高清视频会议系统设计

黄天发　李瑞勤　黄鹏飞

（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004）

高清视频会议系统设计

黄天发李瑞勤黄鹏飞

（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004）

阐述了高清视频会议的组网方法，给出一种基于MB86H51高清实时编解码技术的视频终端设计方法和MCU的设计。从硬件和软件两个方面，依次详细描述了系统的硬件架构和软件系统架构。

高清视频会议；MB86H51；MCU；混音

1　引言

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。MPEG.4 AVC/H.264通常简称为H.264。由于其具有强大的压缩比、低位码速率、复杂的程序及与通信应用高度整合的能力，已经成为影音数码产品必备的功能及标准格式。

本文提出的高清视频会议系统，是基于电信等传输公网，将远端声音图像同步传输至近端，作为一个系统它具有完整的网管系统，能独立、灵活控制本系统中声音和图像传输。视频会议系统在远程教育、远程医疗、远程电视电话会议、远程监控等方面有着广泛的应用。

2　 系统设计

2.1系统总体设计

典型的视频会议系统一般由会议终端、通信链路、多点控制单元（MCU）及网管组成。其总体结构如图1所示。公网是系统的通信链路，在本系统中链路选择2M信号，2M信号比IP信号延时小，且延时相对固定，而IP信号组网灵活，但延时较长且不固定，对实时性要求低。各个会场一般包括高清视频会议终端和视音频输入/输出设备及可选的视音频切换矩阵；MCU（多点控制单元）实现对整个会议系统的管理，包括广播会议，点对点会议和轮询等。该系统实现了远距离高清视频通话，真正满足于企业和政府等领域的需要。

图1　视频会议系统典型应用框图

2.2高清视频会议终端设计

视频会议终端采用富士通公司的MB86H51半双工视频压缩编解码芯片，该芯片工作功率低、外形尺寸小，处理数字视频速度快，采用H.264/AVC 标准对视频进行压缩、解压缩，最大可支持1920x1080分辨率的高清视频，编码数据速率最大为20Mbit/秒。

综合控制模块芯片采用飞思卡尔MPC860芯片作为主机，实现对终端的控制。该主机通过数据总线和地址总线异步模式连接到MB86H51的主机接口，实现对MB86H51的初始化配置，及访问内部寄存器。

芯片MB86H51的码流接口支持符合ISO/IECl3818.1和Amd3标准的MPEG.TS码流编解码，数据每包长192字节，即一个4字节的时间戳头加上数据包（188字节）的长度。该码流经过FPGA封装打包，可选择的封装成E1包，连接到电信运营商传输网，传输到远端的MCU；同时由远端来的E1信号经拆包后，还原为MPEG.TS码流，进入MB86H51解码成SMPTE 274格式给视频D/A芯片，最后输出高清视频信号，高清视频接口可选择：HD.SDI、HDMI、YPBPR或CVBS S-VIDEO。

具体原理框图如图2所示。

图2　视频会议终端原理框图

图3　MCU原理框图

高清视频会议终端的工作流程：

（1）编码器工作流程

①设备刚上电时，先复位所有芯片，编码板处于空闲状态。等待用户设置工作状态，编码参数。

②给MB86H51下载bootloader。

③通过I2C配置视频A/D和D/A芯片，将选定的视频通道打开，根据选定的打开通道使相应的视频输入器件工作起来。

④通过数据总线和地址总线配置MB86H51的内部寄存器，发送开始编码的指令。

⑤向MB86H51标准板请求状态信息。

⑥判断MB86H51编码板是否真的进入到编码状；如果是，则系统开始正常工作。

需要注意的一点是：编码通道上器件的开启流程，先让视频输入芯片工作起来，然后打开视频通道，最后再启动MB86H51编码。因为MB86H51只有在接收到正确的视频信号之后才能进行编码。

（2）解码器工作流程

解码流程和编码流程相类似，可以和编码流程同步进行。

2.3MCU （多点控制单元）设计

MCU是视频会议的核心组成部分，也称视频会议服务器，可以说它是视频会议的大脑。所有终端都要通过标准接口连接到MCU，为用户提供群组会议、多组会议的连接服务。MCU主要由网管单元，音频混合单元，视频音频信号分配、交换单元构成。

