武警融媒体文化娱乐系统设计与实现

刘江滨 张妙军

(武警宣传文化中心,北京 100089)

1 系统概述

1.1 系统简介

近年来,武警部队各级购置配发了大量卡拉OK 演唱、影视节目播放、电子图书阅览、网络游戏对抗等文化娱乐器材,深受基层官兵欢迎,但这些传统设备存在着功能单一、资源更新困难、战时和动态条件下运用受限等缺陷。融媒体文化娱乐系统是在新时代信息化条件下,运用网络、智能、电子和音响等技术,采取硬件高度集成、资源广泛融合、软件充分智能理念,定制的一种新型文化娱乐器材,主要具备观看影视节目、欣赏有声读物、演唱卡拉OK、阅读图书杂志、查找学习资料、开展游戏娱乐6大功能,具有多媒体多功能、网络化智能化、便捷性安全性等特点。

1.2 系统构成

融媒体文化娱乐系统从整体职能划分,由 “管理和服务平台”与 “终端设备套件”两部分组成(见图1)。其中管理和服务平台包括:云端接口服务、存储服务以及内网管理服务。终端设备套件包括:融媒体文化娱乐系统主机 (以下简称为主机)、融媒体文化智能软件(以下简称为手机端)以及安全防护箱、投影银幕、平板电脑、遥控器、鼠标、手柄等配件。

图1 融媒体文化娱乐系统结构

2 功能设计

设备功能设计上要求系统具有融媒体多功能,实现一机多能、一机多用;结构高度集成、简约高效,移动方便、操作智能;资源更新便捷,安全可靠。

2.1 融合音视频多媒体内容

系统内置内容包括影视节目、学习资料、图书杂志、有声读物、卡拉OK、游戏娱乐6大类型。

图2 设备内置内容分类

2.2 集成互联媒体平台

主机具有多种输入输出接口,HDMI IN 多媒体视音频输入与HDMI OUT 多媒体视音频输出功能,可以连接部队现有的多媒体设备终端,如音箱、电视、放映机等,将这些设备整合为多终端、多媒体娱乐学习系统。

(1)多媒体视音频输入。可将电脑、平板等设备的资源视音频内容、文档、课件等,通过HDMI线缆传输到设备主机投影显示,方便组织会议、演讲、教学等集体活动。

(2)支持手机投屏。支持具有MHL 功能的手机投屏,使用手机投屏不需要经过任何设置,就可以将手机中的视频与音频信号同时传输到设备主机上通过投影进行显示。

(3)多媒体视音频输出。将主机的视频、音频内容进行输出,作为多媒体中心服务器将硬盘存储的内容输出给多个房间多个电视、投影、显示器等设备,实现多屏互动、多屏互联。

2.3 操作方式多样化智能化

融媒体文化娱乐系统主机支持多种操作方式,可以选择设备固定按键、遥控器、平板电脑(手机)遥控3种操作模式,使用方式多样,覆盖用户更广。

(1)主机后面板操作。按键或旋钮直接操作,响应迅速。

(2)红外遥控器。控制精准全面。

(3)平板电脑 (手机)软件遥控。支持视频:播放、暂停、退出;支持音频:播放、暂停、退出;支持卡拉OK:唱歌、添加歌曲、音量调节、模式选择、原唱伴唱切换等。

2.4 辅助功能设计人性化和资源更新便捷化

(1)内置音响和音频输入输出。主机内置一套音响系统板并带有一套音箱,满足中小场合的讲话或者音频播放需求。内置唱将模式、KTV 模式、录音棚模式等多种音响效果模式,并提供了啸叫抑制功能,可以满足使用卡拉OK 功能时用户对不同效果的需求。音响系统具有丰富的输入输出接口,以适应不同场景的使用需要,可对用户提供两路LINE IN、两路LINE OUT、两路有线麦克风以及两路无线麦克风接入。

