分布式音視頻系統淺析

　　小鳥(niǎo)科技作為業(yè)內以技術(shù)研發(fā)作為原始動(dòng)力的企業(yè)，在其血液中流淌著(zhù)工程師基因，堅信好的設計，優(yōu)秀的產(chǎn)品品質(zhì)自然會(huì )說(shuō)話(huà)。

　　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的歷史，一起探索IP化分布式音視頻系統的前世今生，同時(shí)給大家介紹小鳥(niǎo)科技的全新“火鳳”系列的分布式產(chǎn)品。

一、 圖像IP化分布式系統的發(fā)展歷程

　　(一) 分布式系統的誕生

　　在二十一世紀初，出現了視頻分布式系統的雛形：基于視頻壓縮算法的視頻傳輸交換系統。但由于當時(shí)科技水平的限制，這類(lèi)分布式系統都采用PCI-E架構，基于傳統的MJPEG/MPEG-4/H.263等視頻壓縮方式，實(shí)現視頻的傳輸和播放。這類(lèi)系統一般用于監控和安防領(lǐng)域，但是無(wú)法滿(mǎn)足會(huì )議室、指控中心等場(chǎng)景的應用。同時(shí)，由于其產(chǎn)品形態(tài)和使用限制很多，隨著(zhù)時(shí)間的推進(jìn)，逐漸消失在大眾視野中。

　　發(fā)現真正意義的第一代分布式系統，是2008年美國的Jupiter公司出品的PixelNet系列產(chǎn)品。之所以將其稱(chēng)為真正意義的分布式系統，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架構非常類(lèi)似。采用了編碼器+交換機+解碼器的組網(wǎng)方式，實(shí)現視頻矩陣切換、大屏拼接等功能。今天我們國內能看到的分布式產(chǎn)品，都采用了類(lèi)似的組網(wǎng)架構。小鳥(niǎo)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(guò)一次深入的交流，深感分布式系統可能給行業(yè)帶來(lái)的變革。從那時(shí)起分布式的概念就在小鳥(niǎo)科技的血液中開(kāi)始流淌。

　　(二) 分布式系統的蟄伏期

　　2008年-2015年自Jupiter提出分布式系統的概念和產(chǎn)品后，國內外的一些廠(chǎng)家紛紛效仿。由于當時(shí)技術(shù)的局限性，圖像壓縮嚴重，網(wǎng)絡(luò )占用帶寬較大，沒(méi)有配套的網(wǎng)絡(luò )交換設備;加之設備和網(wǎng)絡(luò )的采購部署成本非常高，導致當時(shí)的分布式系統在推廣過(guò)程中遇到比較大的阻力，在相當長(cháng)的一段時(shí)間內無(wú)法成為業(yè)內主流的音視頻解決方案。但在此期間，很多業(yè)內的廠(chǎng)家都對分布式系統保持高度關(guān)注，都在討論分布式系統的未來(lái)及前景。小鳥(niǎo)科技也一直對分布式系統保持極大的熱情，雖然受限于成本和技術(shù)瓶頸，分布式在市場(chǎng)端的接受度很低，但是我們依然組建核心團隊對分布式系統進(jìn)行各種核心技術(shù)的預研工作。

　　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(zhuān)業(yè)視聽(tīng)領(lǐng)域，通過(guò)FPGA的超高處理能力，可以實(shí)現視頻畫(huà)面毫無(wú)損失的傳輸處理控制，并且隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，集中式設備具備越來(lái)越完善的功能，包括矩陣交換、拼接處理、坐席管理、運維管控等所有能想到的功能。比如小鳥(niǎo)科技2017年出品的UniStation全光纖非IP化坐席管理系統，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) 分布式系統的黃金期發(fā)展期

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

　　1. 海量接入，無(wú)限擴容

　　2. 部署靈活，易于建設

　　3. 信息互通，多方協(xié)作

　　4.  整體運維，全面管控

二、 不同IP分布式編解碼技術(shù)介紹

　　隨著(zhù)分布式系統概念的逐步興起，各廠(chǎng)家都開(kāi)始加大分布式系統的研發(fā)及投入。但是由于不同廠(chǎng)家的研發(fā)條件和技術(shù)實(shí)力以及對分布式系統的應用概念理解各不相同，導致大家采用了不同的分布式架構。當前行業(yè)內普遍認可的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)

　　深壓縮分布式系統顧名思義，是將視頻信號進(jìn)行深度壓縮，實(shí)現矩陣、拼接、坐席、管控等功能。一般業(yè)內廠(chǎng)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，導致其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都非常明顯。

