MCU级联的省—市—县三级高清视频会议系统设计

张常亮，马渝勇，刘一谦，谭红宾

(四川省气象信息中心，四川 成都 610072)

随着网络技术与视音频技术的不断发展，高清视频会议系统相关技术被广泛应用于视频会议系统［1］的构建中，相对于标清视频系统来说，高清视频会议系统在视频和音频效果上有着质的变化，加之高清视音频系统设备采购价格的逐步降低，高清视频会议系统在各行业用户中的应用会更加广泛。

由于气象业务对实时性和准确性的要求日益凸显，需要大量的图文数据进行交互协同，才能准确地制作各类天气预报产品，视频会商系统［2］在预报业务中的应用不断增多，要求也逐步提高。但同时现有全省标清气象视频会商系统还存在明显不足，视频图像和计算机图像质量不高，省到市(州)局的会商系统功能不完善，市(州)到省无法发送双流信号，市(州)到县局还没有会商系统，无法满足气象信息化建设和气象服务需求。因此，建设覆盖省—市—县三级级联的高清视频会议系统是十分必要的。

但是如何根据自身业务的要求，量身定制，对视频会议设备进行合理搭配，选择一套合理的视频会议系统，使设备的配置科学化、梯次化，做到既不浪费设备功能、性能，各设备之间又不出现瓶颈，既能满足业务需求，又能节省资金，成为视频会议系统设计应用面临的问题。

1 高清视频会议系统设计

1.1 原有标清系统

如图1所示，全省标清视频会商系统包括1个省级中心和21个分会场，运行在省到市2 Mbit/s码率(下称带宽)SDH上，省中心机房部署1台RADVISION VIP400 MCU完成全省会议的多点控制，最多支持24个点，1台网闸服务器，用于全省终端的注册管理，省气象台配1台Tandberg视频终端;21个分会场分别部署1台Sony PCS－11P视频终端及显示系统和扩声系统。该系统的图像的清晰度和MCU端口数已不能满足业务需求，需对全省视频会商系统进行重新设计和规划。

图1 四川气象标清视频会商系统

1.2 三级高清视频会议系统设计

高清视频与标清视频的主要区别有:图像分辨力由CIF(352×288)变为720p(1280×720)，图像由隔行扫描变为逐行扫描，图像由4∶3变为16∶9。

构建高清视频系统要求具有高清摄像机，高清编解码器，多路分量、HDMI或DVI等标准的高清接口，高清的扬声器拾音器，高清的双流，高清的显示器和高质量网络的保证机制。根据高清视频会议系统的基本要求和全省气象业务的实际需要，系统建设目标是设计实现省到市1080p，市到县720p的省—市—县三级级联高清视频会议系统。

1.2.1 网络环境分析

四川气象广域网络系统是以四川省气象局为中心、21个市州气象局为分中心、160多个台站组成的星型与树型结构相结合的气象广域网络系统。

构建高清视频会议系统的网络带宽为省—市4 Mbit/s、市—县2 Mbit/s。该网络是业务专网，主要用于气象观、探测资料和气象预测预报相关业务的传输，也有行政办公等应用，是一个综合业务应用网络，这些业务共享线路带宽，气象业务数据流主要集中在规定的发报传输时次，带宽占用呈脉冲状态，数据流量大，没有作优先级设置。

1.2.2 传输带宽设计［3］

根据构建省—市—县三级高清视频会议系统的设计要求，系统需要实现省局到市局(一级到二级)1080p视频会议、市局到县局(二级到三级)720p视频会议的省—市—县三级全网高清视频会议。

通过对现有网络环境的分析，在现有省到市4 Mbit/s、市到县2 Mbit/s的带宽条件下进行了4 Mbit/s，3.5 Mbit/s，3 Mbit/s，2.5 Mbit/s，2 Mbit/s，1.5 Mbit/s，1.2 Mbit/s，1 Mbit/s等带宽下召开高清视频会议时的网络压力测试，以及气象实时业务的影响程度，经过综合考虑，除去其他气象实时业务占用的带宽，高清视频会议系统最高可占用2 Mbit/s带宽来召开1080p视频会议，最高1.2 Mbit/s带宽来召开720p视频会议;召开省—市—县三级视频会议时，考虑到市到县之间的网络承载能力，最高可使用1.2 Mbit/s的带宽召开720p高清视频会议。经过两年多的使用，该网络带宽设计是能够满足视频会议传输要求的，只是在气象业务数据流集中传输时会出现与视频会议数据争抢带宽的现象。

