高稳定性会议场景的多功能视频系统设计与实现

王赣华，刘鹏超（.江西省专用通信局，江西 南昌 330036；.中国电子科技集团公司第三研究所，北京 0005）

0 引言

当前，视频会议作为一种高效便捷的工作方式，被广泛应用于各领域。视频系统作为视频会议系统的核心组成，其稳定性和可靠性是系统设计需要考虑的重要因素，在视频系统实际应用中必须对会议产生的各种视频信号进行高效稳定传输[1]。除此之外，系统简易、功能丰富、体验感强也是视频系统设计的目标[2-3]。本文针对高稳定性、多功能、高品质的会议场景需求，设计了主备视频切换控制系统，具有稳定性高、操作便捷、功能丰富、体验感强等特点。

1 视频系统的构成及方案设计

为保证会议室场景下视频系统的稳定运行，视频系统设计采用主备控制方案。常规的备份方案通过视频矩阵、视频分配器和信号切换器来管理和备份输入信号和输出信号[4-5]，这种传统的备份方案可能在图像质量和兼容性方面存在一些问题，并且如果系统中的设备本身出现故障，将引起整个备份系统崩溃，导致原本作为备份系统的设备反而成为新的故障源。为了解决这些问题，本视频系统采用了全新的热备份思路，方案原理如图1 所示。

图1 视频系统的热备份原理图

独立主备控制设备的中央处理器负责实时监测主备系统链路。当主系统出现故障，独立主备控制设备会立即检测到主系统信号异常，并迅速启动切换流程，将整个链路自动切换到备用系统，从而确保整个链路的安全和稳定运行。

本视频系统的核心设备包括2 台广播级多功能视频处理器、1 台主备控制设备、1 台可编程控制面板、交换机、视频输入设备以及视频显示终端设备。系统通过局域网将多台处理设备连接起来，实现对会议中视频系统的控制管理和交互操作。主备视频切换控制系统的架构如图2 所示。

图2 主备视频切换控制系统架构图

视频会议终端、会场摄像机及硬盘录像机等视频输入信号接入至独立主备控制设备后将视频输入信号一分为二，输送至后端多功能视频处理器，实现输入信号的分配处理。将主备两套视频处理器处理完的输出信号输送至主备控制设备。中央处理器实时监测这两个信号的状态，当主信号出现故障，第一时间将整个链路切换至备路信号上，实现这两个信号的备份切换。此外，主备控制设备的3G 串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）输出接口具有断电直通设计，确保主链路输入到输出的整体安全性。

本系统用到的多功能视频处理器单机即可替代目前传统会议室场景视频系统中的字幕机、视频矩阵、多画面分割器及格式转换器等多个设备，可实施性、易用性、可维护性都大幅提升。矩阵切换、同步切换、字幕调用、场景存储及场景调用等功能集中管理、统一操作，均可通过可编程控制面板实现。可编程控制面板支持同时对多台设备发送指令，实现设备的集中控制。主备设备仅需设置一次，且所有面板按键可根据被控制设备的实际应用功能做自定义编程，极大地提升了系统的操作便捷性。

在视频信号处理算法方面，系统采用了12 位图像位深、4 ∶4 ∶4 采样率的画质处理技术，视频传输质量达到广电级应用标准，可以满足党政机关、政府企业等高画质、高稳定的会议场景需求。

2 系统备份机制

视频系统的独立主备控制设备由中央处理器、输入模块和输出模块构成。中央处理器控制系统负责输入输出信号的状态监控，并且负责连接控制按键以及液晶面板显示，独立主备控制设备的架构设计如图3 所示。

图3 独立主备控制设备设计架构

系统最大可支持4 张输入备份模块和4 张输出备份模块。每张板卡可支持两组备份信号，输入输出模块接口类型为3G SDI 与高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）1.3。 独立主备控制设备的输入卡采集到输入视频信号后完成复制功能，一分为二的视频输入信号送至主备多功能视频处理器的输入端，多功能视频处理器的2 路视频输出信号送至独立主备控制设备的输出卡。正常情况下系统主视频链路工作，当中央处理器监测到主视频链路无视频分辨率则自动切换到备路。独立主备控制设备的备份机制如图4 所示。

图4 独立主备控制设备的备份机制

独立主备控制设备的3G SDI 输出接口具有断电直通设计。系统正常工作时，继电器开关打开，主备设备正常运行。当独立主备控制设备出现故障，继电器开关闭合，形成主链路直通线路，确保主链路的输入到输出整体安全性。断电直通设计的原理如图5 所示。

