黃天發(fā)　李瑞勤　黃鵬飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

高清視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃天發(fā)李瑞勤黃鵬飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

闡述了高清視頻會(huì)議的組網(wǎng)方法，給出一種基于MB86H51高清實(shí)時(shí)編解碼技術(shù)的視頻終端設(shè)計(jì)方法和MCU的設(shè)計(jì)。從硬件和軟件兩個(gè)方面，依次詳細(xì)描述了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

高清視頻會(huì)議；MB86H51；MCU；混音

1　引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與視音頻技術(shù)的不斷發(fā)展，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議系統(tǒng)的構(gòu)建中，相對于標(biāo)清視頻系統(tǒng)來說，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)在視頻和音頻效果上有著質(zhì)的變化，加之高清視音頻系統(tǒng)設(shè)備采購價(jià)格的逐步降低，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)在各行業(yè)用戶中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。MPEG.4 AVC/H.264通常簡稱為H.264。由于其具有強(qiáng)大的壓縮比、低位碼速率、復(fù)雜的程序及與通信應(yīng)用高度整合的能力，已經(jīng)成為影音數(shù)碼產(chǎn)品必備的功能及標(biāo)準(zhǔn)格式。

本文提出的高清視頻會(huì)議系統(tǒng)，是基于電信等傳輸公網(wǎng)，將遠(yuǎn)端聲音圖像同步傳輸至近端，作為一個(gè)系統(tǒng)它具有完整的網(wǎng)管系統(tǒng)，能獨(dú)立、靈活控制本系統(tǒng)中聲音和圖像傳輸。視頻會(huì)議系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程電視電話會(huì)議、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面有著廣泛的應(yīng)用。

2　 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

典型的視頻會(huì)議系統(tǒng)一般由會(huì)議終端、通信鏈路、多點(diǎn)控制單元（MCU）及網(wǎng)管組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。公網(wǎng)是系統(tǒng)的通信鏈路，在本系統(tǒng)中鏈路選擇2M信號，2M信號比IP信號延時(shí)小，且延時(shí)相對固定，而IP信號組網(wǎng)靈活，但延時(shí)較長且不固定，對實(shí)時(shí)性要求低。各個(gè)會(huì)場一般包括高清視頻會(huì)議終端和視音頻輸入/輸出設(shè)備及可選的視音頻切換矩陣；MCU（多點(diǎn)控制單元）實(shí)現(xiàn)對整個(gè)會(huì)議系統(tǒng)的管理，包括廣播會(huì)議，點(diǎn)對點(diǎn)會(huì)議和輪詢等。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離高清視頻通話，真正滿足于企業(yè)和政府等領(lǐng)域的需要。

圖1　視頻會(huì)議系統(tǒng)典型應(yīng)用框圖

2.2高清視頻會(huì)議終端設(shè)計(jì)

視頻會(huì)議終端采用富士通公司的MB86H51半雙工視頻壓縮編解碼芯片，該芯片工作功率低、外形尺寸小，處理數(shù)字視頻速度快，采用H.264/AVC 標(biāo)準(zhǔn)對視頻進(jìn)行壓縮、解壓縮，最大可支持1920x1080分辨率的高清視頻，編碼數(shù)據(jù)速率最大為20Mbit/秒。

綜合控制模塊芯片采用飛思卡爾MPC860芯片作為主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對終端的控制。該主機(jī)通過數(shù)據(jù)總線和地址總線異步模式連接到MB86H51的主機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)對MB86H51的初始化配置，及訪問內(nèi)部寄存器。

芯片MB86H51的碼流接口支持符合ISO/IECl3818.1和Amd3標(biāo)準(zhǔn)的MPEG.TS碼流編解碼，數(shù)據(jù)每包長192字節(jié)，即一個(gè)4字節(jié)的時(shí)間戳頭加上數(shù)據(jù)包（188字節(jié)）的長度。該碼流經(jīng)過FPGA封裝打包，可選擇的封裝成E1包，連接到電信運(yùn)營商傳輸網(wǎng)，傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的MCU；同時(shí)由遠(yuǎn)端來的E1信號經(jīng)拆包后，還原為MPEG.TS碼流，進(jìn)入MB86H51解碼成SMPTE 274格式給視頻D/A芯片，最后輸出高清視頻信號，高清視頻接口可選擇：HD.SDI、HDMI、YPBPR或CVBS S-VIDEO。

