高清时代的视频会议系统

1高清时代的视讯系统摘要：高清时代的今天，文章介绍了高清视讯的定义及系统的组成，对高清视讯的关键技术进行了描述，介绍了高清视讯架构设计平台和高清视讯的设计方案，对未来高清视讯系统发展趋势进行了探讨。关键词：高清视讯、H.264、DSP、720P、1080P、MCU、视讯终端1概述随着广播电视数字化的发展，人们越来越关注电视图像的质量问题。300～500线的电视清晰度已不能满足需求，人们更多地在考虑如何在家中收看到有影院效果的电视节目，高清晰度电视（HDTV）的发展使人们看到了希望。HDTV电视机目前能支持的720P、1080P图像分辨率分别是传统电视D1分辨率的2倍与5倍。图像采用模拟信号的形式传输时，占用频带宽，损耗大，远距离传输有很大困难，因此图像进行远程传输时必须采用压缩的数字信号传输，并且传输图像清晰度越高所需要的传输带宽越高，但是实际用户网络的带宽是有限的，为了平衡图像清晰度与传输带宽的矛盾，必须寻找一种高效的压缩算法保证。ITU-T和ISO两个国际标准化组织的专家联合组成视频联合工作组（JVT，JointVideoTeam）制定的H.264编解码算法为以上情景的实现提供了保障。H.264相对以前的编码方法，在图像内容预测方面提高编码效率，采用可变块大小运动补偿、1/4采样精度运动补偿、加权预测等算法，改善图像质量，增加纠错功能和各种网络环境传输的适应性。测试结果表明，在中低带宽情况下，H.264具有比MPEG和H.263++更优秀的PSNR性能：H.264的PSNR比MPEG-4平均要高2dB，比H.263++平均要高3dB。图1各种编码算法效率对比可以看出，在图像编解码效率上，H.264算法最为领先，MPEG-4和H.263算法基本相同，MPEG-22算法效率最低。在同样的图像清晰度要求（PSNR-PowerSignal-to-noiseRatio，信号-噪声功率比）下，H.264所需要的带宽比MPEG-2节省将近一半。同样，不论在高带宽、还是低带宽，H.264的清晰度（PSNR值）都远远大于其他编码标准。宽带网络的迅速发展，线路资费的降低，户网络的带宽不断得到提高，光纤到楼也成为商务办公大楼新建或者改造宽带网络的一种常用选择，为用户开展高带宽业务提供了基础。视讯会议是利用电视和通信网召开会议的一种通信方式，“缩短”了与会代表的距离，使大家如同面对面一样地交流，节省用户的时间与财力。视讯会议是一种带有体验性质的直观的通信业务，画面的清晰程度直接会影响交流的效果，所以视讯会议的图像清晰度也紧随着编解码技术、业务承载带宽的不断发展而发展。视讯会议已经从CIF（标清）视讯发展到4CIF（高清）视讯阶段，进入了HD高清视讯会议阶段。2高清视讯系统定义高清视讯系统相对于以前传统会议系统在视音频效果上有一个质的飞跃，具有高度临场感和逼真感的视听效果，具备以下的技术特性：1、支持图像16：9的屏幕宽高比，这是高清图像基本特性，同时可以兼容4：3屏幕宽高比。2、支持1080P/30fps高清晰图像采集、传输与显示，与高清电视机分辨率发展能够匹配。3、目前市场上已经出现高清DVD，而会议中“演讲者+DVD”双流模式是一种合理的选择项，所以高清视讯系统可以支持双流1080P/30fps。4、普通计算机分辨率可以支持SXGA（1280╳1024）分辨率，高端计算机可以支持UXGA（1600╳1200）高清晰分辨率，由于视讯会议中经常会传送计算机桌面，因此高清视讯系统能够支持UXGA（1600╳1200）分辨率、兼容SXGA（1280╳1024）高清晰数据辅流图像采集、传输与显示。4、支持立体声的采集、传输与播放。3高清视讯系统构成视讯会议要实现高清效果，就要求从图像采集、图像编解码、多点控制单元、显示设备都能兼容高清特性：1、摄像机摄像机完成图像源图像采集与输出，采用支持总有效像素达200万的传感器，提供高清晰高分辨率的图像输出，分辨率支持1080/30P，提供高清图像信号输出接口如SDI。