分布式音視頻系統(tǒng)淺析

來源：小鳥科技編輯：QQ123 2021-05-26 12:45:02 加入收藏

隨著國防軍工建設(shè)體制建設(shè)規(guī)劃的不斷完善，軍隊指揮控制信息系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，諸多音視頻傳輸廠商掀起了一股有關(guān)IP化分布式音視頻系統(tǒng)建設(shè)的旋風(fēng)，諸多廠家紛紛帶來了在不同技術(shù)架構(gòu)下的產(chǎn)品。

　　小鳥科技作為業(yè)內(nèi)以技術(shù)研發(fā)作為原始動力的企業(yè)，在其血液中流淌著工程師基因，堅信好的設(shè)計，優(yōu)秀的產(chǎn)品品質(zhì)自然會說話。

　　首先理解一款好的產(chǎn)品，要清楚這款產(chǎn)品的歷史，才能看清楚發(fā)展方向。所以今天先回顧IP化分布式音視頻系統(tǒng)的歷史，一起探索IP化分布式音視頻系統(tǒng)的前世今生，同時給大家介紹小鳥科技的全新“火鳳”系列的分布式產(chǎn)品。

一、圖像IP化分布式系統(tǒng)的發(fā)展歷程

　　(一) 分布式系統(tǒng)的誕生

　　在二十一世紀(jì)初，出現(xiàn)了視頻分布式系統(tǒng)的雛形：基于視頻壓縮算法的視頻傳輸交換系統(tǒng)。但由于當(dāng)時科技水平的限制，這類分布式系統(tǒng)都采用PCI-E架構(gòu)，基于傳統(tǒng)的MJPEG/MPEG-4/H.263等視頻壓縮方式，實現(xiàn)視頻的傳輸和播放。這類系統(tǒng)一般用于監(jiān)控和安防領(lǐng)域，但是無法滿足會議室、指控中心等場景的應(yīng)用。同時，由于其產(chǎn)品形態(tài)和使用限制很多，隨著時間的推進(jìn)，逐漸消失在大眾視野中。

　　發(fā)現(xiàn)真正意義的第一代分布式系統(tǒng)，是2008年美國的Jupiter公司出品的PixelNet系列產(chǎn)品。之所以將其稱為真正意義的分布式系統(tǒng)，是因為其產(chǎn)品形態(tài)和使用方式，跟我們今天所看到的分布式系統(tǒng)架構(gòu)非常類似。采用了編碼器+交換機(jī)+解碼器的組網(wǎng)方式，實現(xiàn)視頻矩陣切換、大屏拼接等功能。今天我們國內(nèi)能看到的分布式產(chǎn)品，都采用了類似的組網(wǎng)架構(gòu)。小鳥科技的創(chuàng)始人李厚鵬先生有幸在2011年和Jupiter的創(chuàng)始人Eric Wogsberg先生有過一次深入的交流，深感分布式系統(tǒng)可能給行業(yè)帶來的變革。從那時起分布式的概念就在小鳥科技的血液中開始流淌。

　　(二) 分布式系統(tǒng)的蟄伏期

　　2008年-2015年自Jupiter提出分布式系統(tǒng)的概念和產(chǎn)品后，國內(nèi)外的一些廠家紛紛效仿。由于當(dāng)時技術(shù)的局限性，圖像壓縮嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)占用帶寬較大，沒有配套的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備;加之設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的采購部署成本非常高，導(dǎo)致當(dāng)時的分布式系統(tǒng)在推廣過程中遇到比較大的阻力，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)無法成為業(yè)內(nèi)主流的音視頻解決方案。但在此期間，很多業(yè)內(nèi)的廠家都對分布式系統(tǒng)保持高度關(guān)注，都在討論分布式系統(tǒng)的未來及前景。小鳥科技也一直對分布式系統(tǒng)保持極大的熱情，雖然受限于成本和技術(shù)瓶頸，分布式在市場端的接受度很低，但是我們依然組建核心團(tuán)隊對分布式系統(tǒng)進(jìn)行各種核心技術(shù)的預(yù)研工作。

