专利名称：一种广播级宽带视频会议的声像传输系统及方法
技术领域：
本发明涉及声像处理及传输技术领域，特别是一种广播级宽带视频会议的声像传输系统及方法。
背景技术：
视频会议又称为会议电视或电视会议，它是一个融网络、电视、计算机通信和数据共享技术等为一体的系统。系统建成后要求能在会议室通过简单操作，即可跨城市跨网络边召开全网视频会议，边观看影像或电脑资料，边进行重大决策部署，边听取有关方面对决策的反映等。
60年代始，世界发达国家开始研究模拟视频会议并逐渐商用化。60年代末，在压缩编码技术推动下，由模拟系统转向数字系统。80年代初期，研制出2Mb/s彩色数字视频会议系统。80年代中期，大规模集成电路技术飞速发展，图像编解码技术取得突破。信道费用降低，为视频会议走向实用提供了良好的发展条件。80年代末至今，国际电信联盟(即现在的ITU-T)规定了统一的视频输入输出、算法、误码校验及多个互通的模式转换标准，极大地推动了视频会议的发展。
90年代中期以来，Internet的飞速发展对电信业产生了巨大而深刻的影响，基于包交换网络的视频会议系统逐渐成为研究人员和电信、网络及计算机厂商关注的焦点之一。
视频会议系统具有真实、高效及实时的特点，是一种简便而有效的用于管理、指挥及协同决策的技术手段。
声像传输作为视频会议系统的基础，近年来也得到了迅速的发展。声像传输涉及视频流处理(包括采集、压缩、传输、解压缩、播放及管理等)和计算机通信等多个技术领域。
在召开视频会议过程中，需要在主会场显示所需分会场的画面，在分会场显示主会场或其他分会场的画面。如果直接通过IP网络远程传输广播级质量的视音频流是不可想象的，这是因为所需的带宽过大。例如，NTSC制的图像以640×480分辨率，24位/像素，每秒30帧的质量计算，则所需的带宽为28MB/s。并且如果以28MB/s的速率传输，15秒钟的未压缩图像将占用420MB的磁盘空间，每分钟则需要1680MB(1.68GB)，每小时需要100.8GB。
要远程传输广播级质量视音频流，必须在传输之前对其进行压缩。压缩的基本要求是(1)接收端接收到压缩文件并解压缩后，播放的图像质量仍然能够达到广播级，即压缩造成的文件损失不影响播出的质量。
(2)压缩后文件的带宽可降低至一般IP网络可允许的范围。
由于电视编辑、特技制作均以帧为基本单位，所以对以帧为单元进行压缩(帧内压缩)的M-JPEG格式成功地用于数字视频系统，特别是数字非线性节目编辑系统。目前我国非线性编辑系统大都采用4:1的M-JPEG压缩，被认为是可以接受的广播级水平。当PAL制的4:2:2数字信号采用4:1压缩时，其数据率是5MB/s(40Mb/s)，每小时的视频节目需占用18GB磁盘空间。实际上，除非使用足够带宽的线路；否则这种压缩格式也是用户不能接受的。
既能保证最佳的视频图像质量，又能大幅地提高压缩比，以更好地减少数据量，MPEG-2是用于广播级视频压缩的最佳标准。
MPEG-2标准用于宽带传输的图像，图像质量达到电视广播级，甚至HDTV的标准。压缩根据运动图像相邻帧之间有一定相似性的原则，通过运动预测参考前一帧图像与这一帧图像的相似情况。然后去掉与前一帧相似的冗余数据，而只记录这一帧与上一帧不同的数据。从而大大提高了视频数据的压缩效率，这种压缩方法也称为帧相关压缩。MPEG-2压缩以图像组(GOP)为一个单元，由I帧、B帧和P帧构成。一般情况下，一个图像组由15帧组成。第1帧为一个I帧，依次为1个P帧，2个B帧，由此构成IPBBPBB PBB……结构。I帧称为参考帧，是其他帧都参考的起始帧。所以I帧是一个能够完全记载这一帧全部图像数据的帧，亦称为全帧。P帧是前向预测帧，是根据与前一帧图像的比较去掉与前帧相似数据而构成的帧。B帧是双向预测帧，是根据与前后一帧图像的比较而得到的帧。P帧和B帧是一个不完全帧，需要依靠I帧而成立。
因为采用运动预测帧压缩方式，所以针对视频压缩，MPEG-2标准有很好的效果。在获得广播级数字视频质量的前提下，可以实现20:1的压缩效率，数据率可降至1MB/s(8M b/s)，一个小时的视频节目需要占用3.6GB空间。数据存储空间利用率高，网络传输效率是M-JPEG系统的5倍以上。
实现MPEG-2标准的压缩方式有多种方法，单纯依靠硬件难度很大，而单独依靠软件则速度过慢，最佳方法是硬软结合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种广播级宽带视频会议的声像传输系统及方法。
一种广播级宽带视频会议的声像传输系统，包括广播级宽带视频会议装置、声像传输装置及网络管理装置三个装置，所有设备和应用软件，广播级宽带视频会议装置、声像传输装置及网络管理装置通过通信网络以及实现系统功能的系统集成技术互联。
广播级宽带视频会议装置包括的主要设备为编解码器、ATM交换机、反向复用器、视音频矩阵、数字特技切换台、字幕机，以及运行应用软件的服务器和终端。
编码器将视音频信号实时压缩为高质量的MPEG-2视音频流，视频输出/输出可选择串行数字接口或PAL/NTSC复合信号，支持MPEG-2的MP@ML及4:2:2MP@ML(1.5Mb～50Mb)格式，音频处理为SMPTE 302M非压缩和MPEG-1 Layer II格式，提供用于卫星传送的DVB/ASI的输出接口和用于连接ATM的ATM网络接口。解码器解压缩MPEG-2视音频流，以提供传递高质量且实时的MPEG-2数字视频信号，编码格式和视频比特率包括MPEG-1(达1.5Mb/s)，MPEG-2MP@ML(达15Mb/s)和MPEG-2 4:2:2P@ML(达50Mb/s)。
ATM交换机，2.5Gb/s～10Gb/s的非阻塞交换容量、全系列的LAN和WAN接口、端口类型从T1/E1到OC-12/STM-4c、ATM论坛PNNI 1.0版本、虚拟UNI、逐个VC排队方式、大于1,000,000信元缓存、呼叫建立小于2ms、最大端口速率622Mb/s(OC-12c/STM-4c)、以太网接口兼容802.3，以及RJ-45连接器。
