基于光纖和IP流技術(shù)的視頻雙鏈路熱備傳輸系統(tǒng)

◆武 攀 趙振凱 趙家鳳

基于光纖和IP流技術(shù)的視頻雙鏈路熱備傳輸系統(tǒng)

◆武 攀1趙振凱1趙家鳳2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007；2.北京兆科恒興科技有限公司 北京 100190)

本文針對會議場所、指揮控制中心的視頻系統(tǒng)建設(shè)，設(shè)計了一種基于光纖傳輸和IP流技術(shù)的雙鏈路熱備高清視頻傳輸系統(tǒng)，以提高視頻系統(tǒng)的可靠性與抗毀能力，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于工程建設(shè)中，為會議場所、指揮控制中心的視頻系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)提供參考。

視頻系統(tǒng)；光纖傳輸；IP流

0 引言

視頻系統(tǒng)是會議場所、指揮控制中心音視頻系統(tǒng)的重要組成部分。隨著數(shù)字信號處理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代會議場所、指揮控制中心的音視頻系統(tǒng)已向數(shù)字化、高清化、網(wǎng)絡(luò)化、大規(guī)?；较虬l(fā)展。數(shù)字化是高清化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，雖然高清音視頻并不一定非要是數(shù)字信號，但是數(shù)字信號具有抗干擾性強(qiáng)、易處理的特性使得高清音視頻系統(tǒng)越來越多地采用數(shù)字技術(shù)[1]。當(dāng)前，大型會議場所、指揮控制中心要求視頻系統(tǒng)具備輸入、輸出多路、多種格式視頻的能力，在一些工程項(xiàng)目中所使用的高清視頻矩陣的輸入輸出路數(shù)已達(dá)144路×144路，甚至更多。但在這種以單臺視頻切換矩陣的為核心的系統(tǒng)中，一旦矩陣發(fā)生故障，會導(dǎo)致整個視頻系統(tǒng)失效。而一些重要、關(guān)鍵部位不僅要求視頻系統(tǒng)7×24小時運(yùn)行，對系統(tǒng)的抗毀能力也提出一定要求。

本文將光纖傳輸和IP流傳輸視頻的技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種視頻雙鏈路熱備傳輸系統(tǒng)，以提高會議場所、指揮控制中心視頻系統(tǒng)的可靠性與抗毀能力。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡介

1.1 光纖傳輸技術(shù)

采用光纖技術(shù)傳輸音視頻信號的發(fā)送器使用時分復(fù)用技術(shù)將多種信號轉(zhuǎn)為串行數(shù)字流，視頻、音頻和控制信號復(fù)合成串行的電信號，通過一個電-光轉(zhuǎn)換器，串行的數(shù)字流轉(zhuǎn)換成光信號。

如圖 1中所示的發(fā)送器接收DVI/HDMI視頻、立體聲和RS-232控制信號。串行化器將信號復(fù)合轉(zhuǎn)成數(shù)字脈沖的串行流。電-光轉(zhuǎn)換器將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)為光脈沖通過單芯光纖傳輸[2]。在接收器中，光脈沖信號經(jīng)過光-電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)為電信號，再經(jīng)由解串行化器轉(zhuǎn)為DVI/HDMI信號、數(shù)據(jù)信號、音頻信號。

圖 1 光纖發(fā)送和接收

采用光纖傳輸音視頻信號，保密性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，傳輸距離長，使用單芯單模光纖傳輸全高清視頻可達(dá)2000米以上距離。并且，采用光纖傳輸視頻時，由于信道帶寬足夠高，可對視頻無損編碼，不丟失細(xì)節(jié)信息，保證畫質(zhì)一致性。在會議場所、指揮控制中心大規(guī)模音視頻系統(tǒng)建設(shè)中，越來越多地采用配有光纖接口的視頻切換矩陣傳輸高清視頻信號。

1.2 IP流傳輸技術(shù)

采用IP流傳輸視頻的技術(shù)利用視頻的時間和空間冗余特性，將視頻壓縮編碼后通過打包成IP數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。