具體原理框圖如圖2所示。

圖2　視頻會(huì)議終端原理框圖

圖3　MCU原理框圖

高清視頻會(huì)議終端的工作流程：

（1）編碼器工作流程

①設(shè)備剛上電時(shí)，先復(fù)位所有芯片，編碼板處于空閑狀態(tài)。等待用戶設(shè)置工作狀態(tài)，編碼參數(shù)。

②給MB86H51下載bootloader。

③通過I2C配置視頻A/D和D/A芯片，將選定的視頻通道打開，根據(jù)選定的打開通道使相應(yīng)的視頻輸入器件工作起來。

④通過數(shù)據(jù)總線和地址總線配置MB86H51的內(nèi)部寄存器，發(fā)送開始編碼的指令。

⑤向MB86H51標(biāo)準(zhǔn)板請求狀態(tài)信息。

⑥判斷MB86H51編碼板是否真的進(jìn)入到編碼狀；如果是，則系統(tǒng)開始正常工作。

需要注意的一點(diǎn)是：編碼通道上器件的開啟流程，先讓視頻輸入芯片工作起來，然后打開視頻通道，最后再啟動(dòng)MB86H51編碼。因?yàn)镸B86H51只有在接收到正確的視頻信號之后才能進(jìn)行編碼。

（2）解碼器工作流程

解碼流程和編碼流程相類似，可以和編碼流程同步進(jìn)行。

2.3MCU （多點(diǎn)控制單元）設(shè)計(jì)

MCU是視頻會(huì)議的核心組成部分，也稱視頻會(huì)議服務(wù)器，可以說它是視頻會(huì)議的大腦。所有終端都要通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接到MCU，為用戶提供群組會(huì)議、多組會(huì)議的連接服務(wù)。MCU主要由網(wǎng)管單元，音頻混合單元，視頻音頻信號分配、交換單元構(gòu)成。

網(wǎng)管單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各臺設(shè)備的管理和對主控設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置；音頻混合單元主要功能包含32路音頻信號混合后再分配。音頻信號混合后再分配是指32個(gè)送到主控設(shè)備的音頻信號經(jīng)過選擇某幾路音頻進(jìn)行混合后再分配給相應(yīng)的解碼器輸出；32路E1視頻音頻信號分配、交換，是根據(jù)網(wǎng)管信息對視頻音頻信號及其它數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分配、交換。

本系統(tǒng)中一臺MCU容量為32終端，當(dāng)終端數(shù)目超量時(shí)，單機(jī)無法提供所有用戶接入，可通過MCU級聯(lián)的方式擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)能力，在網(wǎng)絡(luò)中最上一級的MCU稱為主MCU，其下接從MCU，從MCU下還可以再接從MCU，以滿足更多終端同時(shí)加入會(huì)議的需要。其原理框圖如圖3所示。

2.4數(shù)字音頻混合

音頻混合是視頻會(huì)議系統(tǒng)中的重要功能。當(dāng)物理上多個(gè)聲源同時(shí)發(fā)出聲音時(shí)，傳入人耳的聲音是來源于這些聲波的直接相加。模擬混音則是當(dāng)多個(gè)音頻源同時(shí)播放時(shí)，入耳聽到的聲波是各個(gè)聲源聲波的線性疊加。同時(shí)，數(shù)字語音的混音也是可以將多個(gè)聲源信號按照某種規(guī)則進(jìn)行疊加的?；煲羰侵赣梢粋€(gè)輸出設(shè)備播放出多個(gè)音頻流，即提供一個(gè)多輸入單輸出的語音通道。線性疊加飽和混音實(shí)現(xiàn)簡單、快速、效率高，本系統(tǒng)采用DSP技術(shù)進(jìn)行混音，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，容量大，方便升級。

（1）線性疊加

若有N路音頻數(shù)據(jù)需要進(jìn)行混音處理，混音的時(shí)候，需要屏蔽某一路自己的本地音頻數(shù)據(jù)，這樣就不會(huì)聽到本地的自己的聲音，只能聽到其他N-1路的聲音，也就是說，對于第t路音頻，要發(fā)送給這個(gè)終端t的混音后的數(shù)據(jù)如公式（1）所示：

