武警融媒體文化娛樂系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉江濱 張妙軍

(武警宣傳文化中心,北京 100089)

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)簡介

近年來,武警部隊各級購置配發(fā)了大量卡拉OK 演唱、影視節(jié)目播放、電子圖書閱覽、網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)沟任幕瘖蕵菲鞑?深受基層官兵歡迎,但這些傳統(tǒng)設(shè)備存在著功能單一、資源更新困難、戰(zhàn)時和動態(tài)條件下運用受限等缺陷。融媒體文化娛樂系統(tǒng)是在新時代信息化條件下,運用網(wǎng)絡(luò)、智能、電子和音響等技術(shù),采取硬件高度集成、資源廣泛融合、軟件充分智能理念,定制的一種新型文化娛樂器材,主要具備觀看影視節(jié)目、欣賞有聲讀物、演唱卡拉OK、閱讀圖書雜志、查找學(xué)習(xí)資料、開展游戲娛樂6大功能,具有多媒體多功能、網(wǎng)絡(luò)化智能化、便捷性安全性等特點。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

融媒體文化娛樂系統(tǒng)從整體職能劃分,由 “管理和服務(wù)平臺”與 “終端設(shè)備套件”兩部分組成(見圖1)。其中管理和服務(wù)平臺包括:云端接口服務(wù)、存儲服務(wù)以及內(nèi)網(wǎng)管理服務(wù)。終端設(shè)備套件包括:融媒體文化娛樂系統(tǒng)主機 (以下簡稱為主機)、融媒體文化智能軟件(以下簡稱為手機端)以及安全防護箱、投影銀幕、平板電腦、遙控器、鼠標(biāo)、手柄等配件。

圖1 融媒體文化娛樂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 功能設(shè)計

設(shè)備功能設(shè)計上要求系統(tǒng)具有融媒體多功能,實現(xiàn)一機多能、一機多用;結(jié)構(gòu)高度集成、簡約高效,移動方便、操作智能;資源更新便捷,安全可靠。

2.1 融合音視頻多媒體內(nèi)容

系統(tǒng)內(nèi)置內(nèi)容包括影視節(jié)目、學(xué)習(xí)資料、圖書雜志、有聲讀物、卡拉OK、游戲娛樂6大類型。

圖2 設(shè)備內(nèi)置內(nèi)容分類

2.2 集成互聯(lián)媒體平臺

主機具有多種輸入輸出接口,HDMI IN 多媒體視音頻輸入與HDMI OUT 多媒體視音頻輸出功能,可以連接部隊現(xiàn)有的多媒體設(shè)備終端,如音箱、電視、放映機等,將這些設(shè)備整合為多終端、多媒體娛樂學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

(1)多媒體視音頻輸入?？蓪㈦娔X、平板等設(shè)備的資源視音頻內(nèi)容、文檔、課件等,通過HDMI線纜傳輸?shù)皆O(shè)備主機投影顯示,方便組織會議、演講、教學(xué)等集體活動。

(2)支持手機投屏。支持具有MHL 功能的手機投屏,使用手機投屏不需要經(jīng)過任何設(shè)置,就可以將手機中的視頻與音頻信號同時傳輸?shù)皆O(shè)備主機上通過投影進行顯示。

(3)多媒體視音頻輸出。將主機的視頻、音頻內(nèi)容進行輸出,作為多媒體中心服務(wù)器將硬盤存儲的內(nèi)容輸出給多個房間多個電視、投影、顯示器等設(shè)備,實現(xiàn)多屏互動、多屏互聯(lián)。

2.3 操作方式多樣化智能化

融媒體文化娛樂系統(tǒng)主機支持多種操作方式,可以選擇設(shè)備固定按鍵、遙控器、平板電腦(手機)遙控3種操作模式,使用方式多樣,覆蓋用戶更廣。

(1)主機后面板操作。按鍵或旋鈕直接操作,響應(yīng)迅速。

(2)紅外遙控器?？刂凭珳?zhǔn)全面。

(3)平板電腦 (手機)軟件遙控。支持視頻:播放、暫停、退出;支持音頻:播放、暫停、退出;支持卡拉OK:唱歌、添加歌曲、音量調(diào)節(jié)、模式選擇、原唱伴唱切換等。

2.4 輔助功能設(shè)計人性化和資源更新便捷化

(1)內(nèi)置音響和音頻輸入輸出。主機內(nèi)置一套音響系統(tǒng)板并帶有一套音箱,滿足中小場合的講話或者音頻播放需求。內(nèi)置唱將模式、KTV 模式、錄音棚模式等多種音響效果模式,并提供了嘯叫抑制功能,可以滿足使用卡拉OK 功能時用戶對不同效果的需求。音響系統(tǒng)具有豐富的輸入輸出接口,以適應(yīng)不同場景的使用需要,可對用戶提供兩路LINE IN、兩路LINE OUT、兩路有線麥克風(fēng)以及兩路無線麥克風(fēng)接入。