反向复用器，将N*E1(N＝1～4)反向复用至1个E2接口，可自动检测信道质量，自动进行速率调整。当N(N＝1～3)条E1线路阻断时，自动将被阻断线路的业务复用到未被阻断的线路上。
视音频矩阵，支持在同一个机柜内的多种格式的信号，如模拟音频和视频、标准和高清晰度的数字视频、AES/BEU数字音频，支持在同样级别下数字音频和模拟音频间的路由，最大可配置为128×128路的独立的视频或音频单元，或两个64×64路单独的视频和音频组合，或4种32×32不同格式装置的组合。模拟视频装置包含32路视频输入/输出，立体声模拟音频装置提供立体声音频信号的处理和广播质量的输出。系统输入带宽为100MHz，输入/输出接口为75ΩBNC，回波损耗＞40dB DC to10MHz，模拟音频装置为平衡方式的输入输出，最大输入/输出为+24dBu。
数字特技切换台，作为一个多功能数字特技系统，可以提供广播级质量的复杂特技效果，并实现双通道数字特技效果，支持SDI、模拟分量信号及模拟复合信号，可提供YUV色彩校正功能，调整白平衡及全色彩。根据需要可选择4:3或16:9画面的宽高比，可提供黑同步信号输出，以实现与外接设备的同步，可以对画面进行帧存，并以帧方式冻结画面，可以对前景或背景画面进行各种特技效果处理，信号处理的技术指标见下表
字幕机，PCI32位总线、高速图文加速器、10比特数字编码、全数字4:2:2数字处理方式、32位图文字幕输出、256级透明度设置。支持复合、Y/C等接口、板卡内置时基校正器、具有复合键信号输出。三维动画实时满屏播出，多个局部动画同屏同时实时播出。字幕播出采用播出表方式，可定时、手动、延时、循环播出任意方式的动画，字幕及图文特技。标准TrueType字库，采用字幕边缘抗混叠算法确保大字稳定平滑，小字清晰不闪烁。提供多种字幕特技，包括波浪、卷页、旗飘、变焦、翻转及手写字等，支持自创画像、肖像制作。提供位图高级处理装置，内建多种滤镜效果，提供多层位图的编辑和合成和专业的中文WindowsNT操作平台。模板库包括渐变模板、对象模板、文字模板、材质库、纹理库、光效库、图形库、图标库和背景库等。
运行应用软件的服务器，CPU为Pentium 42.4G，内存为512MB，硬盘为240GB，光驱为54X，运行VCCC(Video Conference Center Control，视频会议中心控制)软件。
运行应用软件的终端，CPU为Pentium 42.4G，内存为512MB，硬盘为80GB，光驱为54X，运行VCT(Video Conference Terminal，视频会议终端)软件。
应用软件，其进一步包括VCCC和VCT。
声像传输装置包括与广播级宽带视频会议装置共用的编解码器、ATM交换机、反向复用器，设备连接关系见图11。
网络管理装置包括与声像传输系统装置共用的编解码器、ATM交换机、反向复用器，以及运行VCT(Video Conference Terminal，视频会议终端)的PC终端。设备连接关系见图15。
以上系统满足以下要求(1)系统网络中心永久掌握会议控制权；(2)主会场不同于控制中心，即其不一定在控制中心会场；(3)会议的各种功能通过中心的手动控制实现，操作简便，步骤少，参与控制人员限制在2～3人；(4)端对端延时在400ms内，视音频同步，无相对时延；
(5)会议音频联络通道独立于会议音频系统，主控中心可与任一点联络，实现对讲，也可发出指令。
以VMCU(Virtual Multiple Control Unit，虚拟多点控制单元)系统为核心的网络结构实现了会议调度和会议控制设备管理等功能，VMCU只操作和控制信令，而不处理视频和音频数据。系统要实现某个会议动作时，终端向VMCU发出一个请求。由VMCU根据请求做出响应，并发出不同指令控制相应终端发起一个会议。由于VMCU只执行会议指令操作，因此所占带宽很小，不存在码流瓶颈的问题。图9所示为视频会议装置组成逻辑及其基本工作原理。
编解码器A为发言会场并对其余4个编解码器传送视音频时，通过A的会议代理发送一个请求给VMCU。VMCU接收后处理该请求，包括身份验证及可否利用会议资源的检索等。经查询后反馈一个响应给“会议代理终端”，决定是否能够进行会议/视音频传输。如果允许，VMCU返回一个信息，包括其他4个编解码器的地址、可利用资源，以及何时发起会议/视音频传输，“会议代理终端”根据这些信息控制编解码器发起动作。
在“会议代理终端”呼叫其他编解码器时，VMCU可以了解其整个呼叫过程。确认这些呼叫准确准时建立后，VMCU将不再干涉和处理各编解码器之间的工作，剩下的工作就是控制会议的进行。会议过程可事先做好控制脚本，由VMCU自动完成。也可以根据需要随时改变会议的进程，如B点申请发言，经VMCU许可后B点成为主画面并发言等。
VMCU(Virtual Multiple Control Unit，虚拟多点控制单元)控制方式下的会议流程如图10所示。
会议进程控制有如下两种模式1.主席模式(1)选择分会场画面例如在A会场开会，以主席模式控制。选择想看的分会场，如D、E。单击D、E的图标，VCT发送一个指令给VCCC。VCCC控制视音频矩阵将D、E的输入切到对应A厅的输出，此时A厅的大屏幕上显示D、E的画面。如此时还有其他会场可供选择，主席可单击“轮询”按钮，设置一个时间，定时的VCCC会控制视音频矩阵不断地切换会会场画面，(2)与会会场申请发言主席VCT退出分会场请求窗口，如果批准，则单击“同意”按钮。主席VCT发指令给VCCC，控制矩阵将申请发言的会场输出给A会场的主画面。同时将主席会场和发言会场和发言会场送特技机做画面合成及音频混音，然后广播给其他分会场，2.导播模式(1)开始会议导播在VCCC上控制矩阵，选择分会场的画面给A和B，控制分会场画面轮询及主会场的画面传送给分会场，(2)与会会场申请发言如果批准，则单击“同意”按钮，导播在VCCC上控制矩阵将发言会场切换给A/B会场的主画面，或将发言会场和其他分会场中的一个经过特技合成切换给A/B的主画面。此时发言会场看到是主会场画面，其他分会场看到主会场和发言会场的合成画面。