3图2摄像机示意图2、麦克风图3麦克风示意图麦克风为声音的采集设备，至少保证采集到人发出的80～3400Hz自然音。3、视讯终端高清视讯终端完成视讯会议视音频的编码与解码，应支持1080P/30fps活动图像的编解码，考虑到组网方便性，应向下兼容720P、4CIF活动图像的编解码。为提供优质的会议效果，支持UXGA（1600╳1200）高清晰数据辅流图像的编解码，兼容SXGA（1280╳1024）分辨率；支持16：9图像格式输出，兼容4：3图像格式；支持AES、AGC、ANS等技术及立体声的输出。视讯终端提供高清接口连接相关外设，如SDI、DVI（/HDMI/YPrPb）等接口。图4终端后面板示意图4、MCU要让多于2地会场（终端）使用高清的会议效果参与会议，需要高清MCU桥接所有与4会会场，MCU完成终端视音频信号的汇聚与分发。图5MCU示意图高清MCU支持支持1080P/30fps活动图像的编解码，支持UXGA（1600╳1200）高清晰数据辅流图像的编解码，支持多画面数字合成；支持会场声音的混音与发放。高清MCU同时支持CIF、4CIF、720P视讯会议系统接入，便于兼容用户前期建设的视讯网络。5、电视机电视机可以支持图像与声音的输出显示，电视机应该为HDTV，支持1080P分辨率，16：9的屏幕宽高比，应该配有支持最佳高清晰度信号的连接器，例如DVI、HDMI或者YPrPb连接接口。图6电视机示意图4高清视讯系统关键技术4.1高清晰度高清视讯支持1080P级图像效果，是传统电视机D1图像5倍效果，给人一种震撼感觉，5真正可以实现“面对面”的真实沟通效果。下表为各类图像格式对比：图像格式像素分辨率兆(像素)/图CIF352x2880.1014CIF704x5760.406720P1280x7200.9221080P1920x10802.074高清视讯提供的高清晰图像效果完全能满足远程伪钞辨别、毛细血管级手术示教等行业应用，各种物体、人物、部件细小的差别都能在远程屏幕上显示的淋漓尽致。图71080P图像效果示意图4.2高可用性从业务使用角度上来讲，高清视讯会议系统目的就是虚拟现实开会模式，对日常现实会议具有高度模拟性，提供的操作功能具有高度可用性，具有逼真日常会议的会场布置模拟能力。在会议中会议管理员可以统一通过高清MCU操作台控制会议进程，标识与会会场的角色，会议期间可以通过操作台下发模拟现实会场的相关动作：1、高清MCU操作台可以设置与会会场的会场名，能够替代日常会议或者普通会议电视需要在会场桌放置与会人员所属地卡片的做法；会场名可以根据需要放置在会场画面的右上角、左上角、右下角、左下角等位置，会场名可以随时被隐藏或者显示，字体、大小、主颜色及背景色可以被灵活设置。2、在开会期间用户可能会在会场布置横幅布条，突显会议的主题，高清MCU操作台内置的横幅功能能够模拟这种场景，在会场画面的上方模拟配置透明横幅，横幅可以随时被隐藏或者显示，字体、大小、主颜色及背景色可以被灵活设置。63、高清MCU操作台提供自由设置字幕功能，除了随时可以被隐藏或者显示，字体、大小、主颜色及背景色可以被灵活设置外，字幕可以设备自右向左或者自下向上滚动方式，配置快速、中速、低速、静止等滚动速度，配置滚动次数及时间。高清视讯会议系统字幕完全可以替代日常会议的黑板报通知功能。高清MCU操作台提供的以上功能可以满足用户的日常会场布置需要，不需要用户去额外采购会议辅助设备，节省会议费用。高清视讯会议系统提供的功能具有高可用行，能够极限模拟日常现实会议的动作，可以最大程度地为用户节省人力与财力。