图5 独立主备控制设备断电直通设计原理图

本视频系统的备份方式包括双机热备份、信号备份、场景备份及双电源备份。各种备份机制的特点如下。

第一，双机热备份。本系统采用两台广播级多功能处理器进行双机热备份，确保主备设备同时运行。如果主设备出现故障，备份设备将自动接管并继续处理任务，从而保证系统的稳定性和可靠性。系统不仅可以实现自动备份切换，还可以通过手动方式一键切换到备机，以便检查主备路信号状态以及快速应对紧急情况。系统还采用Genlock 技术使主备设备保持同步状态，确保了视频信号的准确性和一致性。

第二，信号备份与场景备份。为了确保视频输出显示画面的安全与稳定，多功能视频处理器具备输入信号备份功能与场景备份功能，在主输入或主场景因故障掉线时，系统自动切换至备份输入信号或备份场景。显示画面在应对会议进行中的突发状况时，依然能够保证输出画面的稳定，提升了系统的可靠性。

第三，双电源备份。视频系统中的主备控制设备和视频处理器均配备了双重电源备份，一旦其中一个电源出现断电或其他故障情况，另一个电源将立即工作，继续为会议现场的显示系统提供稳定运行保障，确保会议显示系统的正常进行而不受电源故障的干扰。

第四，断电直通。独立主备控制设备采用了断电直通设计，即使在电源中断的情况下，也可以保证备份设备能够正常工作并继续完成信号的传输任务，而不会成为新的故障点。这样的设计进一步提高了备份系统的可靠性和稳定性，避免因设备故障导致的备份系统失效，确保数据和信号的安全与完整性。

3 创新性及系统性能优势

本视频系统在设计时考虑到系统的扩展性及易维护性，系统中的核心设备用到了功能丰富的视频处理器，在保证系统稳定工作的同时，系统还具有以下性能及优势。

第一，系统简易，操作便捷。传统会议场景中，视频系统需要用到视频分配器、视频矩阵、格式转换器、字幕机以及多画面分割器，本系统的多功能视频处理器单机即可替代这些设备，提升了系统的便捷性、易用性和可维护性。

第二，可编程控制面板、专业控制软件灵活控制。可编程控制面板可实现矩阵同切、模式存储与调用，通过可编程控制面板可完全控制视频系统中的设备，也可用专业控制软件完全控制视频处理器，进行不同场景定时切换、字幕设置等功能，有利于系统的集总控制。系统控制同时开放应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），可以进行二次开发，集成到会议系统已有的中控平台。

第三，输入输出接口形态可灵活配置。本视频系统的设备使用可热拔插的板卡式结构设计，可根据会场的视频来源和终端显示器的接口形态选配不同的输入输出板卡。系统可选配HDMI 1.3、HDMI 2.0、3G-SDI 等板卡类型，可满足不同类型会议场景的视频切换控制管理需求，也可作为新入设备加嵌到既存的会议系统中进行升级，热拔插的板卡式设计提升了应用现场的可维护性。

第四，视频图像上下变换。本视频系统设备内部集成了视频格式转换、视频分辨率上下变换、视频帧率上下变换等功能，加上内部的矩阵切换功能，架设系统时，可解决视频源与终端显示设备格式不兼容的问题。通过矩阵切换，可在同一终端显示设备上输出不同输入格式的视频源图像。

第五，矩阵同切、无缝切换。本系统设备的矩阵切换功能不受视频源格式限制，可以在HDMI 1.3、HDMI 2.0、3G-SDI 等输入和输出接口之间自由切换，切换效果为无缝切换，摆脱了传统矩阵切换接口形态必须一致的限制，避免了矩阵切换中的黑屏、信号中断等问题，极大地提升了现场应用感官体验。矩阵切换同时集成了编组同切、通道备份自动切换功能，提升了多视频终端的会议系统操作性。

第六，多画面处理。连接设备的多个输入视频源图像可在同一个输出接口上进行画中画（Picture-In-Picture，PIP）、画外画（Picture-Out-Picture，POP）融合。PIP、POP 的画面可以自由调整大小、位置以及进行画面裁剪，也可以将同一输入图像经放大后通过多个接口组合输出，即可满足同一视频终端同时获取多个输入图像信息的需求，也可满足会议系统超高分辨率的拼接输出需求。

第七，多通道输入输出音视频同步监看。设备的监看板卡可同时对16 路输入/输出通道的视频进行监看，设备同时兼有Dante 音频输入功能。音频输入最多32 声道，可与视频监看的通道进行编组绑定，从而实现16 路输入/输出通道的音视频同时监看，极大满足会议室后台监看的需求，同时可方便进行系统故障排查。

4 结语

在确保视频系统传统功能实现的基础上，丰富系统功能、提升系统稳定性，形成质量高、用途多、范围广的视频系统综合服务格局，是会议会场视频系统设计下一步发展的一个突破口。本文设计的视频系统具有较高的可靠性与稳定性，可维护性强，功能齐全，可以广泛应用于对会议质量及稳定性有极高要求的政府机关、企事业单位、军队等机构的重大会议、指挥控制及展览展示等领域，具有广阔的应用前景。