1.2.3 关键设备选型要求

高清视频会议系统需运行在四川省气象部门的实际网络环境之下，所选设备需充分考虑产品的网络适应能力。具体要求见表1。

2 高清视频会议系统实现

2.1 系统架构

根据高清视频会议系统的建设要求，在现有网络环境下，通过对高清视频系统关键设备进行选型，组建最合理的三级级联高清视频会议系统，整个系统结构如图2所示。

表1 关键设备选型要求

系统采用高清多点控制单元MCU(POLYCOM RMX1000)23台，省局和各市局分别部署1台;高清终端(POLYCOM HDX7000/HDX8000)共165台，其中21个市局各部署 1台 HDX8000，143个县局各部署 1台HDX7000，终端均含高清摄像头;会议保障语音电话(POLYCOM IP550/IP650)20台，省局和各市局分别部署1台;省局另部署高清录播服务器(POLYCOM RSS2000)1台，视频会议管理服务器(POLYCOM CMA4000)1台。

图2 四川气象高清视频会议系统

2.2 系统的应用

四川气象高清系统建成后，在汛期服务特别是灾害应急气象保障工作中发挥了重大作用，提升了视频会商的效果，视频图像清晰，达到高清效果，实现了原标清系统所不具备的双向双流功能，完全满足气象部门的业务需求。该系统主要用于省局和各市州局的日常天气视频会商、全省的工作会议、重大天气过程视频会商、转播国家局会商和会议、市局片区天气会商和会议、西南区域天气会商和会议等。该高清视频系统的主要特点有:

1)视频清晰流畅。目前整套系统为全省气象部门的会商会议实现高清效果。经过反复测试，在实际使用中，使用尽量少的带宽实现了高清效果。省局到市局召开会议使用1728 kbit/s的带宽，充分保证实现了1080p的超高清效果，市局到县局使用1280 kbit/s的带宽。在召开省—市—县级联会议时，使用1470 kbit/s带宽，实现720p高清效果。

2)音频清晰、立体声质感强烈。POLYCOM的扬声器都是高保真、立体声的全向扬声器，能够实现360°全向拾音，拾音半径可以达7 m。

3)双流内容同样高清晰。POLYCOM目前能够实现会议中主流和辅流的双路720p，即高清视频和高清双流同时支持720p。

4)CMA服务器实现全面管理。CMA服务器可以对在线的终端进行实时监测，包括设备的状态、网络状况等;对终端所使用的带宽进行监测，并可用拓扑形式表现出来;对召开会议的频率进行统计，并已图形化显示。

5)CMA Desktop桌面软终端将视频会议延伸至桌面。

6)会议保障电话实时保障会议顺利进行。省局配备的IP650，根据市局的数量添加了模块，按下对应市局的快捷按钮，便可迅速接通市局;市局配备的IP550，摘机就可直播省局，操作简便。

3 高清视频会议系统关键技术［4］

现阶段，高清视频会议系统编解码主要采用H.264，它比以前H.263和MPEG－4提高编码效率约50%。同等的图像质量条件下，数据压缩比较MPEG－2高2～3倍，比MPEG－4高1.5～2倍，比H.263高2倍。网络通信协议主要有H.323协议、SIP协议和H.239协议等。高清系统要求核心设备基于ITU－T H.323标准协议，MCU和终端需同时支持IETF SIP协议，支持H.323和SIP混合组会;支持H.239双流协议，在省、市、县高清多点会议中所有会场终端均可实现双流发送和接收，PC图像清晰度可以达到1024×768及以上。

高清视频会议系统的关键技术主要包括视频编码、高清视频信号接口、网络通信协议、图像标准和MCU级联技术等。文章主要对图像标准、高清视频信号接口和MCU级联技术的研究和应用进行介绍。