(2)外部內(nèi)容讀取展示。主機有兩個高速USB 3.0接口,支持U 盤、移動硬盤、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器接入。

主機的內(nèi)置圖片閱讀器、視頻解碼器、文檔閱讀器、音頻播放器支持市面常見的30余種多媒體內(nèi)容格式的直接播放顯示。

(3)主機內(nèi)容更新便捷安全。為符合安全規(guī)定,主機對外沒有保留RJ45以太網(wǎng)接口以及WiFi連接互聯(lián)網(wǎng)的功能。為方便內(nèi)容更新和主機系統(tǒng)軟件升級,存儲硬盤采用可插拔設(shè)計。硬盤拆卸固定螺絲抽出主機后可以通過連接線連接到可以訪問互聯(lián)網(wǎng)的電腦上,硬盤內(nèi)置有自動化內(nèi)容更新程序,通過運行該程序即可完成數(shù)據(jù)存儲硬盤中內(nèi)容升級。

3 技術(shù)設(shè)計

3.1 融媒體文化娛樂系統(tǒng)主機

如圖3所示,主機主要由系統(tǒng)核心主板、存儲系統(tǒng)主板、音響系統(tǒng)主板、內(nèi)置音箱、硬盤以及投影模組等部分組成。

圖3 主機組成

融媒體文化娛樂系統(tǒng)核心部分采用雙主板設(shè)計,兩個獨立的子系統(tǒng)運行于獨立的處理器上各司其職,在保證性能的同時增強安全性。兩個子系統(tǒng)使用GbE網(wǎng)絡(luò)進行加密通信,能夠在保證高性能、高穩(wěn)定性數(shù)據(jù)傳輸和存儲服務(wù)的前提下防止數(shù)據(jù)竊聽。

(1)系統(tǒng)核心主板

系統(tǒng)核心主板是主機核心,提供主機上所有的用戶操作軟件界面,同時為手機端提供交互服務(wù)。

核心主板采用主流的ARM 平臺設(shè)計,板載2GB DDR4內(nèi)存、8GB e MMC Flash,芯片選用華為Hi3798M-V200。該芯片為4核A53架構(gòu),能夠最大支持4K、60 fps、10 bit視頻的解碼和1080p、30 fps的視頻編碼,支持高級安全CA,支持可下載CA,支持TVOS安全機制,支持安全啟動、安全存儲、安全升級,支持DRM、硬件水印,HDMI輸出支持HDCP2.2/1.4保護。 同時, 由于Hi3798M-V200平臺沒有提供原生的HDMI切換能力,核心主板上集成了兩顆HDMI切換芯片分別來處理HDMI IN 和第二路HDMI OUT 信號。

核心主板提供下表中的相應(yīng)接口,以實現(xiàn)與主機內(nèi)其他系統(tǒng)的對接和通信,并對外提供相應(yīng)的服務(wù)能力。

表1 核心主板接口一覽表

(2)存儲系統(tǒng)和WiFi發(fā)射系統(tǒng)

為保證核心主板的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的安全性和可靠性,設(shè)備將數(shù)據(jù)訪問服務(wù)和WiFi發(fā)射服務(wù)獨立成一個子系統(tǒng):存儲系統(tǒng)板、核心主板通過內(nèi)部以太網(wǎng)接口使用加密協(xié)議與其進行通信。

存儲系統(tǒng)板采用MIPS 平臺設(shè)計,芯片選用MTK 的MT76xx系列芯片套件,提供2.4G+5.8G雙頻段無線網(wǎng)絡(luò),支持MU-MIMO 技術(shù),全功率發(fā)射可滿足64人同時使用手機連接,30人同時觀看下載使用,并可通過網(wǎng)絡(luò)接口擴展WIFI覆蓋范圍與帶寬。

圖4 Wifi發(fā)射系統(tǒng)示意圖

主機的數(shù)據(jù)存儲硬盤掛載于存儲系統(tǒng)板上,通過專用硬盤盒和響應(yīng)的SATA 轉(zhuǎn)接線連接。為保證數(shù)據(jù)的安全性,硬盤中為主機提供的內(nèi)容數(shù)據(jù)全部采用加密的方式進行存儲。其中SATA 接口的實現(xiàn)由一顆PCI-e轉(zhuǎn)SATA III芯片完成,能夠最大發(fā)揮數(shù)據(jù)存儲盤應(yīng)有的吞吐能力,來支撐在多用戶場景下多人使用手機訪問主機內(nèi)的多媒體娛樂資源。

