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分布式4K高清信号处理系统在企业集团总部的应用

发表时间：2021/4/15 来源：《建筑科技》2020年10月上作者：王峡

[导读] 伴随着突如其来的新冠疫情，视频会议远程会议变成了企业业务沟通的重要渠道。近年来随着AVoverIP行业的快速发展，AV行业的IP化在企业会议室的应用已经由一种概念化的需求逐渐变成了一种硬性需求，分布式高清信号处理系统已经从标清信号（480P）、全高清（1080P）发展到4K（2160P）。

国家电投集团信息技术有限公司王峡

摘要：伴随着突如其来的新冠疫情，视频会议远程会议变成了企业业务沟通的重要渠道。近年来随着AVoverIP行业的快速发展，AV行业的IP化在企业会议室的应用已经由一种概念化的需求逐渐变成了一种硬性需求，分布式高清信号处理系统已经从标清信号（480P）、全高清（1080P）发展到4K（2160P）。传统的集中式矩阵系统已经无法满足企业集团总部会议室的需求，分布式4K高清信号处理系统采用去“中心化”的设计理念，由编码器和解码器代理传统矩阵信号处理并通过交换机进行数据互传，系统具有无限扩展性和高度稳定冗余等特点。因此，企业集团总部会议室采用分布式4K高清信号处理系统可实现本地会议的4K高清信号处理，为4K高清视频会议信号的接入提供了坚实的硬件接入条件。
关键词：分布式；4K高清信号处理；集团总部；应用
        引言
        随着新冠疫情的影响，企业集团总部的会议从单一的本地会议到内网视频会议、云视频会议、无纸化会议、云直播等多种类型的需求，伴随着需求的增加企业中原有的集中式信号处理系统已无法满足企业总部的需要。企业集团总部对信号处理系统整体稳定性及可靠性要求较高，分布式4K高清信号处理系统基于标准千兆网络的专网进行设计，信号处理系统承载了视频会议、高清摄像、高清录播、视频会议、无纸化会议等各类多媒体信号的处理，推送音频到扩声系统，推送视频到相应显示子系统。分布式4K高清信号处理系统采用分布式编解码器（内嵌DANTE音频），充分发挥灵活性，提高系统的扩展性。分布式节点具备抗电磁干扰，全面支持4K 60HZ 4:4:4。分布式4K高清信号管理系统（可视化）可对所有的信号进行预览监控，信号源统一管理、设备状态展示等功能。
        1、分布式4K高清信号处理系统整体设计
        将视频会议终端、会场电脑、摄像机、无线投屏器、专业显示器等显示设备接入分布式系统，利用分布式编解码器，完成信号数字化，然后通过交换机网络进行信号的互通互联，同时也便于日后的灵活扩展升级和运行维护；对于视频会议终端、电脑主机、录播主机、摄像机、墙插、各类显示器等设备，选用盒子型分布式编解码器，分布式随终端设备安装点位进行布置。
        系统设计将本楼层的视频会议终端集中布置到中控机房，视频会议终端的视频输出通过分布式编码器的将HDMI编码后传输到显示设备的解码器，视频会议终端的音频输出通过Dante编码器进行加嵌后配置到音频处理器的Dante矩阵的输入；视频会议终端的视频输入通过分布式解码器将房间内的摄像机及电脑信号输入到终端，视频会议终端的音频输入将通过Dante解码器解嵌数字音频处理器的Dante矩阵的话筒信号或笔记本音频作为音源输入。
        移动视频会议终端布置在中控机房，移动电视与分布式解码器连接，高清摄像机安装到电视后与分布式编码器连接，在会议室需要视频会议功能时，只需要将移动电视布置到房间并连接分布式网络，视频会议终端将与房间内的投影机、移动电视、桌面话筒、音箱等设备组成标准的视频会议室。
        针对软视频会议终端需要USB摄像头的需求，会议室分布式编解码器将高清摄像机的USB信号数字化后输入到软视频会议终端；会议室的解码器可解析终端的USB键盘鼠标，可实现参会人员在会议室实时操作软视频会议终端。

