高清視頻會議系統(tǒng)在遼寧氣象服務中的應用①

張元龍,趙 威,陳 雨,張旭陽,王 帥

(遼寧省氣象信息中心,沈陽 110166)

多媒體通信技術的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的文字和語音的交流方式正在因科學技術的發(fā)展而發(fā)生著巨大的變化,人類的生產生活與聲音和圖像的傳遞越來越密切.而高清視頻會議系統(tǒng)能夠實現(xiàn)聲音和圖像的實時遠距離傳輸,已經(jīng)發(fā)展成為不可或缺的溝通和交流方式,為人們提供一種簡單、快捷,高效的異地交流的手段,更接近于面對面交流的真實體驗[1].

高清視頻會議系統(tǒng)在氣象部門發(fā)揮著越發(fā)重要的業(yè)務應用位置,是氣象部門防災減災、提高天氣預報準確率和提高工作效率的有力支撐.近些年來,氣候變化和氣象災害對社會和經(jīng)濟發(fā)展的影響越來越大,氣象服務的深度和廣度也逐漸增大,人們對高質量氣象服務的需求急劇上升,更加需要高質量的業(yè)務服務支撐體系,以更好的服務社會.目前氣象科技服務已延伸至交通、旅游、航空,水利,農業(yè)、軍事等多個行業(yè)和領域[2].

隨著業(yè)務的發(fā)展需要和先進技術的引進,高清視頻會議系統(tǒng)設備體系更加龐大復雜,出現(xiàn)問題的幾率不斷加大,同時也增加了日常維護的難度.本文對遼寧氣象高清視頻會議系統(tǒng)架構、系統(tǒng)組成以及實現(xiàn)該系統(tǒng)視音頻功能的關鍵技術進行了分析,同時結合業(yè)務發(fā)展需要,新建移動終端視頻會議接入系統(tǒng),最后以我省高清視頻會議系統(tǒng)的音頻故障為例,創(chuàng)建音頻故障樹,運用故障樹分析法對該系統(tǒng)音頻的穩(wěn)定性進行了定量和定性分析.

1 系統(tǒng)構成

遼寧省氣象局的高清視頻會議系統(tǒng)是基于多媒體通信技術,以遼寧省氣象信息中心視頻會議操控臺為控制中心,覆蓋全省14個市氣象局、65個縣氣象局,以及環(huán)保局,沈陽農業(yè)大學,水利廳等同城用戶,具備實時傳輸視頻、音頻和發(fā)言主機輔流信號的功能.該系統(tǒng)是建立在集團廣域網(wǎng)內部的應用[3],承載著天氣預報會商業(yè)務交流、區(qū)域氣候會議、氣象應急服務、遠程教育培訓以及其他國家級,省級的臨時電視電話會議等業(yè)務,尤其在每年汛期、重大災害性天氣過程中以及氣象應急保障中發(fā)揮巨大作用.圖1是遼寧省氣象局高清視頻會議系統(tǒng)架構圖,該系統(tǒng)由省級控制中心主控,由7個省級分會場、4個同城用戶分會場、14個市級分會場以及局機關會場組成.基于IP網(wǎng)絡,采用高清視頻會議終端背靠背轉播、MCU逐級級聯(lián)(即市級MCU呼入省級MCU,縣級終端呼入所在市級MCU)的方式,能夠實現(xiàn)對中國氣象局組織召開的各類視頻會議進行收聽、收看和轉發(fā)功能,同時也能夠召開全省省-市-縣三級的高清視頻會議,實現(xiàn)實時的不同會場之間多媒體數(shù)據(jù)流雙向互通.該系統(tǒng)全年365天不間斷運行,目前已建成全省的省-市-縣三級高清視頻會議系統(tǒng),可以提供高清1080P@60F的視頻圖像.