3.1 高清图像标准

视频会议发展之初，是以CIF(352×288)格式作为视频会议标准。到了21世纪，视频会议系统提升到4CIF，现阶段国际标准定义高清为720p(分辨力1280×720，24～60 f/s)和1080p(分辨力1920× 1080，24～30 f/s)。视频分辨力的业界标准如图3所示。

图3 视频分辨力的业界标准

图4 4种高清视频信号接口

3.2 高清视频信号接口

高清视频信号接口的研究对于高清视频系统的构建和显示设备的选择具有重大的指导意义看，目前主流的高清信号接口有HD－SDI(高清数字分量串行接口)、色差分量、HDMI(高清晰度多媒体接口)和DVI(数字视频接口)等，如图4所示。色差分量和DVI是目前在视频会议系统设备上使用较多的接口，HDMI能够同时传送音频和视频信号的高清接口，数据传输速度最高可达5 Gbit/s，而且在信号传送前不需要进行数/模或者模/数转换。

HD－SDI是根据SMPTE(摄影与电视工程师协会)202M，在 1.485 Gbit/s或者 1.485/1.001(Gbit·s－1)的信号速率条件下传输的接口规格，该规格规定了数据格式、信道编码方式、同轴电缆借口的信号规格、连接器及电缆类型与光纤接口等，具有架设距离长、使用一根同轴电缆传输视频和音频信号等优点。HD－SDI接口是目前广电行业标准的高清接口。在实际应用中，应根据系统建设需要选择最适合的接口，4种高清接口的比较如表2所示。

表2 高清接口比较

3.3 MCU 级联

对于一个大型视频会议系统，当其视频终端的数量超出了单台MCU最大系统容量，则需要MCU级联的方式实现所有终端集中在一个会议里面，即把MCU串联起来，串联是分层的，一层一层下去。目的把相同或不同的MCU设备连接起来增加MCU端口数。

MCU和终端的连接网呈星形状态，通常放置在星形网络的中心处，即参加会议的各个终端都以双向通信的方式和 MCU相连接。在级联中，处在上面的一层的MCU是上层MCU，处在下层的 MCU为从MCU，从MCU受控于上层 MCU。在高清系统设计中，采用了省级MCU(第一级)级联21个市级MCU(第二级)的方法，市级及所属县级的终端均由市级MCU管理，将视频系统延伸至三级。

系统所采用的MCU(POLYCOM RMX1000)支持数字级联，具体设置方法为:省、市级MCU分别建省—市—县级联会议模板，设定主MCU连接速率为1472 kbit/s，会议模式为演讲者模式，视频质量最高至720p;从MCU设定连接速率为1280 kbit/s，启用从级联策略，会议模式为演讲者模式，视频质量最高至720p，其余设置为默认。

级联会议中，MCU自动采用演讲者模式，演讲者设置为省局MCU，演讲者观看对象设置为市局终端。此时，省局节点观看到的是所有市、县局节点会场的轮询画面，各市州局和各县局节点观看到的是省局节点的画面。如需某市局发言，则在主MCU中修改演讲者为此市局的MCU，再到此市局的MCU中将画面切换到需要发言的会场即可。图5为省市县三级级联会议召开时主MCU的操作界面，省级MCU实现了对市级MCU的数字级联。

图5 省市县三级级联会议操作界面

4 结束语

系统实现了省—市可召开1080p高清会议，市—县可召开720p高清会议，建成全国气象部门首个覆盖省—市—县三级的高清视频会商(会议)系统，为气象部门的天气会商和会议发挥了重大的作用。现阶段，视频会议系统需要解决网络服务质量(QoS)保障欠缺、接入网的带宽问题和网络数据优先级设置等问题。随着网络技术和视频技术的不断发展，高清视频会议系统将会更加普及和完善。

［1］叶冬茂.会议系统行业发展概述［J］.电声技术，2007，31(S1):26－27.

［2］陈建华，詹叶青.智能会议系统工程的设计［J］.电声技术，2004，28(8):12－14.

［3］李栋，李媛敏，张秋华.1080p高清视频会议系统设计应用案例［J］.电视技术，2010(10):109－110.

［4］胡勇，周敬利，余胜生.基于网闸连接的视频会议系统服务质量控制及实现［J］.计算机工程与应用，2001(8):66－67.