4.3高适应性在视讯网络建设中会碰到各种类型的运行网络环境：1、目前大部分视讯系统在IP网络中运行，在IP网络采用网络共享方式存在总多业务，势必导致很多网络异常产生，如丢包、乱序等，视讯网络必须解决异常网络自适应问题；2、由于地址匮乏IPV4网络启用推广了NAT特性，而视讯设备间通信信息都包含在报文中，致使NAT设备不能直接转化报文中的通信信息而导致视讯设备间穿越NAT设备产生的单通现象，因此视讯设备间通信需要解决NAT穿越需求；3、像电力、公安用户由于历史原因，会存在自建光纤网络，提供E1承载线路，所以视讯设备必须解决IP/E1并存组网问题；4、国内多家运营商运营基础网络，用户单位总部会基于接入稳定性考虑同时引入两家或者以上的网络出口，这样就产生有名“南北互通”网络接入需求，视讯网络应该适应这类“南北互通”接入网络；5、政府的电子政务网由于安全考虑，其内外网是隔离网络，所以视讯系统能提供两隔绝网络同时接入终端的方案。高清视讯系统必须能够适应以上各种网络，具有高度的网络自适应功能，其接入模块满足以下的接入模型，有效解决碰到的以上各种网络情况：7图8网络接入模块模型网络接入模块支持多种类型线路接口，至少包括IP、E1的，所有线路接口可以同时运行，各种IP/IP/E1接口间相互独立，接口间不能路由互通，防止非法数据从一个接口侵入到另外一个接口。IP接口提供NAT穿越自适应模块支持自动NAT穿越功能。“QOS/网络异常自适应模块”可以解决网络丢包、乱序等异常场景，确保网络在遭遇异常时视讯会议还能够正常运行。4.4高可靠性视讯会议系统是直接与用户面对面交互的媒体设备，在会议期间需要不间断稳定运行，特别在特殊行业特殊场景如奥运安保工程需要7*24小时不间断地运行，所以设备高可靠性是视讯会议系统一个最基本特性。高清视讯设备从硬件设计上确保支持多级备份机制，确保系统在检测到某单元模块在疲劳运行或者出现异常时可以切换到备用设备上继续可靠稳定进行：图9多级备份设计示意图从软件设计角度上看，软件采用高度模块化设计，减少模块间偶合性，提高系统可靠性；软件运行操作系统采用稳定性高的实时嵌入式操作系统：图10软件设计示意图5高清视讯系统设计技术85.1高清视讯架构设计平台在视讯会议系统的架构设计平台有以下几种成熟模式：1、PC/工控机架构设计平台在视讯会议发展初期，嵌入式硬件设计架构没有被引入到视讯会议领域时采用工控机X86处理器（可以是单核或多核的）架构设计模式，其优点是成本较低，开发设计灵活，开发人员能够直接获取到的开放源码资源丰富，开发周期短，所以这种设计模式到目前还有存在空间。但是其存在一些无法克服缺点，指令处理速度慢，多业务共用处理及高达几百瓦的高功耗，容易造成稳定性低，所以总体设备性能差，扩展能力弱，不适合于召开大型或者长时间运行会议。2、ASIC+CPU架构设计平台采用这种设计架构时视频编解码算法固化在ASIC上，这样带来的直接好处是设备视频编解码运算速度快，由于固化有视频算发的ASIC芯片一般由独立第三方专业厂家提供，所以相对于视讯会议开发厂家来说可以相对缩短产品开发周期。ASIC芯片是采用硬件实现的视频编解码器，性能和功能固定，一般只能实现特定的压缩格式，所以灵活性较差，产品一旦定型，很难更改，具有系统单一化的缺点，无法灵活增加客户的多样化需求，后期维护成本高。目前视讯会议经常需要与其它厂家进行互联互通，很可能会涉及视频编解码的修改，这样的场合基于ASIC设计方案无法满足用户互通要求。3、DSP+CPU架构设计平台这种设计模式中CPU实现视讯会议协议指令处理，DSP实现视频编解码算法运算及图像组合处理。上世纪八十年代初推出DSP芯片，最初的DSP处理能力有限，主要应用在于数据通信和语音处理领域。随着技术的飞速发展，九十年代DSP技术在无线通信领域如GSM应用中获得了巨大的成功，并开始全面拓展到其它应用领域，逐渐在宽带通信、数字控制、数字音频、数字视频等市场上开始占居主角。在DSP平台上进行视频产品开发具备以下几方面的优势：第一，算法是软件代码，所以可以不断对产品性能进行升级，重复开发成本较低，可灵活增加对客户的多样性支持，支持用户个性化功能开发开发；第二，DSP综合功能处理能力强，除了实现视频编解码外，能够适应应用的需要，可以提供很多视频专用功能，比如视频滤波、De-interl