(3)通信线路的反向复用；(4)通过将网管信息附加在声像传输流上或选用Internet(TCP/IP)、分组交换网(X.25)或电话交换网(SLIP/PPP)等通信网络传输网管信息。
广播级声像传输装置利用现有光纤和SDH/PDH通信网络，主要完成声像的广播级传输功能，实现方案示意如图11所示。
其中每个JQ(JQ1～JQ7为二级分会场，JQa为三级分会场)点安装1路下行解码器及1路上行编解码，压缩编码方式为MPEG-2 4:2:2。编解码器模块都装在同一个机箱中，机箱内的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1的多模光纤光口上。然后接往反向复用器，适配到4个E1的G.703标准接口。这样网络上通过SDH/PDH的4个E1传输信道至C点反向复用器对应的接口，并经C点转接，分别到A、B两点，从而实现声像的双向传输及视音频编解码功能。JQ各点的设备配置连接关系如图12及图13所示。
在时钟同步方面，C点与各JQ点可采用反向复用器基于本身的时钟操作，也可把操作锁定于其任意中一条E1线路上。
在视音频信号接入方面，A、B及JQ1～7编码器的信号输入端均配时基校正器，实现矫正质量较差、非标准的视频时基功能。编解码器方面，按要求配备模拟视音频接口。A、B及JQ1～7各点均按要求配10选1视频切换器及模拟视音频分配器，完成视音频信号源的切换与分配选择。
A、B两点安装1路上行解码器及1路下行编码器(压缩方式均为MPEG-2 4:2:2)，编解码器模块都装在同一个机箱中。机箱中的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1单模光接口，然后接往ATM交换机，从而通过单模光纤传输至C点。经过C点的ATM交换机输出至特定的反向复用设备下传到各JQ，A、B点的设备配置连接如图14所示。
声像传输装置完成的主要功能为广播式传输和专项传输两种。
广播式传输即从A、B两点输出的信号能分别分时以广播方式传输到所有的JQ；专项传输为从A、B两点输出的信号可以有选择地下行传输到N个JQ(N＝1～7)，从JQ上行的信号可以有选择地分组传输到A或B点或同时传输到A、B两点。
以上设备构成声像传输装置，满足以下系统要求(1)声像传输质量能够满足多次编辑的需要，4:2:2可以在4次编辑情况下达到广播级质量；4:2:0在2次编辑情况下达到广播级质量(8MB压缩)；(2)A、B两处通过主控C点具有网管分控功能；(3)各点均具备扩展的视音频输入输出接口，具体数目为10入8出(模拟)；(4)各JQ点传输信道的接口均采用反向复用接口设备以适应用户提出的SDH/PDH信道要求；(5)A、B两点的传输通过单模光纤传输到C点的ATM交换机；(6)反向复用设备具有对信道故障的自适应能力；(7)端对端传输时延小于400ms；(8)外接标准网络接口设备提供加解扰接口；
(9)A、B两点ATM设备均有E3/DS3接口以适应这两点到C点信道为SDH/PDH的接口能力。
以分会场向主会场上传声像信息为例，步骤如下(1)分会场使用采编设备，如摄像机等采集并编辑视频流，产生数字或模拟视频流送编解码器；(2)编解码器将数字或模拟视频流压缩为MPEG-2格式的文件送ATM交换机；(3)ATM交换机产生ATM码流送ATM传输网；(4)主会场的ATM交换机接收到ATM码流，将其恢复为MPEG-2格式的文件送编解码器；(5)编解码器解压缩MPEG-2格式的文件为数字或模拟视频流送编采设备；(6)编采设备处理。
网管装置实现方案示意如图15所示。
该装置只能分别按类分时管理编解码器、ATM交换机和反向复用器等独立的网元，设备管理都是经过IP通道，网管信息的传输可通过两种方式，一是在声像网的传输流上附加网管信息；二是选用Internet(TCP/IP)、分组交换网(X.25)或电话交换网(SLIP/PPP)等通信网络专门传输网络信息。各点的编解码器都有IP over ATM的功能，可以经过视频传送线路传送控制信息。简单地说，在C点通过一台计算机，即可控制全网所有的编解码器。也可通过专网，诸如电话网等实现对全网反向复用器，甚至ATM交换机的监视和控制。
从图15可见，每个点均配有运行VCT的PC终端及集线器。每个点的被控设备均通过集线器与PC终端相连，实现本地控制。可以通过此系统分别控制编解码器、反向复用器和ATM交换机等。同时通过电话网或分组交换等数据通信网络以拨号或专线方式连接各点运行VCT的PC终端，组成整个网管网络，实现对整个传输系统各设备的管理和监控。
编解码器通过IP over ATM功能，在业务传输流上叠加管理信息，通过业务传输通道完成对远端的编解码器的管理和监控。
为了便于监控多个地点的远端设备，在主控和分控中心，即A、B及C点配置了路由器，即可在一台控制终端上同时对多个远端地点的设备实现监视和控制。
A、B点的网管配置连接如图16所示。
C点的网管配置连接如图17所示。
JQ各点的网管配置连接如图18所示。
每个点的控制PC机安装MS Windows NT Server或Workstation操作系统和拨号服务器软件，以响应外来的拨号。利用Modem和电话网来传输数据信息。在远程拨号时，拨号服务器响应拨号后，远程的用户可在许可下浏览网络，以控制和监控网络。
基于反向复用的过程有一定的开销，加上ATM的交通管理也需要一定开销比特。所以利用反向复用器传输时，编解码器的可用MPEG-2码率必须遵循如下范围。
系统指标如下(1)编码要求
(2)视音频接口要求
(3)传输网指标
(4)传输质量(模拟)
(8)视频会议·可实现实时双向传输；·可实现满足电视电话会议的切换图像，混合声音的功能；·主观上图像切换无抖动，声音与图像无相对延时，端对端绝对时延在0.4S之内。
系统的其他要求如下(1)指标通过国家广播电影电视总局广播电视计量检测中心的检测。
