基于光纤和IP流技术的视频双链路热备传输系统

◆武 攀 赵振凯 赵家凤

基于光纤和IP流技术的视频双链路热备传输系统

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(1.中国电子科技集团公司第二十八研究所 江苏 210007；2.北京兆科恒兴科技有限公司 北京 100190)

本文针对会议场所、指挥控制中心的视频系统建设，设计了一种基于光纤传输和IP流技术的双链路热备高清视频传输系统，以提高视频系统的可靠性与抗毁能力，并将此系统应用于工程建设中，为会议场所、指挥控制中心的视频系统的设计与建设提供参考。

视频系统；光纤传输；IP流

0 引言

视频系统是会议场所、指挥控制中心音视频系统的重要组成部分。随着数字信号处理、网络技术的发展，现代会议场所、指挥控制中心的音视频系统已向数字化、高清化、网络化、大规模化方向发展。数字化是高清化、网络化的基础，虽然高清音视频并不一定非要是数字信号，但是数字信号具有抗干扰性强、易处理的特性使得高清音视频系统越来越多地采用数字技术[1]。当前，大型会议场所、指挥控制中心要求视频系统具备输入、输出多路、多种格式视频的能力，在一些工程项目中所使用的高清视频矩阵的输入输出路数已达144路×144路，甚至更多。但在这种以单台视频切换矩阵的为核心的系统中，一旦矩阵发生故障，会导致整个视频系统失效。而一些重要、关键部位不仅要求视频系统7×24小时运行，对系统的抗毁能力也提出一定要求。

本文将光纤传输和IP流传输视频的技术相结合，设计了一种视频双链路热备传输系统，以提高会议场所、指挥控制中心视频系统的可靠性与抗毁能力。

1 关键技术简介

1.1 光纤传输技术

采用光纤技术传输音视频信号的发送器使用时分复用技术将多种信号转为串行数字流，视频、音频和控制信号复合成串行的电信号，通过一个电-光转换器，串行的数字流转换成光信号。

如图 1中所示的发送器接收DVI/HDMI视频、立体声和RS-232控制信号。串行化器将信号复合转成数字脉冲的串行流。电-光转换器将数字脉冲转为光脉冲通过单芯光纤传输[2]。在接收器中，光脉冲信号经过光-电转换器后转为电信号，再经由解串行化器转为DVI/HDMI信号、数据信号、音频信号。

图 1 光纤发送和接收

采用光纤传输音视频信号，保密性好，抗电磁干扰能力强，传输距离长，使用单芯单模光纤传输全高清视频可达2000米以上距离。并且，采用光纤传输视频时，由于信道带宽足够高，可对视频无损编码，不丢失细节信息，保证画质一致性。在会议场所、指挥控制中心大规模音视频系统建设中，越来越多地采用配有光纤接口的视频切换矩阵传输高清视频信号。

1.2 IP流传输技术

采用IP流传输视频的技术利用视频的时间和空间冗余特性，将视频压缩编码后通过打包成IP数据包，通过网络传输。

视频是二维图像的时间函数。每幅图像具有空间冗余特性。因此可对图像空间压缩以减少数据。编码单帧图像的空间压缩步骤如图2所示[3]。

第一步是将像素数据“变换”。该步骤将图像数据从空域转变至频域，如采用离散余弦变换、离散小波变换。“量化”步骤对图像的影响最显著，使大部分的系数都在零附近。“重排序”步骤将重要的系数优先级提高，如采用Zigzag扫描。该步骤提高编码步骤中所采用技术的效率。“数据编码”步骤采用数学技术减少传输的数据量，通常采用多种方法如游程编码、霍夫曼编码等多种方法混合编码。最后将数据嵌入IP流中传输。上述几个步骤中，“量化”和“数据编码”步骤使单帧图像的数据量减少。

图2 图像编码步骤

此外，视频具有单帧图像所不具备的时间冗余特性，即帧间的相关性。利用这种冗余特性，通过帧间预测，对视频进行时间压缩可进一步减小视频的数据量。通常将一组图像序列里的帧分为三种：I帧（独立帧）、P帧（前向预测帧）和B帧（双向预测帧）。其中：I帧不依赖于其他帧编码，实行帧内编码；P帧使用前向预测，依赖于之前最近的I帧或P帧编码；B帧使用双向预测，参考前后最近的I帧和P帧编码。由于帧与帧之的间的依赖性，帧的传输顺序和显示顺序有所区别，如图3所示。由于B帧依赖于前后的I帧和P帧，因此B帧在其参考的I帧和P帧之后传输。当图像序列中有较多I帧时，视频数据量较大，有较多B帧和P帧，则数据量较小。

图3 三种帧的传输

基于IP流传输技术的视频发送、接收原理框图如图4所示[4]：

图4 基于IP流传输技术的原理框图

视频源传出的视频信号在编码器中经过数据压缩编码后再封装成数据包，经过网络传输到解码器中经过数据包解封装后再解码解压，还原成视频信号送至显示设备。

1.3 视频双链路热备传输设备

为提高视频传输的可靠性，将光纤传输技术和IP流传输技术结合，设计视频双链路热备传输设备，包括双链路发送器和双链路接收器。

双链路发送器的组成示意图如图5所示。视频源通过视频输入接口后，经过视频输入单元送至视频分配单元。视频分配单元将视频信号分为三路：一路送至视频输出单元，经视频环出接口接本地显示设备；一路经光纤发送单元转为光脉冲信号，通过光纤传至远端；一路经视频编码单元转为IP流，通过双绞线输出至远端。