視頻是二維圖像的時間函數(shù)。每幅圖像具有空間冗余特性。因此可對圖像空間壓縮以減少數(shù)據(jù)。編碼單幀圖像的空間壓縮步驟如圖2所示[3]。

第一步是將像素數(shù)據(jù)“變換”。該步驟將圖像數(shù)據(jù)從空域轉(zhuǎn)變至頻域，如采用離散余弦變換、離散小波變換?！傲炕辈襟E對圖像的影響最顯著，使大部分的系數(shù)都在零附近?！爸嘏判颉辈襟E將重要的系數(shù)優(yōu)先級提高，如采用Zigzag掃描。該步驟提高編碼步驟中所采用技術(shù)的效率?！皵?shù)據(jù)編碼”步驟采用數(shù)學(xué)技術(shù)減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常采用多種方法如游程編碼、霍夫曼編碼等多種方法混合編碼。最后將數(shù)據(jù)嵌入IP流中傳輸。上述幾個步驟中，“量化”和“數(shù)據(jù)編碼”步驟使單幀圖像的數(shù)據(jù)量減少。

圖2 圖像編碼步驟

此外，視頻具有單幀圖像所不具備的時間冗余特性，即幀間的相關(guān)性。利用這種冗余特性，通過幀間預(yù)測，對視頻進(jìn)行時間壓縮可進(jìn)一步減小視頻的數(shù)據(jù)量。通常將一組圖像序列里的幀分為三種：I幀（獨(dú)立幀）、P幀（前向預(yù)測幀）和B幀（雙向預(yù)測幀）。其中：I幀不依賴于其他幀編碼，實(shí)行幀內(nèi)編碼；P幀使用前向預(yù)測，依賴于之前最近的I幀或P幀編碼；B幀使用雙向預(yù)測，參考前后最近的I幀和P幀編碼。由于幀與幀之的間的依賴性，幀的傳輸順序和顯示順序有所區(qū)別，如圖3所示。由于B幀依賴于前后的I幀和P幀，因此B幀在其參考的I幀和P幀之后傳輸。當(dāng)圖像序列中有較多I幀時，視頻數(shù)據(jù)量較大，有較多B幀和P幀，則數(shù)據(jù)量較小。

圖3 三種幀的傳輸

基于IP流傳輸技術(shù)的視頻發(fā)送、接收原理框圖如圖4所示[4]：

圖4 基于IP流傳輸技術(shù)的原理框圖

視頻源傳出的視頻信號在編碼器中經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮編碼后再封裝成數(shù)據(jù)包，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇獯a器中經(jīng)過數(shù)據(jù)包解封裝后再解碼解壓，還原成視頻信號送至顯示設(shè)備。

1.3 視頻雙鏈路熱備傳輸設(shè)備

為提高視頻傳輸?shù)目煽啃裕瑢⒐饫w傳輸技術(shù)和IP流傳輸技術(shù)結(jié)合，設(shè)計視頻雙鏈路熱備傳輸設(shè)備，包括雙鏈路發(fā)送器和雙鏈路接收器。

雙鏈路發(fā)送器的組成示意圖如圖5所示。視頻源通過視頻輸入接口后，經(jīng)過視頻輸入單元送至視頻分配單元。視頻分配單元將視頻信號分為三路：一路送至視頻輸出單元，經(jīng)視頻環(huán)出接口接本地顯示設(shè)備；一路經(jīng)光纖發(fā)送單元轉(zhuǎn)為光脈沖信號，通過光纖傳至遠(yuǎn)端；一路經(jīng)視頻編碼單元轉(zhuǎn)為IP流，通過雙絞線輸出至遠(yuǎn)端。