　　與分布式的蟄伏不同，2005-2015年卻是集中式矩陣、拼接器發(fā)展的黃金十年。將FPGA算法引入專業(yè)視聽領(lǐng)域，通過FPGA的超高處理能力，可以實現(xiàn)視頻畫面毫無損失的傳輸處理控制，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，集中式設(shè)備具備越來越完善的功能，包括矩陣交換、拼接處理、坐席管理、運(yùn)維管控等所有能想到的功能。比如小鳥科技2017年出品的UniStation全光纖非IP化坐席管理系統(tǒng)，就是集上述所有功能為一體的集中式高端音視頻解決方案。

　　(三) 分布式系統(tǒng)的黃金期發(fā)展期

　　從2015年開始，隨著客戶對更大規(guī)模音視頻解決方案需求的提升，以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，分布式系統(tǒng)優(yōu)勢又重新被大家所關(guān)注。分布式系統(tǒng)之所以可以重登歷史舞臺，是因為其具有很多優(yōu)秀特性，以下分布式系統(tǒng)最重要的幾個特性：

　　1. 海量接入，無限擴(kuò)容

　　2. 部署靈活，易于建設(shè)

　　3. 信息互通，多方協(xié)作

　　4. 整體運(yùn)維，全面管控

二、不同IP分布式編解碼技術(shù)介紹

　　隨著分布式系統(tǒng)概念的逐步興起，各廠家都開始加大分布式系統(tǒng)的研發(fā)及投入。但是由于不同廠家的研發(fā)條件和技術(shù)實力以及對分布式系統(tǒng)的應(yīng)用概念理解各不相同，導(dǎo)致大家采用了不同的分布式架構(gòu)。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的IP化編解碼有以下三種主流的算法：

　　(一) 分布式深壓縮技術(shù)

　　深壓縮分布式系統(tǒng)顧名思義，是將視頻信號進(jìn)行深度壓縮，實現(xiàn)矩陣、拼接、坐席、管控等功能。一般業(yè)內(nèi)廠家采用的都是H.264/H.265的壓縮算法。由于深壓縮算法的壓縮原理，導(dǎo)致其優(yōu)點和缺點都非常明顯。

　　1. 深壓縮分布式技術(shù)優(yōu)點

　　網(wǎng)絡(luò)帶寬占用低

　　深壓縮算法將一路1080P視頻信號(3G帶寬)，壓縮為一路網(wǎng)絡(luò)信號，通常為2M-50M帶寬，因此對網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬要求較低，在廣域傳輸、跨網(wǎng)傳輸情況下有非常明顯的優(yōu)勢。

　　標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議對接

　　采用標(biāo)準(zhǔn)的H.264/H.265傳輸協(xié)議，可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)視頻輸入，例如網(wǎng)絡(luò)攝像頭和各種解碼平臺。并且可以簡單的通過瀏覽器或者軟件實現(xiàn)可視化的預(yù)監(jiān)和回顯功能。

　　系統(tǒng)功能完善

　　深壓縮采用的H.264/H.265編解碼技術(shù)，都是來自于1997年ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)和ITU(國際電信聯(lián)盟)兩個組織共同提出的新一代數(shù)字視頻壓縮格式。發(fā)展歷史悠久，經(jīng)過監(jiān)控和安防行業(yè)的推進(jìn)，有完整的解決方案。

　　2. 深壓縮分布式技術(shù)缺點

　　YUV420采樣導(dǎo)致圖像損失較大

　　我國行業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)的深壓縮分布式廠家，都是以華為海思編解碼芯片為核心器件，進(jìn)行二次開發(fā)而來。但是由于海思芯片對視頻采樣都是YUV4:2:0的采樣形式，這就導(dǎo)致了行業(yè)內(nèi)的深壓縮分布式系統(tǒng)的視頻色彩空間不足。此弊病在自然圖像的視頻下不明顯，但是在文字圖像和不同的底色情況下，顯示的尤為明顯。

　　高壓縮比導(dǎo)致畫面質(zhì)量損失較大

　　由于深壓縮算法的壓縮比可以達(dá)到50-150倍，所以高壓縮比帶來的必定是畫質(zhì)的降低。這一點不論是從香農(nóng)定理還是信息論基本原理來講，都是必然的，雖然可以通過各種算法降低畫面損失，但是仍然無法達(dá)到視覺無損的顯示效果。只能盡量通過降低壓縮比，提高傳輸帶寬，才能達(dá)到更好的視頻效果。