(2)能适应通信网络的发展，目前全网基本采用专线传输方式。随通信的发展，本系统能适应IP和ATM交换宽带传输网的发展要求。
(3)具有全数字化切换及转接处理能力，通过适当改造可实现全网视音频处理数字化。
(4)网络接口可用反向复用器或ATM，使其具有双向传输多路码流的功能。
(5)具有视频点播(VOD)的接口能力，实现方法为在编码器编码过程中添加条件接入信息进行扰码。编码器的输出码流经接口转换设备转换为QAM调制输出，经传输网络送达用户。用户通过机顶盒接收，完成解扰和MPEG-2解码，实现VOD功能。
一种广播级宽带视频会议的声像传输方法，广播级声像传输的实现方式如下利用现有光纤和SDH/PDH通信网络，完成声像的广播级传输功能，每个JQ(JQ1～JQ7为二级分会场，JQa为三级分会场)点安装1路下行解码器及1路上行编解码，压缩编码方式为MPEG-2 4:2:2。编解码器模块都装在同一个机箱中，机箱内的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1的多模光纤光口上。然后接往反向复用器，适配到4个E1的G.703标准接口。这样网络上通过SDH/PDH的4个E1传输信道至C点反向复用器对应的接口，并经C点转接，分别到A、B两点，从而实现声像的双向传输及视音频编解码功能，在时钟同步方面，C点与各JQ点可采用反向复用器基于本身的时钟操作，也可把操作锁定于其任意中一条E1线路上，在视音频信号接入方面，A、B及JQ1～7编码器的信号输入端均配时基校正器，实现矫正质量较差、非标准的视频时基功能。在编解码器方面，按要求配备模拟视音频接口。A、B及JQ1～7各点均按要求配10选1视频切换器及模拟视音频分配器，完成视音频信号源的切换与分配选择，A、B两点安装1路上行解码器及1路下行编码器(压缩方式均为MPEG-2 4:2:2)。编解码器模块都装在同一个机箱中，机箱中的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1单模光接口，然后接往ATM交换机，从而通过单模光纤传输至C点。经过C点的ATM交换机输出至特定的反向复用设备下传到各JQ，A、B点的设备配置连接如图14所示。
有广播式传输和专项传输两种传输方式，广播式传输即从A、B两点输出的信号能分别分时以广播方式传输到所有的JQ；专项传输为从A、B两点输出的信号可以有选择地下行传输到N个JQ(N＝1～7)，从JQ上行的信号可以有选择地分组传输到A或B点或同时传输到A、B两点，网络管理的实现方式如下选用Internet(TCP/IP)、分组交换网或电话交换网传输，可以经过视频传送线路传送或接收网管信息。在C点通过一台计算机即可控制全网所有的编解码器，也可通过电话网监视和控制全网的反向复用器，或ATM交换机；每个点均配有控制用PC机及集线器，每个点的被控设备均通过集线器与PC机相连实现本地控制，可以通过此系统分别控制编解码器、反向复用器和ATM交换机。同时通过电话网或分组交换数据通信网络以拨号或专线方式连接各点的PC机组成整个网管网络，实现对整个传输系统各设备的管理和监控；编解码器通过IP over ATM功能，在视频传输流上叠加管理信息，通过业务传输通道完成对远端的编解码器的管理和监控；为了便于监控多个地点的远端设备，在主控和分控中心，即A、B及C点配置了路由器，即可在一台控制终端上同时对多个远端地点的设备实现监视和控制。
广播级宽带视频会议的声像传输方法，其具体步骤如下(1)将视音频信号实时压缩为高质量的MPEG-2视音频流；(2)广播级视音频采集、切换及远程交换的实现；(3)广播级宽带视频会议的实现；(4)通信线路的反向复用；(5)通过将网管信息附加在声像传输流上或选用Internet(TCP/IP)、分组交换网(X.25)或电话交换网(SLIP/PPP)等通信网络传输网管信息；(6)在Windows系统下，使用Visual C++高级语言开发广播级宽带视频会议及声像传输所需的所有功能。
广播级宽带视频会议的声像传输方法，还包括步骤如下(1)依托于ATM、SDH和FR/PSTN传输网络；
(2)在Windows操作系统下开发本发明所需要的VCCC和VCT；(3)实现视频会议的所有功能，视音频质量达到广播级；(4)实现远程传输视音频，质量达到广播级。
图1所示为本发明的系统组织示意图。
图2所示为通过通信网络组成系统的三个装置。
图3所示为系统设备连接图。
图4所示为视频会议装置实现方案示意图。
图5所示为C点的ATM交换机和编解码设备配置连接示意图。
图6所示为视音频设备配置连接示意图。
图7所示为主会场通过矩阵切换收看一个分会场画面的示意图。
图8所示为主会场通过矩阵切换收看参与对话分会场画面的示意图。
图9所示为视频会议装置组成逻辑及其基本工作原理的示意图。
图10所示为VMCU控制方式下的会议流程示意图。
图11所示为广播级声像传输装置实现方案示意图。
图12所示为JQ各点设备配置连接关系的示意图。
图13所示为JQ各点设备配置连接关系的示意图。
图14所示为A、B点设备配置连接的示意图。
图15所示为网络管理装置实现方案的示意图。
图16所示为A、B点的网管配置连接示意图。
图17所示为C点的网管配置连接示意图。
图18所示为JQ各点的网管配置连接示意图。
图19所示为声像传输装置工作流程示意图。
具体实施例方式
图1所示为本发明的广播级宽带视频会议的声像传输系统图。
广播级宽带视频会议的声像传输系统，包括广播级宽带视频会议装置、声像传输装置及网络管理装置三个装置，通信网络，以及实现系统功能的系统集成技术、所有设备和应用软件，广播级宽带视频会议装置、声像传输装置及网络管理装置通过通信网络实现互联。
图2所示为本发明的DELTA广播级宽带视频会议及声像传输系统的组织示意，其中利用现有通信网络，以C点作为视频会议和声像传输的控制中心，以外地7个点(JQ1～7)，本地11个点(A～B，D～G，G1～G4)为例，本发明在网络管理的基础之上主要实现广播级视频会议及声像传输的功能。A、B、D、E、F、G点(二级分会场)、C点(中心会场)。
