基于矩陣的多網(wǎng)融合切換技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

亢軍賢 陳銀海 楊怡晨 趙美映 常曉茹

摘? 要：文章從功能需求、功能分析和功能設(shè)計(jì)等方面對(duì)音視頻高清混合矩陣進(jìn)行了研究，提出通過音視頻高清混合矩陣進(jìn)行電視電話網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)、電話網(wǎng)等多網(wǎng)絡(luò)融合切換，在安全保密的情況下，通過背靠背方式實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)實(shí)時(shí)切換的目標(biāo)，達(dá)到主會(huì)場(chǎng)與不同網(wǎng)絡(luò)分會(huì)場(chǎng)溝通交流的目的。

關(guān)鍵詞：矩陣;網(wǎng)絡(luò);融合

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）22-0057-03

Abstract： This paper studies the audio and video HD hybrid matrix from the aspects of functional requirements， functional analysis and functional design， and puts forward the multi networks fusion switching such as TV telephone network， remote network and telephone network through audio and video HD hybrid matrix. Under the condition of security and confidentiality， the goal of real-time switching of various network signals is realized through back-to-back mode， so as to achieve the purpose of communication between the main venue and different network sub venues.

Keywords： matrix; network; fusion

0? 引? 言

在信息化技術(shù)快速發(fā)展的今天，人與人之間的溝通交流模式逐漸變得多樣化。相較于最簡(jiǎn)單的語言交流，現(xiàn)代人的溝通方式正在朝著以視頻、語音、圖片為主的多媒體方向發(fā)展，加之5G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，更為多媒體溝通交流提供了有力的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐，這樣，能夠同時(shí)讓身處異地的多人通過多種形式進(jìn)行交流，也逐漸成為多媒體交流的發(fā)展方向。與此同時(shí)，在近幾年疫情形勢(shì)比較嚴(yán)重的情況下，很多工作的開展需要通過視頻會(huì)議的方式進(jìn)行，在這一社會(huì)背景下，視頻會(huì)議正在逐漸發(fā)揮越來越巨大的作用。同時(shí)，多網(wǎng)背靠背融合視頻會(huì)議在視頻壓縮與傳輸技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備的不斷發(fā)展中逐漸形成。多網(wǎng)融合視頻會(huì)議系統(tǒng)能夠利用多種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)之間的聲音與圖像交流，對(duì)于拉近地理距離、提高工作效率、加速信息傳遞、節(jié)省會(huì)議成本具有重要作用[1]。隨著衛(wèi)星網(wǎng)、電視電話會(huì)議網(wǎng)、通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，將各種網(wǎng)絡(luò)通過音視頻矩陣采用背靠背方式進(jìn)行連接，達(dá)到相互溝通交流的目的，這種多網(wǎng)融合切換技術(shù)已經(jīng)成為一種發(fā)展方向。

1? 功能需求

因疫情原因，會(huì)議保障需要采取網(wǎng)絡(luò)視頻方式進(jìn)行，目前主要有三種網(wǎng)絡(luò)：一種電視電話會(huì)議網(wǎng)絡(luò)，一種遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)，還有電話通信網(wǎng)絡(luò)。但因各單位設(shè)備狀況不同，故主會(huì)場(chǎng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)與電視電話會(huì)議網(wǎng)絡(luò)之間無縫切換，使視頻信號(hào)和聲音信號(hào)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立切換，達(dá)到會(huì)議中間信號(hào)快速切換的目的，以滿足不同的參會(huì)者選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮最好的答辯水平，另備有電話通信設(shè)備作為基礎(chǔ)通信技術(shù)手段，在兩種網(wǎng)絡(luò)都無法實(shí)現(xiàn)的情況下使用。

