiān)控模塊：統(tǒng)計當前流經(jīng)的總數(shù)據(jù)流和視頻加速數(shù)據(jù)流的情況。

網(wǎng)管功能模塊：網(wǎng)管功能模塊提供SNMP接口，網(wǎng)管系統(tǒng)可通過網(wǎng)管功能模塊對優(yōu)化設備進行維護、配置與管理。

視頻流量數(shù)據(jù)經(jīng)過設備時，先進入交換模塊，由交換模塊進行流量分擔，分配到不同的加速模塊上，由不同的加速模塊進行策略匹配以及加速，優(yōu)化完成后將流量轉發(fā)回交換模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備系統(tǒng)結構

2.2 嵌入加速軟件模塊

自研終端嵌入獨立加速軟件模塊，用以適配加速設備進行協(xié)議轉換。該模塊需要支持安卓4.0及以上的版本，并可以按照實際要求部署在Linux操作系統(tǒng)中。該模塊具備視頻會議優(yōu)化功能，消除在鏈路分組丟失環(huán)境下的視頻圖像丟幀及馬賽克等現(xiàn)象。支持NAT穿透，并且支持同一NAT后面多個終端設備同時接入優(yōu)化網(wǎng)關設備，以保障同一公司內(nèi)部多個終端同時參會。

終端嵌入軟件以用戶態(tài)可執(zhí)行程序的方式運行在終端設備中，并在終端設備系統(tǒng)的內(nèi)核層對視頻流進行重定向，將其重定向到用戶態(tài)加速模塊的TCP隧道中進行加速，經(jīng)視頻優(yōu)化通道發(fā)送到高清媒體會議優(yōu)化網(wǎng)關。會議媒體優(yōu)化設備自動和云視訊視頻終端上的加速模塊建立加速配對，無需手工指定即可形成視頻優(yōu)化通道，實現(xiàn)視頻會議優(yōu)化，以保障終端優(yōu)化大規(guī)模部署的便利性。終端軟件嵌入邏輯示意圖如圖4所示。

圖4 終端軟件嵌入邏輯示意圖

2.3 引入傳輸層優(yōu)化技術

(1) 建立SSL VPN隧道：將視頻流由UDP傳輸改為由TCP協(xié)議傳輸。

(2) TCP協(xié)議優(yōu)化技術：采用相對傳統(tǒng)TCP協(xié)議更為精確的分組丟失判斷及擁塞預測算法，從而避免錯誤判斷分組丟失引發(fā)大量重傳進而導致的擁塞，避免帶寬資源的浪費。

(3) 數(shù)據(jù)優(yōu)化技術：通過數(shù)據(jù)壓縮技術最大限度地縮減網(wǎng)絡冗余數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)緩存技術對UDP數(shù)據(jù)進行緩存、代理，自動感知鏈路分組丟失，進行數(shù)據(jù)選擇性重傳，大幅降低分組丟失率。

(4) 帶寬保障技術：為視頻會議設置帶寬保障通道，如設置視頻會議最小保障帶寬為2 M并定為最高優(yōu)先級，視頻會議開啟時自動分配2 M帶寬，為視頻會議連接保障充分的所需帶寬，保障視頻流的通暢傳輸。

(5) 流量削減技術：針對其余業(yè)務應用進行流量削減，降低帶寬要求，保障視頻會議的順利進行。

3 行業(yè)定制化終端解決方案

3.1 教育行業(yè)定制

云視訊教育終端解決方案采用固定式課程錄播工作站，擴展探測或圖像識別技術、跟蹤、定位、智能策略等模塊實現(xiàn)。教學過程中，自動跟蹤主機根據(jù)獲取的各種探測信號、語音激勵信號、中控切換信號、鍵盤鼠標動作等，采用科學策略進行綜合智能分析，靈活準確的調(diào)度現(xiàn)場的攝像機、調(diào)音臺等采集設備，保證拍攝主體，自動調(diào)節(jié)景別景深，實現(xiàn)課堂無干擾、無意識控制、無人值守的全自動智能錄播；同時內(nèi)置交互模塊，接入中國移動云視訊管理平臺即可實現(xiàn)異地的同步課堂及互動教學。同步課堂系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。

該方案有效補充了市場對于中高端遠程互動教學、常態(tài)化錄播的盲點，形成常態(tài)化遠程教學場景，建立學校聯(lián)盟，助力教育均衡化發(fā)展。

3.2 醫(yī)療行業(yè)定制

云視訊教育終端解決方案采用雙目攝像頭，滿足醫(yī)患同端入會需求，同時拍攝醫(yī)生和患者。面對患者攝像頭可左右旋轉350°，以適應不同的座位，純硬件視頻信號拼接，不可截取和涂抹。雙路攝像雙向拾音，滿足醫(yī)療面對面場景的實時多畫面、多指向采集圖像、拾取聲音的需求。

本產(chǎn)品采用索尼專業(yè)級CMOS傳感器，感光尺寸1/2.9，最大支持200萬像素1080 P全高清輸出。鏡頭大角度低畸變，水平FOV達到80°以上，光圈F2.0，大光圈圖像光鮮明亮。內(nèi)置雙個MIC，分別采集醫(yī)生和患者聲音；采用美國德州儀器TI專業(yè)雙通道低功耗音頻處理器，通過自主AEC、AGC、ANS算法實現(xiàn)聲音穩(wěn)定處理。支持雙拼、畫中畫、單路等模式；雙路視頻信號硬件拼接，內(nèi)置硬件水印，可防止視頻后期修改和涂抹，有效保證視頻同源和同時。自適BLC算法，強光抑制弱光補償，高反差情況下合成優(yōu)質影像。逆光補償算法，增強人的面部輪廓特性，利于后期人臉識別的應用。

圖5 同步課堂系統(tǒng)拓撲圖

4 結束語

云視訊視頻會議終端自2016年全網(wǎng)銷售以來，已成功落地政府、教育、醫(yī)療等各領域，年銷售量破3萬。該類終端具有普適性，滿足各類行業(yè)、各種規(guī)模企業(yè)客戶多方溝通需求。我們從傳輸層切入，引入傳輸層優(yōu)化技術，匯聚入口增設高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備，視頻終端嵌入加速軟件模塊，搭建高效視頻通道，保證視頻會議數(shù)據(jù)無分組丟失的傳輸?shù)綄Χ?，保證視頻畫面完整，提升云視訊業(yè)務市場競爭力，同時為不同廠商之間視頻會議系統(tǒng)的互連，提供良好的網(wǎng)絡基礎，提升云視訊業(yè)務的可擴展性。

[1] 劉昶，蔡偉利，汪衛(wèi)斌. 中國移動云視訊媒體質量優(yōu)化系統(tǒng)設計[J]. 電信工程技術與標準化，2017(12).