图3所示为本发明的设备连接示意。主会场(召开视频会议时即主会场)包括字幕机1、特技机2、监视器3、视频源4、视音频矩阵5、录像机6、编解码器7、HUB(集线器)8、网管主会场9、ATM交换机10、路由器11和反向复用器12。分会场(召开视频会议时即分会场)包括的设备比主会场少了字幕机、特技机、视音频矩阵和ATM交换机，并且网管主会场变为网管分会场。
字幕机和特技机用于为监视器显示的内容添加字幕及特技，监视器用于显示主会场(主会场)的图像，视音频矩阵控制输入/输出哪一路视频信息，录像机用于提供或记录视频信息。编解码器用于压缩(下传)及解压缩(接收的上传视频信息)，HUB用于连接主会场(主会场)的所需设备为一个局域网，网管主会场用于控制分会场(分会场)的有关设备，ATM交换机用于将压缩后的视频文件变为ATM码流后下传，或者接收上传的ATM码流后变为压缩后的视频文件送编解码器解压缩。路由器用于网管主会场选择路由，反向复用器接收ATM码流并复用到4条E1线路，或者将4条E1线路上传的信息变为一个ATM码流送ATM交换机。
图4所示为视频会议装置实现方案示意。
C点可分两部分解析，即ATM线路调度设备及会议用的视音频切换系统，会议线路调度设备主要用ATM交换机实现。
C点的本地码流可调度到各个JQ，PDH/SDH传输接口设备采用4路E1(2Mb/s)的反向复用器。此调度可以是广播式，即所有JQ同时收看C点本地的情况，或者仅某些JQ能够收看。ATM交换机的控制软件有一个路由表，用户可以在该表中按要求正确地把C点码流调度到指定的JQ点上。
从各个JQ回传过来的7路码流可全部传送到C点的解码器，从而解码出视音频信号，送入矩阵及调音台进行调度和特技处理。
另一方面，JQ1～7点传过来的码流经过解码器后，变成SDI视频及模拟音频。此7路视频信号被送往7套帧同步模块，然后将其同步输出送到监视分模块。该模块能分配SDI，提供4路SDI输出，以满足今后数字监视器的要求，同时可提供4路模拟复合信号给监视器及模拟视频切换矩阵输入。此7路JQ图像加上C点本地的3路信号源都通往32×16矩阵，此矩阵可扩展到64×64。矩阵的其中4路输出通往特技机，然后经过环路送回矩阵。另外2路输出通往2路编码器。同步信号发生器输出的标准同步信号经过8801视频分配放大器产生15路同步输出，用于C点同步外来的解码信号、视频矩阵、特技机及本地的节目源，达到矩阵切换无抖动的效果。
图5及图6所示分别C点的ATM交换机和编解码设备配置连接和视音频配置连接示意。
操作模式只需用两个编码器即可实现整个会议，其中一路编码器安排给主会场，另一路安排给所有分会场。主会场发言时，所有分会场收看主会场的画面。
图7所示为主会场通过矩阵切换收看任一个分会场的画面。
编解码器#1的主要作用为当主会场不在C点时，需在C点的帮助下利用编解码器#1和C点的ATM交换机为主会场调度适当的信号。如主会场在C点，则不用编解码器#1，而直接利用矩阵调度信号。
图8所示为主会场通过矩阵切换收看此两个分会场对话的特技画面。
主会场的位置并不重要，因为画面和操作已经简化，但C点的永久控制地位不变。
以VMCU系统为核心的网络结构实现了会议调度和会议控制设备管理等功能，VMCU只操作和控制信令，而不处理视频和音频数据。系统要实现某个会议动作时，终端向VMCU发出一个请求。由VMCU根据请求做出相应的反应，并发出不同指令控制相应的终端发起一个会议。由于VMCU只执行会议指令操作，因此所占带宽很小，不存在码流瓶颈的问题。
图9所示为视频会议装置组成逻辑及其基本工作原理。
编解码器A为发言会场并对其余4个编解码器传送视音频时，通过A的会议代理发送一个请求给VMCU。VMCU接收后处理该请求，包括身份验证及可否利用会议资源的检索等。经查询后反馈一个响应给“会议代理终端”，决定是否能够传输视音频。如果允许，VMCU返回一个信息，包括其他4个编解码器的地址、可利用资源，以及何时发起会议或视音频传输，“会议代理终端”根据这些信息控制编解码器发起动作。
在“会议代理终端”呼叫其他编解码器时，VMCU可以了解其整个呼叫过程。确认这些呼叫准确准时建立后，VMCU将不再干涉和处理各编解码器之间的工作，剩下的工作就是控制会议的进行。会议过程可事先做好控制脚本，由VMCU自动完成。也可以根据需要随时改变会议的进程，如B点申请发言，经VMCU许可后B点成为主画面并发言等。
图10所示VMCU控制方式下的会议流，其步骤如下S10-1主会场运行VCCC，初始化有关设备；S10-2分会场运行VCT，初始化有关设备；S10-3主会场下发会议通知或分会场预约会议，VCCC审核后下发会议通知；S10-4VCT判断是否收到会议通知消息；S10-5未收到，则可单击“获取查询”按钮查询有无会议；S10-6收到会议通知消息，单击“登录”按钮连接主会场VCCC，发送登录请求；S10-7到开会时间，单击“开始会议”按钮响应会场登录请求进行身份验证；S10-8连接正常，VCT显示当前拓朴图、连接状态和会议主题；S10-9连接正常，VCCC显示当前拓朴图、连接状态和会议主题；S10-10进入会议进程控制，区分主会场和分会场；主席有控制会场的权限，如处理发言申请等。
图11所示为广播级声像传输装置包括与广播级宽带视频会议装置共用的编解码器、ATM交换机、反向复用器，广播级声像传输装置利用现有光纤和SDH/PDH通信网络完成声像广播级传输功能的实现方案示意。其中，编解码器与A、B、D、E、F、G点(二级分会场)的ATM交换机连接，A、B、D、E、F、G点的ATM交换机通过光纤与C点(中心会场)的ATM交换机和反向复用器连接，然后通过SDH/PDH通信网络的上、下行线路与各分会场的编解码器及反向复用器连接。