圖5 數(shù)據(jù)訪問服務(wù)示意圖

(3)音響系統(tǒng)

主機的音響系統(tǒng)包括音響系統(tǒng)板、內(nèi)置音箱、無線麥克風(fēng)適配器、相應(yīng)的輸入輸出接口以及控制旋鈕和按鍵等部件,其內(nèi)置的音響可以滿足在中小場合下的聲音播放需求。

音響系統(tǒng)板預(yù)置唱將模式、KTV 模式、錄音棚模式、會議模式等多種音效以應(yīng)對不同應(yīng)用場景下對音效調(diào)節(jié)的需求。其音效的選擇控制由核心系統(tǒng)板通過UART 接口與音響系統(tǒng)板通信來實現(xiàn),其控制功能由運行于核心系統(tǒng)板的應(yīng)用軟件界面對用戶開放。

音響系統(tǒng)中包含一個1拖2的無線麥克風(fēng)控制器,能夠支持兩路無線麥克風(fēng)的使用,并提供了外部紅外對頻的功能,以應(yīng)對麥克風(fēng)的不同工作頻率需求。同時,音響系統(tǒng)為用戶提供兩路有線麥克風(fēng)的接口,方便用戶接入多個麥克風(fēng)到主機使用。

為方便用戶使用主機,不需要在軟件上反復(fù)的調(diào)取設(shè)置界面來修改音響系統(tǒng)的音效、音量、音源等配置,音響系統(tǒng)將全部的控制功能同時在主機后面以按鍵和旋鈕的方式提供給用戶。

圖6 音響系統(tǒng)組成

(4)投影模組

主機集成的投影模組為亮度可達3000流明以上的定制化模塊。投影模組與核心系統(tǒng)板間采用RS232進行通信,核心系統(tǒng)板可通過該接口對投影模組進行設(shè)置和狀態(tài)的讀取。在散熱設(shè)計上,為保證主機長時間運行時投影模組的可靠性,主機內(nèi)針對投影模組做了主動散熱加強,在原有的風(fēng)道基礎(chǔ)上增加了兩片大功率靜音風(fēng)扇。主機運行時,兩片風(fēng)扇分別負(fù)責(zé)加強進氣和散熱,在風(fēng)道內(nèi)形成高速的氣流對投影模組的發(fā)熱部件進行快速散熱,同時系統(tǒng)會根據(jù)溫控傳感器的反饋動態(tài)調(diào)節(jié)兩片風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,控制風(fēng)扇的運行速度來平衡散熱和噪音。

(5)主機配套軟件

融媒體娛樂系統(tǒng)主機配套軟件包括主機端應(yīng)用軟件和手機端APP。兩個軟件端均擁有影視節(jié)目、卡拉OK、學(xué)習(xí)資料、圖書雜志、有聲讀物、游戲娛樂六大應(yīng)用模塊,在使用影視節(jié)目和卡拉OK 功能時可以實現(xiàn)手機 “投屏”操作和 “同屏”顯示效果。

兩端的音視頻播放器均基于ExoPlayer進行定制開發(fā),支持高清視頻解碼硬件加速,并集成了數(shù)據(jù)實時解密模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)邊加載邊播放,不需要將整個加密音視頻文件下載后解密播放。主機端電子書功能為自主開發(fā),實現(xiàn)了目錄、書簽、瀏覽進度顯示和保存等常用功能。

同時,提供U 盤內(nèi)容瀏覽支持。為方便在主機上使用自有U 盤瀏覽內(nèi)容,主機端軟件做了U 盤讀取的定制支持。為了保證主機系統(tǒng)的安全性,屏蔽了所有的可執(zhí)行軟件的運行權(quán)限,僅僅能夠支持常用的圖片、音視頻、PDF和Office文檔的瀏覽。其實現(xiàn)原理為通過接管系統(tǒng)文件瀏覽器,攔截用戶文件瀏覽行為,將非白名單內(nèi)類型的文件進行隱藏和禁止運行。

3.2 管理和服務(wù)平臺

管理和服務(wù)平臺同時使用專用內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)部署。其中專用內(nèi)網(wǎng)用于部署核心的內(nèi)容管理服務(wù)、內(nèi)容源存儲服務(wù)、音視圖轉(zhuǎn)碼服務(wù)以及直通管理接口。互聯(lián)網(wǎng)部署分為兩部分,一部分是使用云廠商的相關(guān)服務(wù),另一部分是部署于租用機房的鏡像和接口服務(wù),平臺通過互聯(lián)網(wǎng)部署部分向融媒體文化娛樂系統(tǒng)設(shè)備終端套件直接提供服務(wù)。

