某高清视频会议室的音视频系统设计及实现

林 飞，周月旺，刘鹏超

（北京奥特维科技有限公司，北京 100015）

0 引 言

视频会议由于其时效性好、效率高、节约时间、使用方便等特点，近年来得到了快速的发展和大面积的推广。特别是近几年疫情期间，人员流动及人员集聚的限制，催生了视频会议业务的繁荣[1]。本文研究某中大型视频会议室的设计及实现。该会议室宽约14 m，长约17 m，具有要求高、功能多、系统复杂等特点。

1 设计要求

视频会议室系统需要做到稳定可靠、操作便捷、适用性强。视频会议室应具备召开视频会议主会场功能、视频会议分会场功能以及本地会议功能。视频会议室的主要系统包括高清显示系统、高清摄像采集系统、视频切换系统、拾音系统、扩声系统、信号传输系统及集中控制系统[2]。本文主要介绍视频和音频相关系统。

2 视频系统设计

高清会议室要求图像达到1 920×1 080 的物理分辨率，在视频设备选择上需满足相关分辨率要求。视频帧率方面，为了保证系统具有良好的动态效果，视频信号帧率要求达到60 帧[3]。视频信号接口选择方面，系统选择3G-SDI 接口。会议室有独立的会议控制室，相关视频切换设备安装在控制室，显示设备及视频采集设备安装在会场，控制室和显示设备之间有一定距离。普通HDMI、DVI 或者DP 等接口无法进行长距离传输，需要外接传输设备，造成系统环节增多，故障点增多，同时会降低画质。3G-SDI 接口具备远距离传输的能力，能够正常支持传输100 m。同时，重要的会议室常常需要召开涉密会议，会议过程中需要布置信号屏蔽设备，有可能会引入干扰，3G-SDI 接口具有良好的抗干扰能力[4]。视频系统的总体构架如图1 所示。

图1 视频系统总体构架图

2.1 高清显示

高清显示系统主要完成会议室内视频图像的显示，需要考虑作为主会场和分会场不同场景时对显示的要求。首先，考虑作为主会场的场景。配置两台50 寸返送显示屏，用于分会场画面的显示。选用该尺寸显示屏，既满足主席台画面观看需求，又不会因为显示屏高度过高导致显示屏上沿超出第一排桌面。观众席也有观看分会场画面的需求，在会场前方左右两侧分别配置2 块86 寸液晶显示屏。由于现场没有壁挂的条件，配置流动安装支架。其次，考虑作为分会场的场景。在主席台后侧配置一块LED 显示屏。LED 显示屏具备同时显示两路16 ∶9 画面的能力，一路显示本地画面，一路显示远端画面。前视显示屏布局如图2 所示。

图2 前视显示屏布局示意图

显示屏的设计高度应满足视频会议相关规定要求，参会人员的视频观看上视角如图3 所示。

图3 视频观看上视角示意图

图3 中，H′为显示屏的安装高度，D为参会者与显示器之间的水平距离，H1′为参会者坐姿水平视线与显示器中心水平线之间的垂直距离，H2′为参会者坐姿平均身高，宜取1.40 m；H3′为主席台高度，无主席台时，H3′取0；θ为参会者与显示器中心法线的垂直视角。图3 中各参数的关系为：H′=H1′+H2′+H3′，H1′=Dtanθ。

根据相关规范，参会者与会场主显示器屏幕的垂直观看角宜小于或等于20°[5]。

该会议室设计主显示屏中心距地约2.62 m，第一排座位距屏约4.5 m，视角约为15°，满足相关设计规范要求。

2.2 高清摄像采集

摄像采集配置相应摄像机，满足作为主会场和分会场对画面的要求。系统配置2 台带三脚架的流动摄像机，用于作分会场时拍摄第一排主要参会人画面和会场全景画面，根据会议要求切换对应画面。在主席台上配置摄像机地插盒，满足会议摄像机视频信号和控制系统接入系统。同时，在会议室后墙固定安装2 台20 倍光学变焦高清摄像机，一台用于拍摄特写镜头，一台用于拍摄全景画面。为了具有更好的拍摄效果，后墙摄像机居中安装。所有摄像机具有3G-SDI 接口，并具备输出1 920×1 080p 60 Hz 分辨率的能力。摄像机具备远程控制能力，系统配置远程控制器，具备在控制室远程操控摄像机的能力。后墙摄像机布局如图4 所示。

图4 后墙摄像机布局示意图

摄像机摄像角度应满足视频会议相关规定要求，摄像机摄像垂直角如图5 所示。

图5 摄像垂直角示意图

图5 中，H为摄像机的安装高度，D为摄像机与被摄对象之间的水平距离，H1为摄像机与被摄对象坐姿水平视线之间的垂直距离，H2为被摄对象坐姿平均身高，宜取1.40 m；H3为主席台高度，无主席台时，H3取0；θ为摄像机的垂直摄像角。图5 中，各参数的关系为：H=H1+H2+H3，H1=Dtanθ。