图12及图13所示分别为JQ各点的设备配置连接示意，每个JQ点安装1路下行解码器及1路上行编解码，压缩编码方式为MPEG-2 4:2:2。编解码器模块都装在同一个机箱中，其中的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1的多模光纤光口上。然后接往反向复用器，适配到4个E1的G.703标准接口。这样网络上通过SDH/PDH的4个E1传输信道至C点反向复用器对应的接口。并经C点转接，分别到A、B两点，从而实现声像的双向传输及视音频编解码功能。
在时钟同步方面，C点与各JQ点可采用反向复用器基于本身的时钟操作，也可把操作锁定于其任意中一条E1线路上。
在视音频信号接入方面，A、B及JQ1～7编码器的信号输入端均配时基校正器，实现矫正质量较差、非标准的视频时基功能。编解码器方面，按要求配备模拟视音频接口。A、B及JQ1～7各点均按要求配10选1视频切换器及模拟视音频分配器，完成视音频信号源的切换与分配选择。
图14所示为A、B点的设备配置连接示意，两个点均安装1路上行解码器及1路下行编码器(压缩方式均为MPEG-2 4:2:2)。编解码器模块都装在同一个机箱中。机箱中的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1单模光接口，然后接往ATM交换机，从而通过单模光纤传输至C点。在C点经过C点的ATM交换机输出至特定的反向复用设备下传到各JQ。
声像传输装置完成的主要功能为广播式传输和专项传输两种。
广播式传输即从A、B两点输出的信号能分别分时以广播方式传输到所有的JQ，专项传输为从A、B两点输出的信号可以有选择的下行传输到N个JQ(N＝1～7)。从JQ上行的信号可以有选择地分组传输到A或B点或同时传输到A、B两点。
图15所示为网管装置实现方案示意。
该装置只能分别按类分时管理编解码器、ATM交换机和反向复用器等独立的网元，设备管理都是经过IP通道，网管信息的传输可通过两种方式，一是在声像网的传输流上附加网管信息；二是选用Internet(TCP/IP)、分组交换网(X.25)或电话交换网(SLIP/PPP)等通信网络专门传输网络信息。各点的编解码器都有IP over ATM的功能，可以经过视频传送线路传送控制信息。简单地说，在C点通过一台计算机，即可控制全网所有的编解码器。也可通过专网诸如电话网等实现对全网反向复用器，甚至ATM交换机的监视和控制。
从图15可见，每个点均配有控制用PC机及集线器。每个点的被控设备均通过集线器与PC机相连，实现本地控制。可以通过此系统分别控制编解码器、反向复用器和ATM交换机等。同时通过电话网或分组交换等数据通信网络以拨号或专线方式连接各点的PC机，组成整个网管网络，实现对整个传输系统各设备的管理和监控。
编解码器通过IP over ATM功能，在业务传输流上叠加管理信息，通过业务传输通道完成对远端的编解码器的管理和监控。
为了便于监控多个地点的远端设备，在主控和分控中心，即A、B及C点配置了路由器，即可在一台控制终端上同时对多个远端地点的设备实现监视和控制。
图16所示为A、B点的网管配置连接示意。
图17所示为C点的网管配置连接示意。
图19所示为JQ各点的网管配置连接示意。
每个点的控制PC机安装MS Windows NT Server或Workstation操作系统和拨号服务器软件，以响应外来的拨号。利用Modem和电话网来传输数据信息。在远程拨号时，拨号服务器响应拨号后，远程的用户可在许可下浏览网络，以控制和监控网络。
图19所示为声像传输装置的工作流程示意，其步骤如下(以主会场下传声像为例)主会场下传声像具体步骤如下
S19-1主会场使用采编设备，如摄像机等采集并编辑视频流，产生数字或模拟视频流送编解码器；S19-2编解码器将数字或模拟视频流压缩为MPEG-2格式的文件送ATM交换机；S19-3ATM交换机产生ATM码流送ATM传输网；S19-4分会场的ATM交换机接收到ATM码流，将其恢复为MPEG-2格式的文件送编解码器；S19-5编解码器解压缩MPEG-2格式的文件为数字或模拟视频流送编采设备；S19-6编采设备处理。
权利要求
1.一种广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，包括广播级宽带视频会议装置、声像传输装置及网络管理装置三个装置，所有设备和应用软件，广播级宽带视频会议装置、声像传输装置及网络管理装置通过通信网络及实现系统功能的系统集成技术实现互联。
2.根据权利要求1的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，宽带视频会议装置包括的主要设备为编解码器、ATM交换机、反向复用器、视音频矩阵、数字特技切换台、字幕机，以及运行应用软件的服务器和终端。
3.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，编解码器的编码器将视音频信号实时压缩为MPEG-2视音频流，视频输入/输出可选择串行数字接口或PAL/NTSC复合信号，支持MPEG-2的MP@ML及4:2:2MP@MLM格式，音频处理为SMPTE 302M非压缩和MPEG-1 Layer II格式，提供用于卫星传送的DVB/ASI的输出接口和用于连接ATM的ATM网络接口，解码器解压缩MPEG-2视音频流，以提供传递高质量且实时的MPEG-2数字视频信号，编码格式和视频比特率包括MPEG-1、MPEG-2MP@ML和MPEG-2 4:2:2P@ML。
4.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，ATM交换机，2.5Gb/s～10Gb/s的非阻塞交换容量、全系列的LAN和WAN接口、端口类型从T1/E1到OC-12/STM-4c、ATM论坛PNNI 1.0版本、虚拟UNI、逐个VC排队方式、大于1,000,000信元缓存、呼叫建立小于2ms、最大端口速率622Mb/s、以太网接口兼容802.3，以及RJ-45连接器。