　　幀間壓縮算法導(dǎo)致延遲較大

　　由于H.264/H.265采用的大都是幀間壓縮算法，這種算法在編碼和解碼時會引入2-3幀的畫面延遲，總共會引入4-6幀的延遲，雖然在視頻顯示的時候可以接受，但是如果在KVM應(yīng)用下，則會讓用戶感覺到比較明顯的遲滯感，降低客戶使用的滿意度。

　　單播分布式通信導(dǎo)致拼接大屏同步性差

　　由于深壓縮分布式系統(tǒng)，一般主流廠家采用的是單播通信，因此畫面在實現(xiàn)多屏顯示的時候，發(fā)送端需要將視頻一個接一個的發(fā)出去，加之解碼端沒有同步機(jī)制，畫面會出現(xiàn)不同步和較為明顯的撕裂現(xiàn)象。

　　(二) 淺壓縮分布式系統(tǒng)

　　淺壓縮分布式是針對深壓縮分布式而言，采用淺壓縮算法，例如VC-2/JPEG等視頻壓縮算法。淺壓縮信號可以通過千兆網(wǎng)進(jìn)行傳輸，并且最大限度的使用千兆網(wǎng)的帶寬資源。同樣的淺壓縮分布式系統(tǒng)也有其優(yōu)缺點：

　　1. 淺壓縮分布式系統(tǒng)的優(yōu)點

　　視覺無損的壓縮算法

　　淺壓縮算法將一路1080P視頻信號(3G帶寬)，壓縮為一路網(wǎng)絡(luò)信號，通常為300M-900M帶寬，采用YUV4:4:4的采樣形式;視頻壓縮率低，畫質(zhì)較深壓縮有非常明顯的優(yōu)勢。

　　超低的視頻延遲

　　淺壓縮算法的壓縮算法比較多，最優(yōu)秀的視頻壓縮算法，是將視頻按照每行的畫面進(jìn)行壓縮，并馬上傳輸后解壓縮，因此一般淺壓縮算法的延遲，不超過一幀，按照1080P分辨率而言，延遲在微秒級別，已經(jīng)完全感覺不到分布式系統(tǒng)引入的延遲。

　　完美的拼接同步性

　　由于采用組播傳輸模式，加上網(wǎng)絡(luò)的全互通部署，所以每一路視頻信號都有其獨(dú)立的傳輸通道。加上全網(wǎng)同步技術(shù)，不論大屏顯示還是單屏顯示，都可以達(dá)到納秒級的同步。

　　協(xié)議私密，安全性高

　　國內(nèi)做淺壓縮分布式的廠家，大都采用各自的私有協(xié)議;或者在標(biāo)準(zhǔn)壓縮格式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造?；緵]有標(biāo)準(zhǔn)的編解碼協(xié)議，這就意味著即使視頻碼流被截取，也無法恢復(fù)出原始視頻。提高了視頻傳輸?shù)陌踩浴?/p>

　　2. 淺壓縮分布式系統(tǒng)的缺點

　　交換機(jī)帶寬壓力大

　　由于一路1080P信號就要占用幾百兆的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此對于交換機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量提出非常高的要求。并且無損分布式系統(tǒng)一定要和對應(yīng)的接入交換機(jī)、匯聚交換機(jī)、核心交換機(jī)進(jìn)行深入的適配，才能達(dá)到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)傳輸效果。

　　無法實現(xiàn)域間視頻互通

　　由于淺壓縮碼流占用帶寬很大，因此在跨域傳輸?shù)臅r候，無法承載這么大的網(wǎng)絡(luò)壓力;因此無法單獨(dú)實現(xiàn)域間傳輸。一般需要將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號，再通過其他設(shè)備進(jìn)行深壓縮，以實現(xiàn)跨域傳輸。