圖5 雙鏈路發(fā)送器組成示意圖

雙鏈路接收器的組成示意圖如圖6所示。從光纖接口輸入的光脈沖信號經(jīng)過光纖接收單元，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為視頻信號。從RJ45口輸入的IP流經(jīng)視頻解碼單元轉(zhuǎn)為視頻信號。兩路視頻信號分別經(jīng)過信號檢測電路送至視頻選擇單元，信號檢測電路向處理器提供指示信息。處理器根據(jù)指示信息控制視頻選擇單元。當(dāng)某路視頻失效時，處理器控制視頻選擇單元輸出另一路視頻；當(dāng)兩路視頻均有效時，處理器根據(jù)默認(rèn)的優(yōu)先級選擇輸出視頻。視頻選擇單元選取信號檢測電路1和信號檢測電路2的視頻信號，送至無縫切換單元。無縫切換單元采用緩存幀的方法對視頻信號做無縫處理，以確保在某條鏈路信號丟失后，切換到另一條鏈路時顯示畫面的完整性。最后由視頻輸出單元，經(jīng)視頻輸出接口將視頻送至遠(yuǎn)端顯示設(shè)備。

圖6 雙鏈路接收器組成示意圖

視頻經(jīng)光纖和雙絞線同時傳輸，任意一路失效都不影響另一路，構(gòu)成雙鏈路熱備傳輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于上述視頻雙傳輸設(shè)備，結(jié)合視頻切換矩陣和網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)建的視頻系統(tǒng)連接如圖7所示。系統(tǒng)配置大路數(shù)視頻切換矩陣，接入多路工作站計算機(jī)視頻和攝像頭采集的場景視頻。對于關(guān)鍵的工作站計算機(jī)視頻和攝像頭視頻，采用具有不同視頻接口的雙鏈路發(fā)送器接入系統(tǒng)，比如接入工作站計算機(jī)視頻采用具有DVI接口的雙鏈路發(fā)送器；接入攝像頭采用具有SDI或HDMI接口的雙鏈路發(fā)送器。非關(guān)鍵工作站計算機(jī)視頻采用光纖發(fā)送器接入矩陣；非關(guān)鍵攝像頭直接通過同軸電纜接入矩陣。類似的，系統(tǒng)對外交互所接的視頻，如解碼器輸出的視頻可根據(jù)重要優(yōu)先級采用雙鏈路傳輸設(shè)備接入系統(tǒng)或直接接入矩陣。輸出至投影機(jī)、液晶大屏、對外交互解碼器的視頻均通過雙鏈路接收器顯示、傳輸系統(tǒng)接入的各類視頻。

圖7 系統(tǒng)連接示意圖

經(jīng)雙鏈路發(fā)送器傳輸?shù)囊曨l，一路通過光纖接入視頻矩陣的光口輸入板卡，另一路通過雙絞線接入由普通交換機(jī)構(gòu)成的音視頻局域網(wǎng)絡(luò)。雙鏈路接收器同時接收矩陣光口輸出的視頻和音視頻局域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l，從兩路視頻中優(yōu)選視頻輸出至各類顯示設(shè)備。當(dāng)視頻切換矩陣發(fā)生故障時，通過雙鏈路發(fā)送器傳輸?shù)囊曨l可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至雙鏈路接收器；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，通過雙鏈路發(fā)送器傳輸?shù)囊曨l可通過光纖經(jīng)由矩陣傳輸至雙鏈路接收器。

音視頻局域網(wǎng)絡(luò)中接入控制終端和集中控制主機(jī)便于集中管理和控制音視頻系統(tǒng)：集中控制主機(jī)連接各類受控音視頻設(shè)備，通過串口與視頻切換矩陣連接，向矩陣發(fā)送指令，并且通過網(wǎng)絡(luò)與控制終端交互；控制終端上安裝集中控制軟件，包括矩陣切換控制軟件和IP音視頻管理與調(diào)度軟件。軟件根據(jù)操作人員的動作同時切換矩陣和IP視頻的調(diào)度，確保雙鏈路接收器的兩條鏈路接收同一視頻源?？刂平K端上的軟件還可控制其他音視頻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)音視頻系統(tǒng)的一體化控制?？刂栖浖ǘ嘤脩艄芾砗腿罩竟芾恚憾嘤脩艄芾碇С謾?quán)限分級，不用用戶按級別賦予不同的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)人員、崗位的管理；日志管理可記錄、查詢用戶操作，做到操作可追溯。由此保證系統(tǒng)的使用安全性。