5.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，反向复用器，将N*E1反向复用至1个E2接口，可自动检测信道质量，自动进行速率调整，当N条E1线路阻断时，自动将被阻断线路的业务复用到未被阻断的线路上。
6.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，视音频矩阵支持在同一个机柜内的多种格式的信号，如模拟音频和视频、标准和高清晰度的数字视频、AES/BEU数字音频，支持在同样级别下数字音频和模拟音频间的路由，最大可配置为128×128路独立的视频或音频单元，或两个64×64路单独的视频和音频组合，或4种32×32不同格式装置的组合，模拟视频装置包含32路视频输入/输出，立体声模拟音频装置提供立体声音频信号的处理和广播质量的输出，系统输入带宽为100MHz，输入/输出接口为75ΩBNC，回波损耗＞40dB DC to10MHz，模拟音频装置为平衡方式的输入/输出，最大输入/输出为+24dBu。
7.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，数字特技切换台，作为一个多功能数字特技系统，支持SDI、模拟分量信号及模拟复合信号，可提供YUV色彩校正功能，调整白平衡及全色彩，根据需要可选择4∶3或16∶9画面的宽高比，可提供黑同步信号输出，以实现与外接设备的同步，可以对画面进行帧存，并以帧方式冻结画面。
8.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，字幕机为PCI32位总线、高速图文加速器、10比特数字编码、全数字4:2:2数字处理方式、32位图文字幕输出、256级透明度设置，支持复合、Y/C等接口、板卡内置时基校正器、具有复合键信号输出，三维动画实时满屏播出，多个局部动画同屏同时实时播出，字幕播出采用播出表方式，可定时、手动、延时、循环播出任意方式的动画、字幕及图文特技，标准TrueType字库，采用字幕边缘抗混叠算法确保大字稳定平滑，小字清晰不闪烁，提供多种字幕特技，包括波浪、卷页、旗飘、变焦、翻转及手写字，支持自创画像、肖像制作，提供位图高级处理装置，内建多种滤镜效果，提供多层位图的编辑和合成和专业的中文Windows NT操作平台，模板库包括渐变模板、对象模板、文字模板、材质库、纹理库、光效库、图形库、图标库和背景库。
9.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，运行应用软件的服务器，CPU为Pentium 4 2.4GMHz，内存为512MB，硬盘为240GB，光驱为54X，运行VCCC软件。
10.根据权利要求2的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，运行应用软件的终端，CPU为Pentium4 2.4GMHz，内存为512MB，硬盘为80GB，光驱为54X，运行VCT软件。
11.根据权利要求1的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，广播级宽带视频会议装置包括与声像传输装置共用的编解码器、ATM交换机、反向复用器，其中，编解码器与A、B、D、E、F、G点的ATM交换机连接，A、B、D、E、F、G点的ATM交换机通过光纤与C点的ATM交换机和反向复用器连接，然后通过SDH/PDH通信网络的上、下行线路与各分会场的编解码器及反向复用器连接。
12.根据权利要求1的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，网络管理装置包括与声像传输系统装置共用的编解码器、ATM交换机、反向复用器，以及运行VCT的PC终端，每个点均配有运行VCT的PC终端及集线器，每个点的被控设备均通过集线器与PC终端相连实现本地控制，可以通过此系统分别控制编解码器、反向复用器和ATM交换机，同时通过电话网或分组交换数据通信网络以拨号或专线方式连接各点运行VCT的PC终端组成整个网管网络，实现对整个传输系统各设备的管理和监控。
13.根据权利要求12的广播级宽带视频会议的声像传输系统，其特征在于，网络管理装置，实现方式为选用Internet(TCP/IP)、分组交换网或电话交换网通信网络专门传输，各点的编解码器都有IP over ATM，可以经过视频传送线路传送或接收网管信息，简单地说，在C点通过一台计算机，即可控制全网所有的编解码器，也可通过电话网监视和控制全网的反向复用器，或ATM交换机；每个点均配有运行VCT的PC终端及集线器，每个点的被控设备均通过集线器与PC终端相连，实现本地控制，可以通过此系统分别控制编解码器、反向复用器和ATM交换机，同时通过电话网或分组交换等数据通信网络以拨号或专线方式连接各点的PC终端，组成整个网管网络，实现对整个传输系统各设备的管理和监控；编解码器通过IP over ATM，在视频传输流上叠加管理信息，通过业务传输通道完成对远端的编解码器的管理和监控；为了便于监控多个地点的远端设备，在中心站和分站，即C点和A、B点配置了路由器，即可在一台控制终端上同时对多个远端地点的设备实现监视和控制。