2? 功能分析

根據(jù)功能需求及視頻技術(shù)的發(fā)展，視頻矩陣的需求日益高漲。在實(shí)際操作中，經(jīng)常會(huì)遇到顯示屏需要多種不同信號(hào)上屏，而且處于指定位置，并且在不同時(shí)間段要實(shí)現(xiàn)瞬間切換，這樣的需求只有音視頻矩陣可以實(shí)現(xiàn)，音視頻矩陣應(yīng)用之后能夠依據(jù)不同的信號(hào)源將視頻的格式轉(zhuǎn)化成VGA、AV、DVI以及HDMI。視頻矩陣的切換器不同，對(duì)應(yīng)的信號(hào)源也有所區(qū)別。然而實(shí)際應(yīng)用中，視頻源種類是極為豐富的，在這種情況下，假如僅僅運(yùn)用單一的視頻矩陣，那么就必須使用中央控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其實(shí)現(xiàn)必要的功能，然而如果使用了中央控制系統(tǒng)，那么就必然會(huì)擴(kuò)展項(xiàng)目的進(jìn)度，使得項(xiàng)目的費(fèi)用有所提升。如果擁有具備模擬、數(shù)字、高清、標(biāo)清明確的視頻信號(hào)的各種形式的輸入視頻信號(hào)接口，那么在應(yīng)用中就能夠?qū)崿F(xiàn)不同的視頻格式信號(hào)的訪問，可以滿足各種項(xiàng)目以及視頻源信號(hào)的需求，這個(gè)音視頻矩陣稱為混合音視頻矩陣。與此同時(shí)，人們生活水平的不斷提升，對(duì)于視頻要求也在不斷提升，原本的視頻形式已經(jīng)無法滿足人們的實(shí)際需求。在這種情況下高清視頻發(fā)展成為一種必然趨勢(shì)[2]。根據(jù)分析，高清混合視頻矩陣在這次設(shè)計(jì)中扮演非常重要的角色，從主會(huì)場(chǎng)和分會(huì)場(chǎng)分別進(jìn)行分析。對(duì)主會(huì)場(chǎng)而言，輸入有四種信號(hào)源：電視電話會(huì)議網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)、電話網(wǎng)絡(luò)和手拉手話筒;輸出有兩種信號(hào)：LED顯示屏和音箱，注意顯示屏采用雙屏雙流模式，一邊顯示參會(huì)者畫面，另一邊顯示課件。對(duì)于分會(huì)場(chǎng)而言，輸入信號(hào)：可以是電視電話會(huì)議網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)或電話網(wǎng)絡(luò)中的任意一種，還有話筒。輸出也有兩個(gè)信號(hào)：一個(gè)是兩個(gè)顯示屏幕，采用雙流形式，一臺(tái)顯示主會(huì)場(chǎng)，一臺(tái)顯示課件或本地會(huì)場(chǎng)，另一個(gè)是音箱。高清混合音視頻矩陣就是將這些輸入和輸出進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能。

3? 高清混合視頻矩陣功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上功能分析，我們選擇采用高清混合音視頻矩陣實(shí)現(xiàn)該功能，為此，對(duì)功能提出以下分析：

輸入部分：信號(hào)輸入部分有若干個(gè)輸入卡構(gòu)成，提供各種輸入接口，輸入信號(hào)采集進(jìn)入輸入卡后，輸入卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，解碼后傳送到交換背板，完成下步工作。

交換背板部分：交換背板接收到輸入卡解碼的輸入信號(hào)后，按照指令將信號(hào)數(shù)據(jù)復(fù)制到指定輸出卡，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速交換輸出。

輸出部分：輸出卡接收到交換背板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，進(jìn)過分析處理，將處理的數(shù)據(jù)通過編碼芯片進(jìn)行編碼，再通過輸出接口輸出到指定顯示設(shè)備，完成整個(gè)視頻信號(hào)的接收傳遞輸出功能[2]。

控制部分：控制部分有兩種方式，一種是通過軟件控制，也就是軟控制，就是通過安裝有控制軟件的電腦連接混合音視頻矩陣的控制口，控制輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng);另一種是通過混合音視頻矩陣控制面板的操作按鈕旋轉(zhuǎn)完成信號(hào)切換，也就是硬控制。