根据相关规范，摄取发言者图像的主摄像机的垂直摄像角宜小于或等于10°[5]。

该会议室设计后墙摄像机距地约2.5 m，摄像角度约为4°，满足相关设计规范要求。流动摄像机使用时置于主席台，调整摄像机三脚架高度满足摄像要求。

2.3 视频切换

视频切换系统完成会议室内视频信号的调度。系统中配置高清视频矩阵，矩阵具有3G-SDI 的接口。为了满足会议过程中对所有信号的掌握，系统配置的视频矩阵具备对所有输入输出信号实时监看的功能。为了实现视频会议过程中多台摄像机的镜头切换，系统配置了1 台特技切换台，实现镜头的平滑切换。

3 音频系统设计

音频系统主要包括拾音系统、扩音系统以及音频处理系统。音频系统既要满足召开本地会议的需求，也要满足召开视频会议的需求。设计需要既要考虑结构稳定性，也要考虑操控便捷性。作为视频会议室，除了考虑最大声压级、传输频率特性、传声增益、声场不均匀度以及语言清晰度等指标之外，还需要做好回声消除和声像同步等功能，满足视频会议收听、收看及双向交流要求。为了提高稳定性、减少故障点，系统中音频分配设备采用无源分配器。音频系统总体结构如图6 所示。

图6 音频系统总体构架图

3.1 拾音系统

系统配置会议话筒。在主席台上每个桌位配置一只会议话筒，第一排配置五只会议话筒。话筒采用超星型电容会议鹅颈话筒，能够有效提高会议室的传声增益。话筒通过无源分配器分别分配到调音台和数字音频处理器，根据会议需要可以通过调音台操作单只会议话筒，也可以通过音频处理器进行多只话筒管理。同时，音频处理器还可作为调音台的一个备份处理系统，在正常会议过程中通过调音台进行会议操控，当调音台出现故障时可以切换到音频处理器模式，通过操控音频处理器进行会议管控。会议过程中需要同时开启多只话筒时，如果会议室没有足够的传声增益，容易出现啸叫。此时可以充分利用音频处理的自动混音功能，实现多只话筒的管理[6]。话筒管理原理如图7 所示。

图7 话筒管理原理示意图

3.2 扩声系统

系统中在会议室前端左右两侧分别配置主扩音箱，在观众区配置3 组辅助吸顶音箱用于补声，用于会议室观众席听音。该会议室面积不大，会议过程中以主扩音箱为主，辅助音箱根据实际调试情况进行适当补声。在第一排配置2 只返送音箱，为主席台进行补声。基于对整体设计的理解，设计人员采用EASE4.3 系统软件进行计算机辅助设计。通过EASE 模拟，可以得到近似的建声声场，可计算混响时间、最大声压级、声场不均匀度以及传输频率特性等指标。声场建模如图8 所示。

图8 声场建模图

频率为1 000 Hz 的EASE声场仿真如图9所示。

图9 1 000 Hz 的EASE 声场仿真图

频率为2 000 Hz的EASE声场仿真如图10所示。

图10 2 000 Hz 的EASE 声场仿真图

频率为4 000 Hz的EASE声场仿真如图11所示。

图11 4 000 Hz 的EASE 声场仿真图

综合以上声场仿真结果，扩声系统的性能指标达到《会议电视会场系统工程设计规范》（GB 50635—2010）规定的一级指标。

3.3 音频处理系统

音频处理系统实现会议室内声场均匀度处理，通过参数EQ 精确补偿扬声器的频响特性和房间的频率特性，平直的频响有利于提高啸叫出现的临界电平。通过自动动态处理AGC 算法，根据信号的大小自动控制信号增益大小，能够使信号一直处于一个最佳范围之内，解决发言人的音量不均匀、音频信号忽大忽小的问题。提高视频会议双向交流体验感的回声消除（AEC），也需要音频处理系统进行处理。AEC 声学回声消除算法能持续比对远程回传的信号和本地话筒拾取的远程扩声信号，通过去相干计算，将话筒拾取的远程信号滤除，有效防止信号回传到远端，避免引起回声 干扰（Echo）[7]。

4 结 语

近年来，视频会议在社会中的应用越来越广泛，视频会议室作为视频会议的重要、正式场地也越来越受到重视。会议室内相关音视频系统的设计，既需要考虑本地开会使用的需求，也要考虑视频会议的特殊需求。系统设计需要合理，以最小系统满足使用需求，应避免过度设计。同时，所有设计需要符合相关规范要求，保证良好的使用效果。合理的音视频系统设计，能够最大限度地发挥设备的优势，在充分利用建设资金的基础上，做到系统简洁、稳定性高、效果好、使用便捷。