图5 双链路发送器组成示意图

双链路接收器的组成示意图如图6所示。从光纤接口输入的光脉冲信号经过光纤接收单元，实现光电转换，转为视频信号。从RJ45口输入的IP流经视频解码单元转为视频信号。两路视频信号分别经过信号检测电路送至视频选择单元，信号检测电路向处理器提供指示信息。处理器根据指示信息控制视频选择单元。当某路视频失效时，处理器控制视频选择单元输出另一路视频；当两路视频均有效时，处理器根据默认的优先级选择输出视频。视频选择单元选取信号检测电路1和信号检测电路2的视频信号，送至无缝切换单元。无缝切换单元采用缓存帧的方法对视频信号做无缝处理，以确保在某条链路信号丢失后，切换到另一条链路时显示画面的完整性。最后由视频输出单元，经视频输出接口将视频送至远端显示设备。

图6 双链路接收器组成示意图

视频经光纤和双绞线同时传输，任意一路失效都不影响另一路，构成双链路热备传输。

2 系统设计

基于上述视频双传输设备，结合视频切换矩阵和网络所构建的视频系统连接如图7所示。系统配置大路数视频切换矩阵，接入多路工作站计算机视频和摄像头采集的场景视频。对于关键的工作站计算机视频和摄像头视频，采用具有不同视频接口的双链路发送器接入系统，比如接入工作站计算机视频采用具有DVI接口的双链路发送器；接入摄像头采用具有SDI或HDMI接口的双链路发送器。非关键工作站计算机视频采用光纤发送器接入矩阵；非关键摄像头直接通过同轴电缆接入矩阵。类似的，系统对外交互所接的视频，如解码器输出的视频可根据重要优先级采用双链路传输设备接入系统或直接接入矩阵。输出至投影机、液晶大屏、对外交互解码器的视频均通过双链路接收器显示、传输系统接入的各类视频。

图7 系统连接示意图

经双链路发送器传输的视频，一路通过光纤接入视频矩阵的光口输入板卡，另一路通过双绞线接入由普通交换机构成的音视频局域网络。双链路接收器同时接收矩阵光口输出的视频和音视频局域网络传输的视频，从两路视频中优选视频输出至各类显示设备。当视频切换矩阵发生故障时，通过双链路发送器传输的视频可通过网络传输至双链路接收器；当网络发生故障时，通过双链路发送器传输的视频可通过光纤经由矩阵传输至双链路接收器。

音视频局域网络中接入控制终端和集中控制主机便于集中管理和控制音视频系统：集中控制主机连接各类受控音视频设备，通过串口与视频切换矩阵连接，向矩阵发送指令，并且通过网络与控制终端交互；控制终端上安装集中控制软件，包括矩阵切换控制软件和IP音视频管理与调度软件。软件根据操作人员的动作同时切换矩阵和IP视频的调度，确保双链路接收器的两条链路接收同一视频源。控制终端上的软件还可控制其他音视频设备，实现音视频系统的一体化控制。控制软件包括多用户管理和日志管理：多用户管理支持权限分级，不用用户按级别赋予不同的权限，实现人员、岗位的管理；日志管理可记录、查询用户操作，做到操作可追溯。由此保证系统的使用安全性。

3 小结

光纤技术具有保密性好、传输距离长、不易受电磁干扰等优点，但是由于光纤的材质为玻璃纤维，存在抗毁性差的缺点；IP流技术将视频编码通过网络传输，通过网络传输扩展方便，且传输介质为双绞线，材质是铜缆，抗毁性能好，但是IP流传输的视频经编码压缩，会丢失图像的高频信息。上述设计融合两种技术，取长补短，提高视频系统的可靠性。并且，将视频转为IP流后可作为数据使用，与软件结合产生更多的效能，而不仅仅是单一的展示、传输。比如，将音视频信息IP化后，在综合信息系统中的显示终端增加音视频记录设备，可加大数据收集力度，形成和挖掘大数据[5]，产生更多效能。

实际使用中，可以双链路传输设备的光纤传输为主，IP流传输为辅：当正常使用时，显示设备展示光纤传输的无损视频；当矩阵失效或光纤链路受损时，自动切换到IP流视频显示，当矩阵或光纤链路恢复工作时，又能自动切回光纤链路。双链路接收器自动切换链路时，由于内置的无缝切换单元，保证了视频的连续性，切换过程对观看者屏蔽，从而使观看者无法觉察底层硬件的变化，提高了系统的可用性。

此外，在对画质要求高的场合可使用基于光纤和HDBaseT技术的双链路热备传输设备[6]。在该设备中，视频也是通过光纤和双绞线链路同时传输，但是通过双绞线传输的视频不是IP流数据，而是遵循HDBaseT协议的数据流。因此，光纤链路与双绞线链路传输的视频信号均为无损高清视频信号，保证了显示画面的一致性。但由于HDBaseT技术的特点，通过双绞线传输的视频信号不能通过网络交换机传输，而需具有HDBaseT接口的矩阵转发，总传输距离限制在200米内，扩展性相对较差。

综上，本文基于光纤技术和IP流技术设计的视频双链路传输系统，配合视频切换矩阵和网络使用，构建的视频冗余热备传输系统相较于仅使用单台矩阵的系统，大大提高了视频系统的稳定性与容灾性。此设计已用于音视频系统的工程建设中，为设计和建设会议场所、指挥控制中心的视频系统提供参考。

[1]徐亮亮，武攀，王克育.基于AVB技术的网络化音频系统设计[J].网络安全技术与应用，2018.

[2]Fiber Optic Design Guide[Z].Extron Electronics.

[3]AV Streaming Design Guide[Z]，Extron Electronics.

[4]赵亮，李光，武攀.一种基于HDBaseT和IP流技术的视频点播系统[J].网络安全技术与应用，2016.

[5]张冬莲.大数据音视频记录设备[J].指挥信息系统与技术，2013.

[6]武攀，沈良.一种高清视频双链路热备传输设备.中国， 2018.