(1)CMS服務(wù)

一個帶有RBAC和資源組權(quán)限控制系統(tǒng)的內(nèi)容發(fā)布和管理平臺,提供對整個融媒體文化娛樂系統(tǒng)運營管理的一個中心界面入口,其主要功能模塊結(jié)構(gòu),見表2。

表2 服務(wù)平臺主要功能模塊結(jié)構(gòu)表

數(shù)據(jù)包管理 一個支持主機下發(fā)內(nèi)容差異化運營的支撐模塊內(nèi)容發(fā)布管理數(shù)據(jù)包發(fā)布管理用于將數(shù)據(jù)包發(fā)布為全網(wǎng)可用的接口數(shù)據(jù)的支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)包推送規(guī)則管理支持主機下發(fā)內(nèi)容差異化運營的規(guī)則配置模塊手機端APP升級管理 用于管理手機端APP升級軟件升級管理主機端APP升級管理 用于管理主機端APP升級主機端系統(tǒng)OTA 管理 用于管理主機端操作系統(tǒng)升級硬盤更新程序升級管理用于管理主機硬盤更新程序的升級主機設(shè)備列表管理主機設(shè)備的第一入口設(shè)備流轉(zhuǎn)管理用于管理主機設(shè)備發(fā)貨和掃描情況主機設(shè)備管理接收單位管理用于管理主機設(shè)備的接收單位升級記錄管理用于管理主機設(shè)備的升級歷史設(shè)備型號管理用于管理主機設(shè)備的型號

(2)DSM 服務(wù)

一個帶有獨立RBAC 的大容量內(nèi)容源存儲系統(tǒng),用于提供基本的內(nèi)容源存儲和訪問服務(wù)。本地存儲采用硬件RAID 5技術(shù),提供較高的存儲可靠性,并能夠比較簡單的擴容?，F(xiàn)有運行容量最高可達42TB,能夠滿足未來5年內(nèi)的多媒體內(nèi)容源的存儲需求。

DSM 服務(wù)與CMS服務(wù)部署于同一個內(nèi)網(wǎng),運行于專有的NAS系統(tǒng),通過授權(quán)遠程掛載的方式為CMS服務(wù)和CDN推送提供數(shù)據(jù)存儲和讀取的途徑。

(3)轉(zhuǎn)碼服務(wù)

一個基于FFMpeg自主研發(fā)的自動化音視頻轉(zhuǎn)碼隊列系統(tǒng),該轉(zhuǎn)碼服務(wù)為CMS服務(wù)的子系統(tǒng)之一,可獨立運行和使用,主要用于配合CMS 系統(tǒng)提供自動化的音視頻發(fā)布服務(wù)。該服務(wù)為分布式設(shè)計,支持轉(zhuǎn)碼節(jié)點的一鍵擴容。轉(zhuǎn)碼節(jié)點可配置高性能顯卡GPU,以支持音視頻轉(zhuǎn)碼的硬件加速功能。單個轉(zhuǎn)碼節(jié)點最多可并行進行3個音視頻文件的轉(zhuǎn)碼任務(wù),最高轉(zhuǎn)碼速度可達以往的15倍。

存儲于DSM 服務(wù)中通過CMS 服務(wù)提交的影視、音頻內(nèi)容可以根據(jù)選擇的轉(zhuǎn)碼規(guī)格進行自動的排隊轉(zhuǎn)碼,并將轉(zhuǎn)碼結(jié)果投遞給CMS 服務(wù)作為數(shù)據(jù)包內(nèi)容使用,可節(jié)省大量的人力。

(4)域名解析服務(wù)

使用云廠商的域名解析服務(wù),為融媒體文化娛樂系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)服務(wù)和接口的訪問提供支持。支持自定義解析、智能解析。

(5)OSS服務(wù)

使用云廠商的文件存儲服務(wù),對需要互聯(lián)網(wǎng)加速訪問的部分文件進行預(yù)部署,理論上支持無限容量的存儲。

(6)CDN 服務(wù)