4? 設(shè)計(jì)思路

通過以上分析，需要將三種網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接入控制室，并對(duì)三種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過高清混合視頻矩陣進(jìn)行任意快速切換，LED顯示不能出現(xiàn)黑屏，為此需要研究三個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸控制原理，電視電話會(huì)議控制通過會(huì)議終端WEB端進(jìn)行控制，在授權(quán)情況下，可以對(duì)主會(huì)場(chǎng)和分會(huì)場(chǎng)視頻和語音信號(hào)進(jìn)行互傳，實(shí)現(xiàn)互通;遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)通過WEB網(wǎng)站頁面分會(huì)場(chǎng)鏈接點(diǎn)擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各分會(huì)場(chǎng)視頻及課件的調(diào)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主會(huì)場(chǎng)和分會(huì)場(chǎng)信號(hào)的互傳;再就是電話網(wǎng)絡(luò)，只有語音沒有視頻信號(hào)，但是參會(huì)者課件在各評(píng)委電腦中已提前導(dǎo)入，評(píng)委可以通過語音及本地評(píng)審系統(tǒng)中查閱參會(huì)者課件，達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)審目的。

從以上分析中可以基本了解思路，首先對(duì)三種信號(hào)輸入源進(jìn)行檢查，電視電話會(huì)議信號(hào)采取有線形式，從通信機(jī)房直接使用光纖收發(fā)器接到會(huì)議室控制室;遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)信號(hào)采用無線接收發(fā)傳輸，雙光纖從機(jī)房接至?xí)h室控制室;電話信號(hào)使用電話線接至?xí)?chǎng)。其次，遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)和電視電話會(huì)議信號(hào)分別接入對(duì)應(yīng)會(huì)議終端，兩個(gè)會(huì)議終端分別輸入各自會(huì)議攝像頭，信號(hào)輸出到矩陣，矩陣輸出端接入LED屏控制器。最后，在會(huì)議終端與調(diào)音臺(tái)之間分別接入聲音輸入輸出線纜，打通聲音通道，同時(shí)將手拉手話筒和無線話筒輸入到調(diào)音臺(tái)。

至此兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的會(huì)議終端輸出輸入信號(hào)匯聚至矩陣[3]，再將矩陣信號(hào)輸出到LED屏，同時(shí)將兩個(gè)會(huì)議終端的音頻輸入輸出信號(hào)匯聚至調(diào)音臺(tái)，調(diào)音臺(tái)再將信號(hào)通過功放輸出，實(shí)現(xiàn)聲音和視頻信號(hào)的雙通功能，硬件設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

5? 實(shí)現(xiàn)步驟

從以上的設(shè)計(jì)和分析中，我們可以得到實(shí)現(xiàn)的基本路徑方法和步驟，具體如圖2所示。

首先，檢查并接入遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)聲音和視頻信號(hào)。從遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)機(jī)柜接光纖至?xí)h控制室，需要兩根：一條數(shù)據(jù)，一條視頻。視頻光纖進(jìn)會(huì)議終端，數(shù)據(jù)進(jìn)筆記本電腦控制遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)信號(hào)切換，如果筆記本能夠通終端和串口服務(wù)器，說明信號(hào)調(diào)通。檢查并接入電視電話會(huì)議網(wǎng)聲音和視頻信號(hào)。從通信機(jī)房通過光纖收發(fā)器接入會(huì)議控制室，接入會(huì)議終端，從會(huì)議終端通過網(wǎng)線接入筆記本電腦，測(cè)試電視電話有線網(wǎng)絡(luò)是否暢通。

其次，將遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)和電視電話會(huì)議網(wǎng)同時(shí)接入矩陣[4]，同時(shí)輸出到LED屏控制器。分別從兩個(gè)會(huì)議終端將視頻信號(hào)通過HDMI線接入矩陣，遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)為雙路視頻輸出，一路為視頻，一路為課件。