三、小鳥科技“火鳳”系列雙碼流IP化編解碼分布式系統(tǒng)介紹

　　“火鳳”系列雙碼流IP化編解碼分布式產(chǎn)品，顧名思義，它是跨時代的雙碼流分布式系統(tǒng)產(chǎn)品是集合了深壓縮分布式和淺壓縮分布式的特性的涅槃重生產(chǎn)品。在設(shè)計“火鳳”系列分布式產(chǎn)品對環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了全新的理解，在外觀設(shè)計中加入了更有質(zhì)感的金屬元素，和格柵散熱網(wǎng)格，可有效的進(jìn)行主動散熱和抗震防塵，穩(wěn)定性上采用了加固面板和定制化加固接口，有助于應(yīng)對復(fù)雜的軍事活動中的特別是應(yīng)對相對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境的表現(xiàn)。

　　雙碼流系統(tǒng)絕不是將兩種制式簡單的放在一起，進(jìn)行簡單的雙系統(tǒng)并行傳輸。而是將兩種制式的系統(tǒng)相互融合，形成更完善的解決方案。

　　早在2015年伊始，小鳥科技就推出了AVCNet-B系列分布式產(chǎn)品，實現(xiàn)多系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。在2019年推出的新一代B系列深壓縮分布式系統(tǒng)，針對上述深壓縮分布式的缺點，都進(jìn)行有針對性的系統(tǒng)優(yōu)化，通過FPGA+DSP的全新架構(gòu)，彌補(bǔ)了深壓縮分布式的缺點。

　　2015年初小鳥科技開始投入研發(fā)力量進(jìn)行無損算法的技術(shù)預(yù)研，以國際領(lǐng)先的VC-2的壓縮算法為基礎(chǔ)，加入自身對算法的實現(xiàn)和改進(jìn)，于2016年推出國內(nèi)首款淺壓縮無損分布式系統(tǒng)AVCNet-H系列產(chǎn)品。

　　小鳥科技的AVCNet-H系列淺壓縮無損分布式產(chǎn)品，以其卓越的視頻壓縮算法和全套的解決方案，一經(jīng)推出就成為業(yè)界翹楚，并于2018、2019年分別承建和保障了北京市政府和軍隊的某重點項目，單次建設(shè)達(dá)到3000個以上的編解節(jié)點，此項目是目前已知的世界上最大的淺壓縮分布式建設(shè)案例。在經(jīng)過多個大型項目的歷練，AVCNet-H無損分布式系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟穩(wěn)定，具備上邊提到的所有優(yōu)點，并且通過自身的不斷努力以及對客戶的進(jìn)一步了解，解決了傳統(tǒng)無損分布式系統(tǒng)的缺點，形成完整的解決方案。

　　“無損碼流”與“深壓縮碼流”自動轉(zhuǎn)換

　　針對淺壓縮分布式系統(tǒng)不易實現(xiàn)跨域傳輸，碼流格式不標(biāo)準(zhǔn)的特點，通過自主研發(fā)無損碼流與深壓縮碼流的AI碼流自適應(yīng)切換技術(shù)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況和屏幕顯示需求，自動匹配最適合的碼流，在實際有效帶寬的情況下，可以得到最優(yōu)質(zhì)的視頻顯示效果和延遲效果。

　　既可以降低帶寬實現(xiàn)跨域傳輸，也可以形成標(biāo)準(zhǔn)的H.264/265碼流，進(jìn)行預(yù)監(jiān)回顯和錄播回放等功能，也可通過淺壓縮無損碼流進(jìn)行高質(zhì)量視頻的本地坐席交互。

　　YUV4:4:4采樣及傳輸

　　采用FPGA+DSP的底層架構(gòu)和DBHC(DIGIBIRD H.26X Compensation) H.26X補(bǔ)償算法，在傳統(tǒng)H.26X編碼的基礎(chǔ)上，增加深壓縮輔碼流，實現(xiàn)畫面的YUV4:4:4采樣及傳輸顯示，低帶寬即可得到高畫質(zhì)體驗，最終得到低帶寬高畫質(zhì)的顯示效果。

　　全網(wǎng)同步算法

　　通過小鳥科技研發(fā)的全網(wǎng)同步算法DBNS(DIGIBIRD Network Synchronization)，可以實現(xiàn)所有輸入輸出視頻的全網(wǎng)同步，加上系統(tǒng)支持組播建網(wǎng)模式，可以進(jìn)一步提高拼接的同步性，多屏顯示的時候同步性也可以達(dá)到納秒級別，可以和集中式設(shè)備的同步性相媲美。