其中mixing［i］為混合后一幀中的第i個(gè)樣本，input［i，j］為j個(gè)用戶的第i個(gè)樣本，n為一幀的樣本數(shù)目，N為終端個(gè)數(shù)。

（2）溢出判斷與平滑處理

箝位算法實(shí)現(xiàn)簡單，當(dāng)發(fā)生上溢時(shí)，箝位以后的值為其所能表示的最大值，當(dāng)發(fā)生下溢時(shí)，筘位后的值為其所能表示的最小值，如式（2）所示：

箝位的最大值和最小值受語音數(shù)據(jù)精度的限制，本系統(tǒng)中音頻采用8 bit的A/D芯片，一般來說最大值判斷高4位是否為全1，最小值判斷低3位是否為全0即可。

3　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括MCU的嵌入式底層設(shè)計(jì)和操作界面的網(wǎng)管軟件上層設(shè)計(jì)。底層軟件主要實(shí)現(xiàn)視頻的切換、音頻混合、輪詢、點(diǎn)播和告警等功能。上層網(wǎng)管控制軟件的設(shè)計(jì)采用Windows應(yīng)用程序+后臺數(shù)據(jù)庫模式，設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。上層軟件和底層嵌入式軟件是基于SNMP網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議通信。其中SNMP協(xié)議采用“管理者—代理”的工作模式，管理者為PC端控制軟件，代理為MCU的網(wǎng)管單元。SNMP通信組件通過管理信息庫（MIB）的OID來指定要訪問的數(shù)據(jù)項(xiàng)，負(fù)責(zé)發(fā)出用于采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)的Get消息和用于控制設(shè)備執(zhí)行指定的動(dòng)作的Set消息，網(wǎng)管單元負(fù)責(zé)執(zhí)行控制軟件的命令；另外，網(wǎng)管單元也可以將設(shè)備中發(fā)生的事件通過Trap消息及時(shí)上報(bào)。SNMP通信組件接收到SNMP消息后傳遞給數(shù)據(jù)采集進(jìn)程，由數(shù)據(jù)采集進(jìn)程傳遞給集中監(jiān)控進(jìn)程。

圖4　軟件總體結(jié)構(gòu)框圖

4　結(jié)論

隨著電視會(huì)議的發(fā)展以及人民生活水平的提高，高清電視會(huì)議將被越來越多的人所接受，由此而帶來了對視音頻信號質(zhì)量要求的提高；本系統(tǒng)研究的高清視頻會(huì)議系統(tǒng)很好的繼承了原有的標(biāo)清視頻會(huì)議系統(tǒng)的資源，原有的用戶線路基本不需要改動(dòng)即可升級到高清視頻會(huì)議系統(tǒng)，非常有利于推動(dòng)電視會(huì)議的快速發(fā)展。

［1］ Hsiu-Cheng Chang，Chien-Chang Lin，Jiun-In Guo. A novel low-costhigh-performance VLSI architecture for MPEG-4 AVC/H.264 CAVLCdecoding［J］.Circuits and Systems，2005. ISCAS 2005.IEEE InternationalSymposium on，2005（6）：6110-6113.

［2］ 張磊.VoIP語音技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 王文林，廖建新，朱曉民，等.多媒體會(huì)議中新型快速實(shí)時(shí)混音算法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2007（3）：690，695.

［4］ 謝斌.MPC860/850嵌入系統(tǒng)開發(fā)入門與指導(dǎo)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

［5］ 李明江SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［6］ 孫鑫，余安萍.Vc++深入詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Design of High Definition Video Conferencing system

This paper elaborates the scheme of Networking for High Definition Video Conferencing， presents the scheme of High Definition real-time codec base on MB86H51 IC， and the scheme of MCU. Presents the hardware architect and software architect design in detail.

HD Video Conferencing； MB86H51； MCU； audio mixing

TN948.6

A

1008-1151（2016）03-0004-03

2016-02-11

黃天發(fā)（1976-），男，中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所工程師，從事通信工程、視頻傳輸研究工作。