(2)外部内容读取展示。主机有两个高速USB 3.0接口,支持U 盘、移动硬盘、数据存储服务器接入。

主机的内置图片阅读器、视频解码器、文档阅读器、音频播放器支持市面常见的30余种多媒体内容格式的直接播放显示。

(3)主机内容更新便捷安全。为符合安全规定,主机对外没有保留RJ45以太网接口以及WiFi连接互联网的功能。为方便内容更新和主机系统软件升级,存储硬盘采用可插拔设计。硬盘拆卸固定螺丝抽出主机后可以通过连接线连接到可以访问互联网的电脑上,硬盘内置有自动化内容更新程序,通过运行该程序即可完成数据存储硬盘中内容升级。

3 技术设计

3.1 融媒体文化娱乐系统主机

如图3所示,主机主要由系统核心主板、存储系统主板、音响系统主板、内置音箱、硬盘以及投影模组等部分组成。

图3 主机组成

融媒体文化娱乐系统核心部分采用双主板设计,两个独立的子系统运行于独立的处理器上各司其职,在保证性能的同时增强安全性。两个子系统使用GbE网络进行加密通信,能够在保证高性能、高稳定性数据传输和存储服务的前提下防止数据窃听。

(1)系统核心主板

系统核心主板是主机核心,提供主机上所有的用户操作软件界面,同时为手机端提供交互服务。

核心主板采用主流的ARM 平台设计,板载2GB DDR4内存、8GB e MMC Flash,芯片选用华为Hi3798M-V200。该芯片为4核A53架构,能够最大支持4K、60 fps、10 bit视频的解码和1080p、30 fps的视频编码,支持高级安全CA,支持可下载CA,支持TVOS安全机制,支持安全启动、安全存储、安全升级,支持DRM、硬件水印,HDMI输出支持HDCP2.2/1.4保护。 同时, 由于Hi3798M-V200平台没有提供原生的HDMI切换能力,核心主板上集成了两颗HDMI切换芯片分别来处理HDMI IN 和第二路HDMI OUT 信号。

核心主板提供下表中的相应接口,以实现与主机内其他系统的对接和通信,并对外提供相应的服务能力。

表1 核心主板接口一览表

(2)存储系统和WiFi发射系统

为保证核心主板的稳定性以及数据访问服务的安全性和可靠性,设备将数据访问服务和WiFi发射服务独立成一个子系统:存储系统板、核心主板通过内部以太网接口使用加密协议与其进行通信。

存储系统板采用MIPS 平台设计,芯片选用MTK 的MT76xx系列芯片套件,提供2.4G+5.8G双频段无线网络,支持MU-MIMO 技术,全功率发射可满足64人同时使用手机连接,30人同时观看下载使用,并可通过网络接口扩展WIFI覆盖范围与带宽。

图4 Wifi发射系统示意图

主机的数据存储硬盘挂载于存储系统板上,通过专用硬盘盒和响应的SATA 转接线连接。为保证数据的安全性,硬盘中为主机提供的内容数据全部采用加密的方式进行存储。其中SATA 接口的实现由一颗PCI-e转SATA III芯片完成,能够最大发挥数据存储盘应有的吞吐能力,来支撑在多用户场景下多人使用手机访问主机内的多媒体娱乐资源。

图5 数据访问服务示意图

(3)音响系统

主机的音响系统包括音响系统板、内置音箱、无线麦克风适配器、相应的输入输出接口以及控制旋钮和按键等部件,其内置的音响可以满足在中小场合下的声音播放需求。

音响系统板预置唱将模式、KTV 模式、录音棚模式、会议模式等多种音效以应对不同应用场景下对音效调节的需求。其音效的选择控制由核心系统板通过UART 接口与音响系统板通信来实现,其控制功能由运行于核心系统板的应用软件界面对用户开放。

音响系统中包含一个1拖2的无线麦克风控制器,能够支持两路无线麦克风的使用,并提供了外部红外对频的功能,以应对麦克风的不同工作频率需求。同时,音响系统为用户提供两路有线麦克风的接口,方便用户接入多个麦克风到主机使用。