內(nèi)置內(nèi)容更新需要通過互聯(lián)網(wǎng)通道進行,如果直接通過機房來進行數(shù)據(jù)下發(fā),機房帶寬有限,全國不同地域的用戶在下載數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)帶寬爭搶,不同地域的用戶與機房間的聯(lián)通性也無法得到保障。為解決此問題,可以使用云廠商的CDN 服務(wù),對一部分需要通過互聯(lián)網(wǎng)進行訪問的文件進行全國范圍內(nèi)的節(jié)點分發(fā),這樣不同地域的用戶內(nèi)容更新下載數(shù)據(jù)時就近選擇CDN 數(shù)據(jù)存儲節(jié)點來進行訪問,避免帶寬爭搶的同時也可以達到最佳的文件下載速度。

(7)數(shù)據(jù)接口

內(nèi)網(wǎng)的功能無法直接通過互聯(lián)網(wǎng)訪問,為讓主機在內(nèi)容更新時能夠正常訪問相關(guān)的數(shù)據(jù)接口,這部分相關(guān)的數(shù)據(jù)接口選擇部署在互聯(lián)網(wǎng)機房中。對內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)訪問同樣通過VPN 和反向代理技術(shù)來實現(xiàn),以保證系統(tǒng)的安全性。

對于數(shù)據(jù)升級請求以及軟件升級類的訪問接口,由于其邏輯的規(guī)則性高,變化僅僅依賴于CMS 服務(wù)后臺的編輯操作,因此選擇直接部署于外部機房,管理員通過CMS服務(wù)后臺編輯規(guī)則保存后,將規(guī)則數(shù)據(jù)直接推送到外部機房服務(wù)器中。

典型的規(guī)則類接口請求處理邏輯見圖7。

圖7 規(guī)則類接口請求處理邏輯圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 “投屏”“雙屏”互動

為保證“投屏”和 “雙屏”互動 (以下簡稱投屏)的相關(guān)能力不被其他無關(guān)手機軟件所探測和使用,采用基于Socket的私有加密協(xié)議設(shè)計。在保證性能的前提下,能夠避免干擾和惡意操作。

投屏協(xié)議主要包括控制指令、響應(yīng)指令和廣播指令三種指令類型,其中,一個控制指令必然會對應(yīng)一個響應(yīng)指令,但是不一定需要廣播指令。當(dāng)手機端與主機端打開后,兩端會自動建立指令通道,手機端軟件會定時向主機端發(fā)送心跳指令,表明連接的有效性。當(dāng)其中一個手機端軟件成為主控端發(fā)起控制指令時,主機端會與主控端建立唯一的控制連接接收控制指令。

4.2 卡拉OK 雙端音畫同步

在使用卡拉OK 雙屏互動功能時,在手機端能夠?qū)崿F(xiàn)同步控制主機端點歌、切歌、切換原唱伴唱、效果調(diào)節(jié)等功能,并且能夠?qū)崿F(xiàn)手機端和主機端畫面的同步,以方便多人在唱卡拉OK 時能夠各自使用手機操作而不必共用一個遙控器。由于手機屏幕畫面和主機端同步,用戶就可以直接通過手機來看當(dāng)前歌曲的歌詞。

由于手機端和主機端的連接是通過WiFi網(wǎng)絡(luò),因此雙方通信本身會有一個固有的延時,并且在兩端各自加載卡拉OK 歌曲時,速度也各不相同。所以,在默認(rèn)情況下,兩端畫面始終是無法同步的,導(dǎo)致手機顯示的歌詞始終和主機端正在唱的位置無法相對應(yīng)。為解決雙屏同步問題,在現(xiàn)有的投屏協(xié)議基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一套“動態(tài)進度同步算法”。

在此算法中,手機端作為主動同步一方,初次加載時會主動與主機端詢問當(dāng)前的時間軸進度,并根據(jù)協(xié)議響應(yīng)時間等因素進行本地時間軸查找,并記錄本次調(diào)整的相關(guān)參數(shù),當(dāng)查找結(jié)束后會再次與主機端進行對時,計算誤差,同時記錄查找加載時長、協(xié)議延時、誤差時長等調(diào)整參數(shù)。如果時間誤差不滿足要求,則反復(fù)重復(fù)該操作。

5 結(jié)語

融媒體文化娛樂系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),融網(wǎng)絡(luò)、智能、電子和音響等技術(shù)于一體,立足功能多樣、安全可靠、高速下載、易于操作等特點,搭建了集軟硬件、后臺管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等多位一體的整體解決方案。這一硬件高度集成、資源廣泛融合、軟件充分智能的融媒體設(shè)計理念,緊貼部隊遂行任務(wù)實際,滿足部隊動散狀態(tài)下開展宣傳教育和文化娛樂活動需求,為創(chuàng)新影視文化技術(shù)提供了新思路和解決方案,下步還要進一步拓展功能、迭代升級,更好地提升官兵滿意度。?