        2、会议室的分布式会议系统设计
        会议室配置1套支持4K60色彩无损4:4:4和HDR高动态的视频的分布式信号处理系统，安全可靠、无延迟。它拥有无限可扩展性与灵活性。系统配置的编解码器支持UHD 3840x2160与DCI 4096x2160@60帧分辨率。
        本地会议时分布式编解码器通过会议室千兆交换机实现信号的调度；视频会议终端及无纸化系统都采用中控机房集中放置的方式，通过机房与会议室交换机组成的分布式专用网络进行无延迟传输，音频系统采用Dante传输技术保证了音视频的同步。
        软视频会议模式，高清摄像机USB图像和话筒音频通过分布式系统传输到机房布置的软终端主机，主机的画面和USB键盘鼠标可通过分布式系统传回到会议室现场的显示器和无线键盘鼠标，实现在本地会议室召开Teams、Zoom、Webx等视频会议的功能。
        系统配置1台支持Dante数字音频传输协议的音频处理器，通过Dante技术可以在本地网络上实现64x64通道的无压缩音频传输。
        本地会议模式时，电脑PC音频、话筒音频可通过会议室音频处理器实现音频的信号的调度；
        视频会议模式时，会议室音频处理和中控室音频处理器组成发Dante网络来调度本地会场话筒和远端视频会议的信号，通过与分布式系统配合可实现无压缩、无延时的音视频同步画面。
        3、分布式4K高清信号处理系统特点
        分布式4K高清信号处理系统提供标准 1Gb 以太网传输超高品质的 4K60以及色彩无损4:4:4和HDR 高动态的视频，并且安全可靠、无延迟。它拥有无限可扩展性与灵活性，适用范围广泛从小型的独立空间系统中到大型综合部署复杂的拓扑结构，以合理的价格提供终极性能和最高灵活性。
        3.1提供企业级网络安全
        音视频在网络上分布安全是尤为重要的，本系统符合以下国际安全协议标准:
        AES加密行业标准的AES加密和强大的PKI进行音视频内容加密，以保护内容在穿越网络时免受未经授权的访问；
        802.1x认证用于确保网络上的设备已被网络管理团队明确认可，防止未经授权的设备被添加到网络并获得敏感内容的访问权限;
        ActiveDirectory 可用于确保编解码设备的管理权限可在必要时集中管理，授权和撤销;
        SSL的安全CIP 用于确保控制系统和编解码设备之间的通信安全，并且网络上的任何未授权设备都不能监视控制和状态查看;
        SSH 基于SSH的命令行控制台可防止未经授权的用户访问设备控制台;
        HTTPS 用于对Web界面进行身份验证和加密，以确保编解码设备仅由授权用户访问；
编解码设备所有控制接口都经过认证和加密，确保未经授权的用户无法查看或修改任何发送到编解码设备或从编解码设备发送的控制数据
        3.2提供最高图像质量
        分布式4K高清信号处理系统专为要求苛刻的会议室和多媒体应用而设计，可确保实时全动态4K60视频性能，用于演示多媒体，视频会议和实时图像。编解码器采用了高质量的JPEG 2000编码技术，该技术覆盖了缩放和编码等待时间，以60 fps的速度实现了30 ms的超低端到端延迟，所以屏幕上的功能如鼠标和游戏发挥是流畅和自然的。
        如今大多数4K电脑和录像设备都同时支持UHD和DCI格式，大多数显示器将显示他们。在生活中，大家常用的电子设备和计算机输出的分辨率都高于2K分辨率，播放器都能输出4K分辨率。所以在专业的音视频空间建设4K60的音视频传输系统是非常必要的，编解码器提供:4K60分辨率编解码器支持UHD 3840x2160与DCI 4096x2160@60帧分辨率;色彩无损 4:4:4 编解码器提供4:4:4色彩无损传输，更好的还原真实颜色;高动态范围HDR 增强色域，更广泛的亮度和色彩。
        3.3提供最高兼容性