　　1.  深壓縮分布式技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　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。

　　標準化協(xié)議對接

　　采用標準的H.264/H.265傳輸協(xié)議，可以實(shí)現標準網(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(jiǎn)單的通過(guò)瀏覽器或者軟件實(shí)現可視化的預監和回顯功能。

　　系統功能完善

　　深壓縮采用的H.264/H.265編解碼技術(shù)，都是來(lái)自于1997年ISO(國際標準化組織)和ITU(國際電信聯(lián)盟)兩個(gè)組織共同提出的新一代數字視頻壓縮格式。發(fā)展歷史悠久，經(jīng)過(guò)監控和安防行業(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(diǎn)

　　YUV420采樣導致圖像損失較大

　　我國行業(yè)內絕大多數的深壓縮分布式廠(chǎng)家，都是以華為海思編解碼芯片為核心器件，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而來(lái)。但是由于海思芯片對視頻采樣都是YUV4:2:0的采樣形式，這就導致了行業(yè)內的深壓縮分布式系統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。

　　高壓縮比導致畫(huà)面質(zhì)量損失較大

　　由于深壓縮算法的壓縮比可以達到50-150倍，所以高壓縮比帶來(lái)的必定是畫(huà)質(zhì)的降低。這一點(diǎn)不論是從香農定理還是信息論基本原理來(lái)講，都是必然的，雖然可以通過(guò)各種算法降低畫(huà)面損失，但是仍然無(wú)法達到視覺(jué)無(wú)損的顯示效果。只能盡量通過(guò)降低壓縮比，提高傳輸帶寬，才能達到更好的視頻效果。

　　幀間壓縮算法導致延遲較大

　　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(shí)會(huì )引入2-3幀的畫(huà)面延遲，總共會(huì )引入4-6幀的延遲，雖然在視頻顯示的時(shí)候可以接受，但是如果在KVM應用下，則會(huì )讓用戶(hù)感覺(jué)到比較明顯的遲滯感，降低客戶(hù)使用的滿(mǎn)意度。

　　單播分布式通信導致拼接大屏同步性差

　　由于深壓縮分布式系統，一般主流廠(chǎng)家采用的是單播通信，因此畫(huà)面在實(shí)現多屏顯示的時(shí)候，發(fā)送端需要將視頻一個(gè)接一個(gè)的發(fā)出去，加之解碼端沒(méi)有同步機制，畫(huà)面會(huì )出現不同步和較為明顯的撕裂現象。

　　(二) 淺壓縮分布式系統

　　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(guò)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也有其優(yōu)缺點(diǎn)：

　　1. 淺壓縮分布式系統的優(yōu)點(diǎn)

　　視覺(jué)無(wú)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(huà)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(huà)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(guò)一幀，按照1080P分辨率而言，延遲在微秒級別，已經(jīng)完全感覺(jué)不到分布式系統引入的延遲。

　　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，都可以達到納秒級的同步。

　　協(xié)議私密，安全性高

　　國內做淺壓縮分布式的廠(chǎng)家，大都采用各自的私有協(xié)議;或者在標準壓縮格式的基礎上進(jìn)行改造?；緵](méi)有標準的編解碼協(xié)議，這就意味著(zhù)即使視頻碼流被截取，也無(wú)法恢復出原始視頻。提高了視頻傳輸的安全性。

　　2. 淺壓縮分布式系統的缺點(diǎn)

　　交換機帶寬壓力大

　　由于一路1080P信號就要占用幾百兆的網(wǎng)絡(luò )帶寬，因此對于交換機的數據吞吐量提出非常高的要求。并且無(wú)損分布式系統一定要和對應的接入交換機、匯聚交換機、核心交換機進(jìn)行深入的適配，才能達到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò )傳輸效果。

　　無(wú)法實(shí)現域間視頻互通

　　由于淺壓縮碼流占用帶寬很大，因此在跨域傳輸的時(shí)候，無(wú)法承載這么大的網(wǎng)絡(luò )壓力;因此無(wú)法單獨實(shí)現域間傳輸。一般需要將網(wǎng)絡(luò )信號轉化為標準的電信號，再通過(guò)其他設備進(jìn)行深壓縮，以實(shí)現跨域傳輸。

三、 小鳥(niǎo)科技“火鳳”系列雙碼流IP化編解碼分布式系統介紹

　　“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(shí)代的雙碼流分布式系統產(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。在設計“火鳳”系列分布式產(chǎn)品對環(huán)境適應性和穩定性進(jìn)行了全新的理解，在外觀(guān)設計中加入了更有質(zhì)感的金屬元素，和格柵散熱網(wