視頻會(huì)議多點(diǎn)控制的MCU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
張亞婷 郭華 2010/06/12
引言
視頻會(huì)議的多點(diǎn)控制單元(MCU)是視頻會(huì)議系統(tǒng)的核心設(shè)備。所有參與會(huì)議的終端可與MCU建立一對(duì)一的連接，終端負(fù)責(zé)采集本會(huì)場(chǎng)的聲音和圖像，然后經(jīng)編碼后傳輸?shù)組CU，由MCU根據(jù)當(dāng)前視頻會(huì)議的模式確定對(duì)音視頻信號(hào)的處理方式和轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，最后將處理后的音視頻數(shù)據(jù)再發(fā)送到每一個(gè)與會(huì)者。
1、多點(diǎn)視頻會(huì)議的分類
基于H.324標(biāo)準(zhǔn)，多點(diǎn)會(huì)議實(shí)現(xiàn)有各種不同的方法和配置，主要可以為集中式多點(diǎn)會(huì)議和分散式多點(diǎn)會(huì)議兩種模式。
集中式多點(diǎn)會(huì)議是由一個(gè)多點(diǎn)控制單元來組織，所有終端以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向多點(diǎn)控制單元發(fā)送視頻流、音頻流和控制流。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中的多點(diǎn)控制器使用H.245控制功能來對(duì)會(huì)議進(jìn)行集中式管理。H.245也可用來指定各終端的通信能力。多點(diǎn)處理器可進(jìn)行混音、數(shù)據(jù)分配以及視頻信號(hào)的混合和切換，并將處理結(jié)果送回參加會(huì)議的終端。一個(gè)支持集中式多點(diǎn)會(huì)議的典型多點(diǎn)控制單元通常由一個(gè)多點(diǎn)處理器和多點(diǎn)控制器組成。
分散式多點(diǎn)會(huì)議是傳統(tǒng)的會(huì)議系統(tǒng)(如H.320)所沒有的。在這種管理方式的系統(tǒng)中沒有MCU，也沒有集中控制和集中管理的設(shè)備，MCU的功能是以MC和MP功能模塊的方式分別存在于系統(tǒng)的其他設(shè)備中。分布式多點(diǎn)控制和管理之所以能在基于分組的通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，其主要原因是網(wǎng)絡(luò)中的通信是在邏輯信道中進(jìn)行的，而不是以物理信道為單位進(jìn)行的。分布式多點(diǎn)會(huì)議利用多點(diǎn)播送技術(shù)來組織，參加會(huì)議的終端向別的與會(huì)者終端以多點(diǎn)播送方式傳送視頻和音頻信息，而無須在多點(diǎn)處理器集中進(jìn)行。H.245控制信息仍然以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳送給主多點(diǎn)控制器，圖2所示是分散式MCU的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
集中式多點(diǎn)視頻會(huì)議中的MCU集多點(diǎn)視頻會(huì)議控制器(MC)和多點(diǎn)視頻會(huì)議處理器(MP)于一身，它既有組織和管理會(huì)議的功能，同時(shí)負(fù)責(zé)所有與會(huì)者的聲音和圖像的處理和切換。
2、MCU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 集中式多點(diǎn)視頻會(huì)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
星型組網(wǎng)方案是集中式多點(diǎn)會(huì)議的首選方案。星型組網(wǎng)方案是將所有終端通過集線器或交換機(jī)連接到MCU，每個(gè)終端都只與MCU建立一個(gè)基于H.324標(biāo)準(zhǔn)的連接，圖3所示是其星型組網(wǎng)方案。每個(gè)終端負(fù)責(zé)對(duì)本會(huì)場(chǎng)的聲音、圖像進(jìn)行采集后，再經(jīng)過相應(yīng)的編碼算法進(jìn)行編碼，然后將編碼得到的音視頻流通過交換機(jī)發(fā)送到MCU，由MCU根據(jù)當(dāng)前的會(huì)議模式對(duì)音頻和視頻分別進(jìn)行處理。音視頻的處理主要包括對(duì)與會(huì)者聲音的混合和多畫面合成，最后將處理后的音視頻數(shù)據(jù)由MCU根據(jù)會(huì)議模式轉(zhuǎn)發(fā)給每個(gè)參會(huì)者的終端。
視頻會(huì)議模式的設(shè)置和參與會(huì)議的成員管理可由MCU控制臺(tái)來完成。實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)為每個(gè)會(huì)議配備一個(gè)會(huì)議管理者，又稱會(huì)議管理員。會(huì)議管理員可通過MCU控制臺(tái)對(duì)多點(diǎn)控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)置會(huì)議開始和結(jié)束的時(shí)間、會(huì)議采用的音視頻標(biāo)準(zhǔn)、會(huì)議模式的設(shè)置、與會(huì)者列表的管理以及會(huì)議模板的裝載和保存等。在會(huì)議進(jìn)行中，會(huì)議管理員還可通過MCU控制臺(tái)對(duì)會(huì)議進(jìn)行調(diào)度，包括指定新的主席、指定新的發(fā)言聽眾、取消發(fā)言等。
在分布式會(huì)議方案中，各個(gè)終端均完成一定的控制與交換功能，因而靈活性強(qiáng)，與會(huì)端加入／退出會(huì)議功能易于實(shí)現(xiàn)，但其通信協(xié)議比較復(fù)雜�？刂菩畔⒁詮V播方式發(fā)送，因而通信效率比較低，所以通常采用集中式實(shí)現(xiàn)方案。有時(shí)候，主席端也可與MCU合并形成一個(gè)超級(jí)服務(wù)端。這種方式可以演化為人們所熟悉的客戶／服務(wù)器體系。在主席端的機(jī)動(dòng)性要求不高時(shí)，這種方式具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，如易于實(shí)現(xiàn)，控制簡(jiǎn)便等。圖4所示是客戶／服務(wù)器方式MCU的方案結(jié)構(gòu)。為了保證通用性和機(jī)動(dòng)性，本設(shè)計(jì)采用集中式MCU方案。
2.2 MCU的通信接口設(shè)計(jì)
通信接口的主要功能是數(shù)據(jù)串／并變換與緩存，其作用類似于較大輸入輸出緩沖區(qū)的串口擴(kuò)展。從調(diào)制解調(diào)器(Modem)輸入的串行數(shù)據(jù)格式為2-8-1-N，即2
bit起始位，8 bit數(shù)據(jù)，1bit停止位，無奇偶校驗(yàn)。接口卡分離出8 bit數(shù)據(jù)位并對(duì)之進(jìn)行串／并變換后存入輸入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)是8 kbit的FIFO(先入先出)堆棧，接口卡提供指定的地址以便微機(jī)從中讀取數(shù)據(jù)。微機(jī)輸出的數(shù)據(jù)可寫入接口卡的輸出緩沖區(qū)。它也是8
kbit的FIFO堆棧，然后接口卡執(zhí)行相反的操作并將之輸出到Modem[17]。接口卡的原理如圖5所示。
2.3 視頻會(huì)議系統(tǒng)協(xié)議的簡(jiǎn)化模型
MCU的設(shè)計(jì)可參考ITU的H.324系列建議。該建議擬訂了低比特多媒體通信終端的基本框架。它包括四個(gè)主要部分：G.723.1音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、H.263視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、H.245通信控制協(xié)議和H.223復(fù)接分接協(xié)議，該建議同時(shí)也描述了一個(gè)在PSTN中采用V.34標(biāo)準(zhǔn)的Modem。V.34標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輸入／輸出Modem的數(shù)據(jù)格式、比特率等要求。本系統(tǒng)由于MCU連接了多個(gè)端口，若各端口Modem的速率不一致，則可能會(huì)造成MCU的數(shù)據(jù)擁塞，故本系統(tǒng)中禁止Modem速率的自動(dòng)調(diào)整。一般在會(huì)議開始之前，即按各端口中最低速率建立連接，以保證較小的誤碼率。在MCU中，主要是對(duì)H.223幀的幀頭進(jìn)行處理。H.223幀結(jié)構(gòu)中的幀起始標(biāo)志為3個(gè)連續(xù)的FAS碼，每個(gè)FAS碼長(zhǎng)為4個(gè)字節(jié)，試驗(yàn)系統(tǒng)中可取為0XEC。該標(biāo)志也可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)H.223幀的定界。由于幀長(zhǎng)度是不定的，因此，幀起始標(biāo)志的正確傳輸與檢測(cè)直接影響到幀定位�？刂菩盘�(hào)也占4個(gè)字節(jié)，其中前兩個(gè)字節(jié)為BAS碼，主要攜帶會(huì)議控制信息。因本會(huì)議系統(tǒng)的可能狀態(tài)較少，所用到的控制命令也少，故只用一個(gè)字節(jié)傳送命令，另一個(gè)字節(jié)作為BAS碼的糾錯(cuò)字節(jié)，以保證命令的正確傳輸。
在視頻會(huì)議系統(tǒng)的命令交互中，MCU及各個(gè)與會(huì)站點(diǎn)在會(huì)議中都要維護(hù)一張狀態(tài)設(shè)置表，表中記錄了各與會(huì)站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的邏輯端口、電話號(hào)碼、地理位置、在會(huì)議中的身份(主席、發(fā)言方及普通會(huì)員)等，此后MCU進(jìn)一步將邏輯端口映射成相應(yīng)的物理地址，以便MCU從該地址讀寫信息。狀態(tài)設(shè)置表的初始設(shè)置是在會(huì)前通過勤務(wù)電話確定的。預(yù)定的開會(huì)時(shí)間由MCU負(fù)責(zé)通過Modem呼通各與會(huì)站點(diǎn)，以建立起數(shù)據(jù)鏈路。當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)呼通后，該站點(diǎn)即在其H.223幀中插入終端就緒命令，而MCU則將該幀環(huán)回，并將BAS碼替換為就緒確認(rèn)命令。當(dāng)所有站點(diǎn)均就緒后，MCU即向各站點(diǎn)發(fā)會(huì)議就緒命令。同時(shí)將主席端的數(shù)據(jù)切換到各個(gè)站點(diǎn)，此時(shí)主席便可以發(fā)言，也可以命令其它會(huì)員發(fā)言。如果主席沒有發(fā)命令給MCU，則向MCU發(fā)會(huì)議進(jìn)行中狀態(tài)指示，MCU則維持當(dāng)前狀態(tài)；若主席命令A(yù)站點(diǎn)發(fā)言，則其在H.223幀中插入令A(yù)發(fā)言的命令。MCU接到命令后，即將A站點(diǎn)的數(shù)據(jù)切換到除A外的所有其它站點(diǎn)，同時(shí)將主席的數(shù)據(jù)發(fā)往A站點(diǎn)。當(dāng)主席命令會(huì)議結(jié)束時(shí)，MCU即向各站點(diǎn)發(fā)送會(huì)議結(jié)束確認(rèn)命令，并停止工作，由各站點(diǎn)自行掛斷Modem。圖6為上述過程的命令交互示意圖。
在會(huì)議中，MCU接主席命令后，應(yīng)根據(jù)該命令所產(chǎn)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)移來修改狀態(tài)設(shè)置表。通過低速M(fèi)CU伺服軟件可使MCU同時(shí)控制8個(gè)與會(huì)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀入寫出操作，同時(shí)進(jìn)行命令解釋執(zhí)行工作。由于幀交換又要占用大量的內(nèi)存資源，同時(shí)還要保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此，MCU伺服軟件的設(shè)計(jì)不僅要求執(zhí)行效率高，還要求程序本身要占用較少的系統(tǒng)資源。
3 MCU的軟件設(shè)計(jì)
該軟件的設(shè)計(jì)可采用快速原型方法來完成。首先可建立簡(jiǎn)化的快速原型，然后在此基礎(chǔ)上逐步完善以達(dá)到設(shè)計(jì)要求�？焖僭屯瑯涌刹捎媚K化的方法將整個(gè)MCU軟件劃分為若干松耦合的功能模塊，并對(duì)各模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與測(cè)試，在保證各模塊正確后，再對(duì)整個(gè)軟件進(jìn)行綜合調(diào)試，以發(fā)現(xiàn)各模塊間接口設(shè)計(jì)可能存在的失誤，再反過來通過修正各模塊程序來完成整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)。具體開發(fā)流程如圖7所示。現(xiàn)將各步的工作描述如下：
�。�1）利用電話線在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)間通過Modem進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，可將其作為功能最簡(jiǎn)單的快速原型。該步的主要工作是建立DOS平臺(tái)上Modem的控制功能。其關(guān)鍵是對(duì)鍵入的命令進(jìn)行解釋后傳送給Modem，同時(shí)接收Modem的反饋信號(hào)，以確定Modem的狀態(tài)，并以此進(jìn)行進(jìn)一步的控制；
�。�2）建立遠(yuǎn)地自環(huán)模型，以測(cè)試快速原型的正確性，同時(shí)測(cè)試接口卡的工作特性；
�。�3）編寫幀讀入模塊和幀寫出模塊程序，以連續(xù)測(cè)試幀環(huán)回及單一測(cè)試幀。驗(yàn)證傳送來的測(cè)試幀讀摸塊以及幀寫出模塊的正確性；
�。�4）編寫命令提取與解釋模塊和狀態(tài)修改模塊程序，通過改變測(cè)試幀的BAS碼并讀取狀態(tài)修改結(jié)果來驗(yàn)證上述模塊的正確性；
�。�5）編寫幀切換／BAS碼替換模塊程序，構(gòu)造三臺(tái)計(jì)算機(jī)間的測(cè)試平臺(tái)，并使其一充當(dāng)MCU，然后通過另兩端的測(cè)試幀切換來驗(yàn)證上述模塊的正確性；
�。�6）根據(jù)實(shí)際條件建立多臺(tái)計(jì)算機(jī)間的測(cè)試平臺(tái)，并適當(dāng)改變測(cè)試幀的長(zhǎng)度(128～512 byte)，進(jìn)行連續(xù)的測(cè)試并計(jì)時(shí)，以檢驗(yàn)各模塊的工作時(shí)延。然后按照系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求對(duì)產(chǎn)生時(shí)延較大的模塊進(jìn)行改進(jìn)。
4 結(jié)束語
由于MCU對(duì)運(yùn)動(dòng)程度不同的視頻圖像的處理能力有所不同，所以，傳送運(yùn)動(dòng)程度不同的視頻圖像時(shí)，在終端B接收到的視頻質(zhì)量良好的情況下，MCU的最大接入終端數(shù)(MCU的容量)是不同的。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的MCU在運(yùn)動(dòng)量比較大(n=16的時(shí)候)時(shí)，音視頻圖像良好；n=20的時(shí)候，音視頻效果基本可以接收，但是偶爾圖像有失真；而在n=32時(shí)，圖像色彩嚴(yán)重失真，聲音斷斷續(xù)續(xù)。同時(shí)再考慮圖像時(shí)延和延遲抖動(dòng)(話音和圖像的同步)等視頻會(huì)議的規(guī)定值(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的圖像時(shí)延不超過150
ms，延遲抖動(dòng)約為400ms)。可以得出：在圖像質(zhì)量良好，圖像時(shí)延和延遲抖動(dòng)均能達(dá)到規(guī)定要求的情況下，本MCU的單臺(tái)容量應(yīng)為16。
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