1.1 省級控制中心

省級控制中心由兩臺互為冷備的華為ViewPoint 8650多點控制單元(Multipoint Control Unit,MCU)、兩臺背靠背連接的轉會終端、一臺配有會議管理平臺的服務器、抓包服務器,錄播服務器、電視墻服務器、大屏拼接處理器,一臺光纖矩陣共同組成.會議管理平臺服務器負責召集、管理及結束等會議管理控制功能,實現(xiàn)系統(tǒng)資源統(tǒng)一調度;MCU主要負責不同會場之間碼流的處理和轉發(fā),具有超強的組網(wǎng)能力和強大的動態(tài)速率、協(xié)議適配能力,實現(xiàn)不同會場之間多媒體數(shù)據(jù)流的交互,其最大接入帶寬達到512 MB,支持1080 P分辨率的視頻碼流以及最高8 MB的會議帶寬;背靠背連接的轉會終端,可以將國家級召開的視頻會議轉發(fā)給省級其他會場以及市縣級會場收聽收看;抓包服務器負責抓取省內(省級會場和市級會場)分會場的主流畫面,便于監(jiān)控各分會場的主流畫面信息;電視墻服務器和拼接屏處理器負責電視墻圖像的處理和顯示;錄播服務器對召開的會議進行實時錄制;光纖矩陣負責不同的視頻信號之間的切換.

圖1 遼寧省氣象局高清視頻會議系統(tǒng)架構圖

1.2 各級分會場

省級分會場主要有兩臺背靠背轉會終端,4個直屬單位視頻終端以及一個會議室視頻終端組成;同城用戶分會場由環(huán)保局,農業(yè)大學等4個單位組成;在各市級分會場分別配有滿足其會議能力的MCU,負責管理所管轄縣局的視頻終端,具備同省級進行MCU逐級級聯(lián)召開會議的能力[4].局機關分會場由5個視頻終端組成.在召開視頻會議時,各分會場的視頻終端基于IP網(wǎng)絡通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)呼入省級控制中心MCU,各會場之間的音頻、視頻及雙流信號通過視頻終端編解碼后,使其在網(wǎng)絡中傳輸至省級MCU進行轉發(fā)處理.

1.3 移動視頻會議系統(tǒng)

在應急氣象服務中,如何能夠及時、準確獲得突發(fā)事件現(xiàn)場的實時情況,是需要急需解決的問題.近些年來,3G、4G通信技術迅速發(fā)展,其網(wǎng)絡傳輸帶寬逐漸加大,流量資費逐漸降低,如果能夠依靠3G、4G網(wǎng)絡信號,將突發(fā)事件現(xiàn)場的災害情況及時反饋到省級會場,這將大大增加我們在應急事件處理中的主動性.圖2是遼寧氣象移動終端接入視頻組網(wǎng)連接架構圖.該系統(tǒng)主要由融合服務器(RPRM和DMA)、智能移動終端RPM、互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關RPAD以及一臺POLYCOM MCU設備組成.

圖2 遼寧氣象移動終端接入視頻組網(wǎng)連接架構圖

省級控制中心利用融合服務器來集中配置、監(jiān)視和管理整個視頻協(xié)作網(wǎng)絡,該服務器支持GK和SIP server功能;安全接入網(wǎng)關是內外網(wǎng)絡穿越系統(tǒng),支持H.323和SIP協(xié)議;智能移動終端RPM安裝POLYCOM手機終端軟件.當應急服務現(xiàn)場具有3G、4G或WiFi無線網(wǎng)絡信號時,省級MCU 8650與POLYCOM MCU級聯(lián),RPM利用省級操控中心下發(fā)的用戶名和密碼,通過RPAN即可將應急服務現(xiàn)場的畫面實時傳輸至POLYCOM MCU,進而可以在省級控制中心大屏顯示,不僅有利于值班領導能夠第一時間獲得應急服務現(xiàn)場的信息,更加有利于領導根據(jù)現(xiàn)場的實時情況做出重要批示,增加我們在應急事件處理中的主動性.

1.4 省級控制中心音視頻功能的實現(xiàn)

省級控制中心具備處理,中轉傳輸和切換與會會場之間音頻、主流信號和輔流信號的功能.系統(tǒng)的主流信號采集部分采用70寸4×6大屏顯示系統(tǒng)用于會議調度和主流畫面監(jiān)控顯示,配有一臺48×48的光纖矩陣用于視頻信號的切換顯示,同時配有對與會會場主流信號數(shù)據(jù)流進行抓取的抓包服務器,抓取MCU中參會會場的主流畫面;值班員通過中控主機對光纖矩陣的輸入、輸出信號進行控制切換,進而將與會會場的主流視頻信號投放在大屏顯示系統(tǒng)中顯示.系統(tǒng)的音頻部分利用調音控制臺將會場的多路輸入信號進行放大、混合、分配和音響效果加工,調音控制臺的聲音輸出一部分回傳給視頻會議終端,另一部分聲音輸出到兩臺數(shù)字音頻處理器,數(shù)字音頻處理器的另一端外接8個功放,供省級控制中心音頻擴音.

2 關鍵性技術應用

隨著互聯(lián)網(wǎng)帶寬的增加以及多媒體處理技術的發(fā)展[5],視頻會議變得越來越吸引人,高清視頻會議已經(jīng)成為主流.我省的視頻會議系統(tǒng)遵循國際標準和國內外有關編碼規(guī)范要求,滿足先進性、標準化、安全可靠、靈活擴展、易操作的設計原則[6],是一種基于IP分組交換網(wǎng)絡召開會議的方式,它不僅能夠實時傳遞與會代表之間的聲音和圖像,而且還可以傳遞文件和圖表等信息[7],它是將音頻、主流和輔流信號在IP網(wǎng)絡中進行轉發(fā).因此,整個視頻會議系統(tǒng)涉及到視頻、音頻和圖像處理等技術,以及在通信系統(tǒng)中應該遵循的協(xié)議和標準.

2.1 通信標準

在分組交換網(wǎng)絡中,H.323和SIP是當前應用最廣泛的兩種多媒體會話信令協(xié)議[8].早在1996年ITUT(國際電信聯(lián)盟)就通過了H.323協(xié)議[9],它是集音頻、視頻、媒體終端控制及數(shù)據(jù)應用等幾方面協(xié)議組成的一組協(xié)議集,H.323發(fā)展至今在與傳統(tǒng)電信體系互聯(lián)、互通方面技術發(fā)展比較成熟,應用也很廣泛[10,11].基于H.323協(xié)議的多媒體通信系統(tǒng)由終端、網(wǎng)關、網(wǎng)守以及多點控制單元(MCU)等不同的角色組成,體現(xiàn)了一種集中式、富有層次式的控制模式,其中多點控制單元(MCU)主要負責視頻會議中眾多參與者之間視頻,音頻和數(shù)據(jù)流的分發(fā)和處理[5],網(wǎng)守主要完成呼叫的控制、媒體傳輸控制功能等.而SIP協(xié)議標準是由IETF (因特網(wǎng)工程任務組)在1999年推出的,它不需要大量的協(xié)議配合就能控制現(xiàn)有的網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)多媒體互通,它采用Client/Server結構的消息機制,在風格上遵循簡練、開方、兼容和可擴展的原則,體現(xiàn)出一種分布式分控制模式.SIP協(xié)議最大的優(yōu)點是簡單;和SIP協(xié)議相比,H.323在可靠性方面支持中間實體故障處理的能力,在服務質量方面支持視頻終端的集中管理和控制的功能,而不是依賴于別的協(xié)議;同時,結合我省業(yè)務的運行實際情況,遼寧氣象高清視頻會商系統(tǒng)是一個大型的會議系統(tǒng),需要集中管理和控制,因此遼寧高清視頻會議系統(tǒng)采用H.323通信標準.

2.2 圖像編碼技術

在高清視頻會議系統(tǒng)中,如何選取適合的視頻編解碼技術標準是非常關鍵的.當前比較主流的視頻編解碼技術標準有H.265、H.264、H.263、MPEG-4和MPEG-2等,都是基于塊的混合編碼[12].H.265是目前最新的視頻編解碼標準,相比于其他的視頻編碼標準,H.265明顯改善了視頻壓縮效率[13],針對其更高的計算復雜度,提出了幀內預測硬件加速算法[13,14].H.264同其他三種視頻編解碼技術標準相比,基本功能沒有變化,但是在運動補償方面通過率失真優(yōu)化來選擇不同的塊尺寸改善運動精度(可以達到1/4像素的精度),提高圖像質量和編碼效率;幀內預測是用鄰近塊的相關性預測當前塊和實際塊的殘差被編碼,以消除空間冗余;H.264編碼視頻流與H.263或MPEG-4編碼視頻流相比,平均可節(jié)省39%的比特率[15].通過對比以上幾種視頻編解碼技術標準,在編碼效率上H.264算法最領先[16],并且在較低的帶寬條件下就可以保證視頻的傳輸質量,這也是我省高清視頻會議系統(tǒng)目前所采用的視頻壓縮技術標準.

ISO (國際標準化組織)與ITU-T (國際電信聯(lián)盟)等組織在2010年成立了聯(lián)合組織,就數(shù)字視頻壓縮技術H.264的某些技術進行了升級,提出了H.265,其宗旨是只需要消耗原來的一半帶寬即可獲得同質量的視頻[17].在2013年2月,ITU正式通過了HEVC/H.265(高效視頻編碼,High Efficiency Video Coding)標準,圖3是Grois等[18]對H.265/MPEG-HEVC,VP9和H.264/MPEG-AV-C編碼器性能(兩種不同的應用場景進行對比,兩種場景的畫面分辨率分別是2560×1600,30 fps和1920×1080,24 fps)進行的對比分析,發(fā)現(xiàn)H.265編碼器的效率更高,在較低的帶寬下即可獲得同等的視頻質量.從H.264向H.265升級是信息技術和時代發(fā)展已經(jīng)成為一種必然趨勢,比如現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的4K電視、HUAWEI TX50等終端產品已經(jīng)支持H.265技術標準,它提供給用戶無可比你的音視頻效果,帶去更加優(yōu)質的視頻會議體驗.

圖3 H.265/MPEG-HEVC,VP9和H.264/MPEG-AVC編碼器性能對比分析[18]

2.3 音頻標準

針對高清視頻會議系統(tǒng),保證視頻,音頻以及圖像的傳輸質量是十分重要的.有人會說視頻比較重要,其實視頻會議中,我認為音頻的傳輸質量更重要.在一次視頻會議中,與會者之間的交流主要是通過音頻對話實現(xiàn)的,因此,音頻的編解碼和傳輸保障是多媒體關鍵技術的重要特征之一.表1是不同的音頻編解碼器性能對比分析表.我省視頻會議系統(tǒng)MCU采用的音頻協(xié)議是G.722-64 k,目前完全可以滿足當前業(yè)務的需求.G.722音頻協(xié)議采用16 kHz的音頻采樣頻率,7 kHz頻寬,48、56和64 kbit/s三種傳輸速率,其延時和誤碼率低,質量較好,音質可達到調幅廣播音質.

表1 不同的音頻編解碼器性能對比分析

人耳所能感知的自然界的頻響能力可以達到20 Hz～20 kHz,由于G.711,G.722和G.728等音頻標準的頻寬限制,在對視頻會議現(xiàn)場音頻的還原過程中過多的音頻信息的丟失造成了無法真實還原會議現(xiàn)場的情況,對音頻質量影響最大的是丟包率,時延和抖動.為了解決以上問題,AAC_LD (Advanced Audio Coding Low Delay,高級音頻編碼低延遲規(guī)格)音頻標準的誕生,其低帶寬、低延遲和高質量的特點使高清視頻會議過程中的音頻更加近于完美,能夠達到高保真CD音質.

3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

高清視頻會議系統(tǒng)在氣象服務體系中扮演著不可或缺的重要角色,且該統(tǒng)設備較多,可能的故障點和種類多,因此保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關重要.而故障樹分析法,簡稱FTA (Fault Tree Analysis),它是由貝爾電話實驗室的H.A.Watson在1961年提出的,是一種分析、判斷系統(tǒng)的可靠性和可用性的重要方法,它是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖,是故障事件在一定的條件下發(fā)生的邏輯規(guī)律,能夠清晰的說明系統(tǒng)是怎樣失效的[19],反映出系統(tǒng)發(fā)生故障這一事件的各種直接原因和間接原因,故障樹分析法在油氣管道傳輸[20]、評估電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[21,22]方面有很多的應用.接下來以我省高清視頻會議系統(tǒng)的音頻信號故障為例,運用故障樹分析法,對該系統(tǒng)音頻信號的穩(wěn)定性進行定性和定量的分析.