再次，將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的會(huì)議終端、無線話筒和手拉手話筒接入到調(diào)音臺(tái)。電視電話會(huì)議終端與調(diào)音臺(tái)之間為雙向兩路線路，遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)會(huì)議終端與調(diào)音臺(tái)之間也為雙向兩路線路，無線話筒4只分為兩個(gè)收發(fā)器，手拉手話筒17支，由一臺(tái)控制器分兩路控制，為防止兩路網(wǎng)絡(luò)聲音串音，可將不需要的輸出設(shè)為靜音輸出。

最后，三種信號(hào)輸入源進(jìn)行切換測(cè)試。電視電話會(huì)議系統(tǒng)，大屏控制端切換，連接分會(huì)場(chǎng)，LED顯示分會(huì)場(chǎng)畫面，測(cè)試語音，能夠聽到分會(huì)場(chǎng)聲音，分會(huì)場(chǎng)可以看到主會(huì)場(chǎng)畫面，也能聽到主會(huì)場(chǎng)聲音，測(cè)試成功。遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)網(wǎng)切換，大屏控制端切換，連接分會(huì)場(chǎng)，LED顯示分會(huì)場(chǎng)畫面，播放課件，分屏顯示正常，測(cè)試語音，能夠聽到分會(huì)場(chǎng)聲音，分會(huì)場(chǎng)可以看到主會(huì)場(chǎng)畫面，也能聽到主會(huì)場(chǎng)聲音，測(cè)試成功。電話網(wǎng)絡(luò)參會(huì)，撥通分會(huì)場(chǎng)電話，接通電話，會(huì)場(chǎng)通過擴(kuò)音器加無線話筒將聲音通過調(diào)音臺(tái)傳到會(huì)場(chǎng)音箱，評(píng)委通過手拉手話筒講話，再通過調(diào)音臺(tái)將聲音通過無線話筒傳至擴(kuò)音器傳出，實(shí)現(xiàn)互通，測(cè)試成功。硬件設(shè)備連接示意圖如圖3所示。

最后，需要注意的是，重要的會(huì)議保障需要提供備份手段，就是將信號(hào)源輸入到兩路，一路為混合矩陣，一路為編碼器，將解碼器接入顯示設(shè)備，如果混合矩陣出現(xiàn)故障，可以通過解碼器直接上屏[5]。

6? 結(jié)? 論

視頻是一種記錄人與人之間工作生活場(chǎng)景的工具，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等的迅速發(fā)展，視頻會(huì)議也在疫情期間起到舉足輕重的作用。此次多網(wǎng)融合視頻會(huì)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要依靠混合音視頻矩陣具有不同接口輸入輸出信號(hào)匯聚和快速切換功能實(shí)現(xiàn)以上功能需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果和現(xiàn)實(shí)需要，以上方案已被實(shí)踐檢驗(yàn)成功，圓滿完成了會(huì)議保障任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔晉華，段曉莉.淺談矩陣切換技術(shù)在視頻會(huì)議中的應(yīng)用 [J].中國(guó)無線電，2017（10）：65-66.

[2] 季正勃.試析高清混合視頻矩陣的研究及FPGA實(shí)現(xiàn) [J].數(shù)字通信世界，2019（1）：246+274.

[3] 梁炎榮.基于WEBSERVER的遠(yuǎn)程視頻矩陣切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].影視制作，2019，25（8）：82-85.

[4] 石叢軍.視頻會(huì)議系統(tǒng)矩陣單節(jié)點(diǎn)問題的解決方案 [J].中國(guó)新通信，2018，20（18）：43.

[5] 邵蓓.基于局部單應(yīng)矩陣的視頻同步算法 [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介：亢軍賢（1979—），男，漢族，陜西寶雞人，健康管理部信息科主任兼工程師，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);陳銀海（1974—），男，漢族，江蘇南京人，副主任醫(yī)師，本科，主要研究方向：醫(yī)院管理;楊怡晨（1997—），女，漢族，陜西寶雞人，助理工程師，本科，主要研究方向：軟件系統(tǒng)、會(huì)議系統(tǒng);趙美映（1985—），女，漢族，陜西西安人，工程師，本科，主要研究方向：會(huì)議系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。常曉茹（1985—），女，漢族，陜西西安人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和會(huì)議系統(tǒng)。