        编解码器兼容所有管理与控制信号：支持HDCP2.2 、EDID管理、内置倍线；集成红外、串口、CEC、以太网控制接口；支持POE供电；编解码器兼容所有传输类型，内置3个以太网端口；支持双绞线端口（2个RJ45端口传输100m）；支持光纤端口（1个SFP端口传输10km）
        3.4提供标准1Gb网络分布
        编解码器是一个功能强大的网络音视频解决方案，它可以部署在现有的1Gb以太网基础设施或专用网络上。编解码器基于Web的控制、管理，提供4K60 4:4:4分布在标准的1Gb网络上，无需昂贵的10Gb的基础架构。1Gb内包含4K60 4:4:4 HDR视频，无损音频，USB2.0，以太网，控制信号。任何端点都可以将视频发送到任何端点这是网络视频的最大优势
        3.5提供最大的灵活性
        编解码器提供最大的灵活性:支持端到端信号延长，通过双绞线延长100米、通过光纤延长10km；支持菊花链视频分配，单信号同时支持16个端点的信号分配；支持交换机路由和堆叠信号分配，编解码器兼容多种品牌网络交换机，只需要40Gb上行链路就可以在单个交换机上连接多达40个设备,通过普通的交换机就可轻松部署大型系统；
        分布式4K高清信号处理系统支持无限可扩展的灵活部署，在会议室和多媒体空间中使用现有的以太网基础设施进行视音频传输演示。编解码器提供最高的灵活性和可扩展性。在任何空间添加编码器/解码器即可将视频输入或输出到网络。采用标准1b网络基础设施，通过网络部署，可轻松配置为数以千计的自定义矩阵；编码器/解码器设计为一体式，既是编码器又是解码器的好处极大提高了灵活性和低成本，在应用中能提供更大的灵活性与便利。
        3.6提供音频分离切换和内置DSP处理
        分布式4K高清信号处理系统提供模拟音频嵌入或提取，将模拟音频嵌入到HDMI或网络视频流输出；或从HDMI或网络视频流输出提取；
提供音频分离切换，编码器自动生成辅助音频流，解码器可以从不同的编码器选择主音频流或辅助流；配置为解码器时，HDMI输出将解码后的信号馈送到本地显示设备，切换台或其他设备的HDMI输入。内置缩放器可确保获得最佳图像，向上或向下缩放编码的源分辨率以匹配显示设备的原始分辨率。当配置为编码器时，HDMI输出可用于馈送本地显示器，置信度监视器或音频系统。
        3.7较高兼容性和扩展性方便管理者使用和维护
        精心设计的分布式系统是一个功能强大的网络音视频解决方案，它可以部署在现有的1Gb以太网基础设施或专用音视频网络上，提供在整个房间，大楼内路由高质量的4K60 4:4:4高动态HDR的流媒体信号。具有信号的输入、输出、活动、报错等信息指示灯。
        对于部署分布式4K高清信号处理系统，网络基础设施对网络化音视频传输至关重要，因为所有终端必须连接到一个专门设计的非阻塞，启用组播的交换网络才能正常工作。选择合适的网络基础架构组件对成功实现网络分布高标准的音视频内容非常重要，本系统无需昂贵的网络交换机，适用多种品牌的普通型网络交换机即可轻松部署。
        3.8简单的配置与管理
        系统配置简单，使用简单的Web页面或自带软件工具进行配置，可以设置所有参数项，使用虚拟交换设备集中管理，提供图形化的混合矩阵切换界面进行管理和控制整个分布式网络，虚拟交换设备自动发现网络上的每个分布式系统设备，可以简单配置大型音视频网络系统，同时集成中控控制系统，可轻松实现音视路由、音视频信号切换。
        结束语
        分布式4K高清信号处理系统将实现高清视频会议设备的全面支持4K 信号，满足企业集团总部的视频会议使用模式需求。满足目前高清视频设备的接入兼顾后期视频会议终端升级为4K的需求，从功能上和技术上满足企业集团总部对视频会议室的高标准要求。
参考文献
[1]李铭. 分布式视频矩阵的运用探讨[J]. 湖北邮电规划设计有限公司, 信息系统工程. 2019,(06)
[2]分布式数字音视频矩阵系统在谈话录音系统的应用[J]. 朱云峰,王苏苏,徐阳. 廊坊师范学院学报(自然科学版). 2014(06)
[3]分布式集群视频矩阵调度系统的设计与实现[D]. 蒋兰子.广西大学 2014