3.1 故障樹的建立

對高清視頻會議系統(tǒng)的組成原理和故障特點了解的越充分,越有利于故障樹的建立.我省高清視頻會議系統(tǒng)主要是基于傳輸寬帶網(wǎng)絡,通過MCU、視頻終端、光纖矩陣、電視墻服務器和DLP拼接屏處理器等硬件設備,將不同會場之間的多媒體信息流進行交互的.視頻會議系統(tǒng)中的多媒體信息流包括視頻(本文指輔流信號)和音頻信號兩個部分,與視頻信號相比較,音頻信號可以為與會者提供更好的交流互動平臺,更加有利于表述己方的觀點.因此,我們以視頻會議系統(tǒng)的音頻信號故障為例進行故障樹分析,將音頻信號故障作為故障樹的頂事件,根據(jù)我省視頻會議系統(tǒng)架構的實際情況,構建我省視頻會議系統(tǒng)音頻信號故障樹如圖4所示,其中聲音故障作為該故障樹的頂事件,找出導致頂事件發(fā)生的全部可能原因即中間事件,再找出導致中間事件發(fā)生的全部可能原因即底事件.

3.2 故障樹的定性分析

對故障樹進行定性分析,主要是尋找故障樹的全部最小割集,找到最小割集能夠全面了解系統(tǒng)相應故障發(fā)生的各種可能情況,了解系統(tǒng)正常運行的可靠性大小,同時也可以為故障預防和處理提供依據(jù).本文采用上行法進行分析,即從最末的底事件一級起,繼而將上一級中的事件用最末一級的事件和本級中的有關的基本事件表示,如此向上運算,直到最上一級.在圖4中,各事件相互獨立,都有或門構成,頂事件用T表示,按照該原則,便可得到整個故障樹頂事件、中間事件和底事件之間的表達式如式(1)–式(6)所示:

利用式(1)–式(6)的進一步推算,即可得出式(7),如下所示:

從式(7)可以看出,該故障樹的最小割集為{S1},{S2},{S3},{S4},{S5},{S6},{S7},{S8},{S9},{S10},{S11},并且最小割集均為一階,說明一個底事件發(fā)生就可以引起頂事件發(fā)生,故障發(fā)生的可能性比較大.

圖4 我省視頻會議系統(tǒng)音頻信號故障樹

3.3 故障樹的定量分析

故障樹的定量分析就是對該系統(tǒng)進行量化分析,分析不同最小割集的重要程度,同時可以間接估算頂事件發(fā)生的概率.最小割集之間相互獨立,頂事件發(fā)生的概率公式如式(8)所示:

其中,PT是頂事件發(fā)生的概率,PSi是最小割集發(fā)生的概率,為最小割集均不發(fā)生的概率乘積,n為最小割集的個數(shù).假設圖4中各個底事件發(fā)生概率均為0.01,則該系統(tǒng)故障樹頂事件發(fā)生的概率PT=0.105.但是實際上音頻發(fā)生故障原因的基本事件發(fā)生的概率是不同的,發(fā)生概率比較高的事件是{S8}和{S9},即連接MIC的接線松動和不經(jīng)意碰到中控主機致使功放靜音,導致故障樹頂事件的發(fā)生,假設這兩次事件發(fā)生的概率為0.02,則頂事件發(fā)生的概率PT=0.123,頂事件發(fā)生的概率增加了,所以這兩點可作為日常處理音頻故障檢查的重點,有利于更有效的減少故障率.

4 結術語

遼寧省級高清視頻會議系統(tǒng)在氣象服務體系中發(fā)揮著至關重要的作用,該系統(tǒng)已經(jīng)成為我省氣象部門防災減災、提高天氣預報準確率和提高氣象服務質量的有力支撐.該系統(tǒng)依托全國及全省氣象廣域網(wǎng)絡,承擔國家級及全省級的各類技術培訓、異地交流以及行政會議等工作,不但減少了工作人員的舟車勞頓,還有利于提高了工作效率.同時,我省新建的移動終端接入視頻組網(wǎng)系統(tǒng),使得在應急氣象服務中更加靈活、便捷的了解災害現(xiàn)場的實時情況,有利于領導決策、部署下一步工作任務提供依據(jù).此外,對我省高清視頻會議系統(tǒng)整體架構分析,深入探討視音頻的技術標準,并以該系統(tǒng)的音頻信號故障為例,運用故障樹分析法對我省高清視頻會議系統(tǒng)的音頻故障進行了定性和定量的分析,這不僅增加我們對該系統(tǒng)更深層次的了解,還為今后故障應急和處理打下了堅實的基礎,進而有利于減少音頻故障.