14.一种广播级宽带视频会议的声像传输方法，广播级声像传输的实现方式如下利用现有光纤和SDH/PDH通信网络，完成声像的广播级传输，每个JQ点安装1路下行解码器及1路上行编解码，压缩编码方式为MPEG-24:2:2，编解码器模块都装在同一个机箱中，机箱内的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1的多模光纤光口上，然后接往反向复用器，适配到4个E1的G.703标准接口，这样网络上通过SDH/PDH的4个E1传输信道至C点反向复用器对应的接口，并经C点转接分别到A、B两点，从而实现声像的双向传输及视音频编解码，在时钟同步方面，C点与各JQ点可采用反向复用器基于本身的时钟操作，也可把操作锁定于其任意中一条E1线路上，在视音频信号接入方面，A、B及JQ1～7编码器的信号输入端均配时基校正器，实现矫正质量较差、非标准的视频时基功能；在编解码器方面，按要求配备模拟视音频接口，A、B及JQ1～7各点均按要求配10选1视频切换器及模拟视音频分配器，完成视音频信号源的切换与分配选择，A、B两点安装1路上行解码器及1路下行编码器，编解码器模块都装在同一个机箱中，机箱中的ATM模块把输入及输出的MPEG-2码流复接到机箱的STM-1单模光接口，然后接往ATM交换机，从而通过单模光纤传输至C点，经过C点的ATM交换机输出至特定的反向复用设备下传到各JQ，A、B点的设备配置，有广播式传输和专项传输两种传输方式，广播式传输即从A、B两点输出的信号能分别分时以广播方式传输到所有的JQ；专项传输为从A、B两点输出的信号可以有选择地下行传输到N个JQ，从JQ上行的信号可以有选择地分组传输到A或B点或同时传输到A、B两点，网络管理的实现方式如下选用Internet(TCP/IP)、分组交换网或电话交换网传输，可以经过视频传送线路传送或接收网管信息，在C点通过一台计算机即可控制全网所有的编解码器，也可通过电话网监视和控制全网的反向复用器，或ATM交换机，每个点均配有控制用PC机及集线器，每个点的被控设备均通过集线器与PC机相连实现本地控制，可以通过此系统分别控制编解码器、反向复用器和ATM交换机，同时通过电话网或分组交换数据通信网络以拨号或专线方式连接各点的PC机组成整个网管网络，实现对整个传输系统各设备的管理和监控。
15.根据权利要求14的广播级宽带视频会议的声像传输方法，其具体步骤如下(1)将视音频信号实时压缩为高质量的MPEG-2视音频流；(2)广播级视音频采集、切换及远程交换的实现；(3)广播级宽带视频会议的实现；VMCU负责会议调度和设备管理，它提供两种会议模式1.主席模式(1)选择分会场画面在A会场开会，以主席方式控制，选择想看的分会场，D、E，单击D、E的图标，VCT发送一个指令给VCCC，VCCC控制视音频矩阵将D、E的输入切到对应A厅的输出，此时A厅的大屏幕上显示D、E的画面，如此时还有其他会场可供选择，主席可单击“轮询”按钮，设置一个时间，VCCC会基于这个时间定时控制视音频矩阵不断地切换会会场画面，(2)与会会场申请发言主席VCT退出分会场请求窗口，如果批准，则单击“同意”按钮，主席VCT发指令给VCCC，控制矩阵将申请发言的会场输出给A会场的主画面，同时将主席会场和发言会场和发言会场送特技机做画面合成及音频混音，然后广播给其他分会场，2.导播模式(1)开始会议导播在VCCC上控制矩阵，选择分会场的画面给A和B，控制分会场画面轮询及主会场的画面传送给分会场，(2)与会会场申请发言如果批准，则单击“同意”按钮，导播在VCCC上控制矩阵将发言会场切换给A/B会场的主画面，或将发言会场和其他分会场中的一个经过特技合成切换给A/B的主画面，此时发言会场看到是主会场画面，其他分会场看到主会场和发言会场的合成画面，(3)通信线路的反向复用；(4)通过将网管信息附加在声像传输流上或选用Internet(TCP/IP)、分组交换网或电话交换网通信网络传输网管信息。
16.根据权利要求14的广播级宽带视频会议的声像传输方法，还包括步骤如下(1)依托于ATM、SDH和FR/PSTN传输网络；(2)在Windows操作系统下开发本发明所需要的VCCC和VCT；(3)实现视频会议的所有功能，视音频质量达到广播级；(4)实现远程传输视音频，质量达到广播级。
17.根据权利要求15的广播级宽带视频会议的声像传输方法，VMCU控制方式下其步骤如下S10-1主会场运行VCCC，定义会场名称并初始化有关设备；S10-2分会场运行VCT，初始化有关设备；S10-3主会场下发会议通知或分会场预约会议，VCCC审核后下发会议通知；S10-4VCT判断是否收到会议通知消息；S10-5未收到，则可单击“获取查询”按钮查询有无会议；S10-6收到会议通知消息，单击“登录”按钮连接主会场VCCC，发送登录请求；S10-7到开会时间，单击“开始会议”按钮响应会场登录请求进行身份验证；S10-8连接正常，VCT显示当前拓朴图、连接状态和会议主题；S10-9连接正常，VCCC显示当前拓朴图、连接状态和会议主题；S10-10进入会议进程控制，区分主会场和分会场；主席有控制会场的权限。
18.根据权利要求15的广播级宽带视频会议的声像传输方法，主会场下传声像具体步骤如下S19-1主会场使用采编设备，采集并编辑视频流，产生数字或模拟视频流送编解码器；S19-2编解码器将数字或模拟视频流压缩为MPEG-2格式的文件送ATM交换机；S19-3ATM交换机产生ATM码流送ATM传输网；S19-4分会场的ATM交换机接收到ATM码流，将其恢复为MPEG-2格式的文件送编解码器；S19-5编解码器解压缩MPEG-2格式的文件为数字或模拟视频流送编采设备；S19-6编采设备处理。
全文摘要
本发明涉及广播级宽带视频会议和声像传输技术领域，一种广播级宽带视频会议的声像传输系统和方法。系统包括广播级宽带视频会议、声像传输及网络管理三个装置。方法包括(1)将视音频信号实时压缩为MPEG－2视音频流；(2)广播级视音频采集、切换及远程交换的实现；(3)广播级宽带视频会议的实现；(4)通信线路的反向复用；(5)通过选用(TCP/IP)、分组交换网或电话交换网通信网络传输网络管理信息；(6)使用Visual C++高级语言开发视频会议、声像传输和网络管理的应用软件。本发明用于(1)广播级宽带视频会议；(2)远程传输声像信息，质量达到广播级；(3)使用不同网络传输视音频及网络管理信息。
文档编号H04N7/15GK1917622SQ20051009063
公开日2007年2月21日 申请日期2005年8月18日 优先权日2005年8月18日
发明者杨滨, 孙碧云 申请人:北京德瑞塔时代网络技术有限公司