网管单元负责整个系统各台设备的管理和对主控设备的各项参数进行配置；音频混合单元主要功能包含32路音频信号混合后再分配。音频信号混合后再分配是指32个送到主控设备的音频信号经过选择某几路音频进行混合后再分配给相应的解码器输出；32路E1视频音频信号分配、交换，是根据网管信息对视频音频信号及其它数据信号进行分配、交换。

本系统中一台MCU容量为32终端，当终端数目超量时，单机无法提供所有用户接入，可通过MCU级联的方式扩充网络能力，在网络中最上一级的MCU称为主MCU，其下接从MCU，从MCU下还可以再接从MCU，以满足更多终端同时加入会议的需要。其原理框图如图3所示。

2.4数字音频混合

音频混合是视频会议系统中的重要功能。当物理上多个声源同时发出声音时，传入人耳的声音是来源于这些声波的直接相加。模拟混音则是当多个音频源同时播放时，入耳听到的声波是各个声源声波的线性叠加。同时，数字语音的混音也是可以将多个声源信号按照某种规则进行叠加的。混音是指由一个输出设备播放出多个音频流，即提供一个多输入单输出的语音通道。线性叠加饱和混音实现简单、快速、效率高，本系统采用DSP技术进行混音，优点是设计灵活，容量大，方便升级。

（1）线性叠加

若有N路音频数据需要进行混音处理，混音的时候，需要屏蔽某一路自己的本地音频数据，这样就不会听到本地的自己的声音，只能听到其他N-1路的声音，也就是说，对于第t路音频，要发送给这个终端t的混音后的数据如公式（1）所示：

其中mixing［i］为混合后一帧中的第i个样本，input［i，j］为j个用户的第i个样本，n为一帧的样本数目，N为终端个数。

（2）溢出判断与平滑处理

箝位算法实现简单，当发生上溢时，箝位以后的值为其所能表示的最大值，当发生下溢时，筘位后的值为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语音数据精度的限制，本系统中音频采用8 bit的A/D芯片，一般来说最大值判断高4位是否为全1，最小值判断低3位是否为全0即可。

3　软件设计

系统软件设计主要包括MCU的嵌入式底层设计和操作界面的网管软件上层设计。底层软件主要实现视频的切换、音频混合、轮询、点播和告警等功能。上层网管控制软件的设计采用Windows应用程序+后台数据库模式，设备总体结构如图4所示。上层软件和底层嵌入式软件是基于SNMP网络管理协议通信。其中SNMP协议采用“管理者—代理”的工作模式，管理者为PC端控制软件，代理为MCU的网管单元。SNMP通信组件通过管理信息库（MIB）的OID来指定要访问的数据项，负责发出用于采集设备的运行数据的Get消息和用于控制设备执行指定的动作的Set消息，网管单元负责执行控制软件的命令；另外，网管单元也可以将设备中发生的事件通过Trap消息及时上报。SNMP通信组件接收到SNMP消息后传递给数据采集进程，由数据采集进程传递给集中监控进程。

图4　软件总体结构框图

4　结论

随着电视会议的发展以及人民生活水平的提高，高清电视会议将被越来越多的人所接受，由此而带来了对视音频信号质量要求的提高；本系统研究的高清视频会议系统很好的继承了原有的标清视频会议系统的资源，原有的用户线路基本不需要改动即可升级到高清视频会议系统，非常有利于推动电视会议的快速发展。

［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］ 张磊.VoIP语音技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］ 王文林，廖建新，朱晓民，等.多媒体会议中新型快速实时混音算法［J］.电子与信息学报，2007（3）：690，695.

［4］ 谢斌.MPC860/850嵌入系统开发入门与指导［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

［5］ 李明江SNMP简单网络管理协议［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［6］ 孙鑫，余安萍.Vc++深入详解［M］.北京：电子工业出版社，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

黄天发（1976-），男，中国电子科技集团公司第三十四研究所工程师，从事通信工程、视频传输研究工作。