为方便用户使用主机,不需要在软件上反复的调取设置界面来修改音响系统的音效、音量、音源等配置,音响系统将全部的控制功能同时在主机后面以按键和旋钮的方式提供给用户。

图6 音响系统组成

(4)投影模组

主机集成的投影模组为亮度可达3000流明以上的定制化模块。投影模组与核心系统板间采用RS232进行通信,核心系统板可通过该接口对投影模组进行设置和状态的读取。在散热设计上,为保证主机长时间运行时投影模组的可靠性,主机内针对投影模组做了主动散热加强,在原有的风道基础上增加了两片大功率静音风扇。主机运行时,两片风扇分别负责加强进气和散热,在风道内形成高速的气流对投影模组的发热部件进行快速散热,同时系统会根据温控传感器的反馈动态调节两片风扇的转速,控制风扇的运行速度来平衡散热和噪音。

(5)主机配套软件

融媒体娱乐系统主机配套软件包括主机端应用软件和手机端APP。两个软件端均拥有影视节目、卡拉OK、学习资料、图书杂志、有声读物、游戏娱乐六大应用模块,在使用影视节目和卡拉OK 功能时可以实现手机 “投屏”操作和 “同屏”显示效果。

两端的音视频播放器均基于ExoPlayer进行定制开发,支持高清视频解码硬件加速,并集成了数据实时解密模块,能够实现边加载边播放,不需要将整个加密音视频文件下载后解密播放。主机端电子书功能为自主开发,实现了目录、书签、浏览进度显示和保存等常用功能。

同时,提供U 盘内容浏览支持。为方便在主机上使用自有U 盘浏览内容,主机端软件做了U 盘读取的定制支持。为了保证主机系统的安全性,屏蔽了所有的可执行软件的运行权限,仅仅能够支持常用的图片、音视频、PDF和Office文档的浏览。其实现原理为通过接管系统文件浏览器,拦截用户文件浏览行为,将非白名单内类型的文件进行隐藏和禁止运行。

3.2 管理和服务平台

管理和服务平台同时使用专用内网和互联网部署。其中专用内网用于部署核心的内容管理服务、内容源存储服务、音视图转码服务以及直通管理接口。互联网部署分为两部分,一部分是使用云厂商的相关服务,另一部分是部署于租用机房的镜像和接口服务,平台通过互联网部署部分向融媒体文化娱乐系统设备终端套件直接提供服务。

(1)CMS服务

一个带有RBAC和资源组权限控制系统的内容发布和管理平台,提供对整个融媒体文化娱乐系统运营管理的一个中心界面入口,其主要功能模块结构,见表2。

表2 服务平台主要功能模块结构表

数据包管理 一个支持主机下发内容差异化运营的支撑模块内容发布管理数据包发布管理用于将数据包发布为全网可用的接口数据的支撑系统数据包推送规则管理支持主机下发内容差异化运营的规则配置模块手机端APP升级管理 用于管理手机端APP升级软件升级管理主机端APP升级管理 用于管理主机端APP升级主机端系统OTA 管理 用于管理主机端操作系统升级硬盘更新程序升级管理用于管理主机硬盘更新程序的升级主机设备列表管理主机设备的第一入口设备流转管理用于管理主机设备发货和扫描情况主机设备管理接收单位管理用于管理主机设备的接收单位升级记录管理用于管理主机设备的升级历史设备型号管理用于管理主机设备的型号

(2)DSM 服务

一个带有独立RBAC 的大容量内容源存储系统,用于提供基本的内容源存储和访问服务。本地存储采用硬件RAID 5技术,提供较高的存储可靠性,并能够比较简单的扩容。现有运行容量最高可达42TB,能够满足未来5年内的多媒体内容源的存储需求。

DSM 服务与CMS服务部署于同一个内网,运行于专有的NAS系统,通过授权远程挂载的方式为CMS服务和CDN推送提供数据存储和读取的途径。

(3)转码服务

一个基于FFMpeg自主研发的自动化音视频转码队列系统,该转码服务为CMS服务的子系统之一,可独立运行和使用,主要用于配合CMS 系统提供自动化的音视频发布服务。该服务为分布式设计,支持转码节点的一键扩容。转码节点可配置高性能显卡GPU,以支持音视频转码的硬件加速功能。单个转码节点最多可并行进行3个音视频文件的转码任务,最高转码速度可达以往的15倍。

存储于DSM 服务中通过CMS 服务提交的影视、音频内容可以根据选择的转码规格进行自动的排队转码,并将转码结果投递给CMS 服务作为数据包内容使用,可节省大量的人力。

(4)域名解析服务

使用云厂商的域名解析服务,为融媒体文化娱乐系统内的相关服务和接口的访问提供支持。支持自定义解析、智能解析。

(5)OSS服务

使用云厂商的文件存储服务,对需要互联网加速访问的部分文件进行预部署,理论上支持无限容量的存储。

(6)CDN 服务

内置内容更新需要通过互联网通道进行,如果直接通过机房来进行数据下发,机房带宽有限,全国不同地域的用户在下载数据时会出现带宽争抢,不同地域的用户与机房间的联通性也无法得到保障。为解决此问题,可以使用云厂商的CDN 服务,对一部分需要通过互联网进行访问的文件进行全国范围内的节点分发,这样不同地域的用户内容更新下载数据时就近选择CDN 数据存储节点来进行访问,避免带宽争抢的同时也可以达到最佳的文件下载速度。

(7)数据接口

内网的功能无法直接通过互联网访问,为让主机在内容更新时能够正常访问相关的数据接口,这部分相关的数据接口选择部署在互联网机房中。对内网的数据访问同样通过VPN 和反向代理技术来实现,以保证系统的安全性。

对于数据升级请求以及软件升级类的访问接口,由于其逻辑的规则性高,变化仅仅依赖于CMS 服务后台的编辑操作,因此选择直接部署于外部机房,管理员通过CMS服务后台编辑规则保存后,将规则数据直接推送到外部机房服务器中。

典型的规则类接口请求处理逻辑见图7。

图7 规则类接口请求处理逻辑图

4 关键技术

4.1 “投屏”“双屏”互动

为保证“投屏”和 “双屏”互动 (以下简称投屏)的相关能力不被其他无关手机软件所探测和使用,采用基于Socket的私有加密协议设计。在保证性能的前提下,能够避免干扰和恶意操作。

投屏协议主要包括控制指令、响应指令和广播指令三种指令类型,其中,一个控制指令必然会对应一个响应指令,但是不一定需要广播指令。当手机端与主机端打开后,两端会自动建立指令通道,手机端软件会定时向主机端发送心跳指令,表明连接的有效性。当其中一个手机端软件成为主控端发起控制指令时,主机端会与主控端建立唯一的控制连接接收控制指令。

4.2 卡拉OK 双端音画同步

在使用卡拉OK 双屏互动功能时,在手机端能够实现同步控制主机端点歌、切歌、切换原唱伴唱、效果调节等功能,并且能够实现手机端和主机端画面的同步,以方便多人在唱卡拉OK 时能够各自使用手机操作而不必共用一个遥控器。由于手机屏幕画面和主机端同步,用户就可以直接通过手机来看当前歌曲的歌词。

由于手机端和主机端的连接是通过WiFi网络,因此双方通信本身会有一个固有的延时,并且在两端各自加载卡拉OK 歌曲时,速度也各不相同。所以,在默认情况下,两端画面始终是无法同步的,导致手机显示的歌词始终和主机端正在唱的位置无法相对应。为解决双屏同步问题,在现有的投屏协议基础上实现了一套“动态进度同步算法”。

在此算法中,手机端作为主动同步一方,初次加载时会主动与主机端询问当前的时间轴进度,并根据协议响应时间等因素进行本地时间轴查找,并记录本次调整的相关参数,当查找结束后会再次与主机端进行对时,计算误差,同时记录查找加载时长、协议延时、误差时长等调整参数。如果时间误差不满足要求,则反复重复该操作。

5 结语

融媒体文化娱乐系统的设计与实现,融网络、智能、电子和音响等技术于一体,立足功能多样、安全可靠、高速下载、易于操作等特点,搭建了集软硬件、后台管理、网络服务器等多位一体的整体解决方案。这一硬件高度集成、资源广泛融合、软件充分智能的融媒体设计理念,紧贴部队遂行任务实际,满足部队动散状态下开展宣传教育和文化娱乐活动需求,为创新影视文化技术提供了新思路和解决方案,下步还要进一步拓展功能、迭代升级,更好地提升官兵满意度。❖