3 小結(jié)

光纖技術(shù)具有保密性好、傳輸距離長、不易受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，但是由于光纖的材質(zhì)為玻璃纖維，存在抗毀性差的缺點(diǎn)；IP流技術(shù)將視頻編碼通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸擴(kuò)展方便，且傳輸介質(zhì)為雙絞線，材質(zhì)是銅纜，抗毀性能好，但是IP流傳輸?shù)囊曨l經(jīng)編碼壓縮，會丟失圖像的高頻信息。上述設(shè)計融合兩種技術(shù)，取長補(bǔ)短，提高視頻系統(tǒng)的可靠性。并且，將視頻轉(zhuǎn)為IP流后可作為數(shù)據(jù)使用，與軟件結(jié)合產(chǎn)生更多的效能，而不僅僅是單一的展示、傳輸。比如，將音視頻信息IP化后，在綜合信息系統(tǒng)中的顯示終端增加音視頻記錄設(shè)備，可加大數(shù)據(jù)收集力度，形成和挖掘大數(shù)據(jù)[5]，產(chǎn)生更多效能。

實(shí)際使用中，可以雙鏈路傳輸設(shè)備的光纖傳輸為主，IP流傳輸為輔：當(dāng)正常使用時，顯示設(shè)備展示光纖傳輸?shù)臒o損視頻；當(dāng)矩陣失效或光纖鏈路受損時，自動切換到IP流視頻顯示，當(dāng)矩陣或光纖鏈路恢復(fù)工作時，又能自動切回光纖鏈路。雙鏈路接收器自動切換鏈路時，由于內(nèi)置的無縫切換單元，保證了視頻的連續(xù)性，切換過程對觀看者屏蔽，從而使觀看者無法覺察底層硬件的變化，提高了系統(tǒng)的可用性。

此外，在對畫質(zhì)要求高的場合可使用基于光纖和HDBaseT技術(shù)的雙鏈路熱備傳輸設(shè)備[6]。在該設(shè)備中，視頻也是通過光纖和雙絞線鏈路同時傳輸，但是通過雙絞線傳輸?shù)囊曨l不是IP流數(shù)據(jù)，而是遵循HDBaseT協(xié)議的數(shù)據(jù)流。因此，光纖鏈路與雙絞線鏈路傳輸?shù)囊曨l信號均為無損高清視頻信號，保證了顯示畫面的一致性。但由于HDBaseT技術(shù)的特點(diǎn)，通過雙絞線傳輸?shù)囊曨l信號不能通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸，而需具有HDBaseT接口的矩陣轉(zhuǎn)發(fā)，總傳輸距離限制在200米內(nèi)，擴(kuò)展性相對較差。

綜上，本文基于光纖技術(shù)和IP流技術(shù)設(shè)計的視頻雙鏈路傳輸系統(tǒng)，配合視頻切換矩陣和網(wǎng)絡(luò)使用，構(gòu)建的視頻冗余熱備傳輸系統(tǒng)相較于僅使用單臺矩陣的系統(tǒng)，大大提高了視頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性與容災(zāi)性。此設(shè)計已用于音視頻系統(tǒng)的工程建設(shè)中，為設(shè)計和建設(shè)會議場所、指揮控制中心的視頻系統(tǒng)提供參考。

[1]徐亮亮，武攀，王克育.基于AVB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化音頻系統(tǒng)設(shè)計[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2018.

[2]Fiber Optic Design Guide[Z].Extron Electronics.

[3]AV Streaming Design Guide[Z]，Extron Electronics.

[4]趙亮，李光，武攀.一種基于HDBaseT和IP流技術(shù)的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2016.

[5]張冬蓮.大數(shù)據(jù)音視頻記錄設(shè)備[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2013.

[6]武攀，沈良.一種高清視頻雙鏈路熱備傳輸設(shè)備.中國， 2018.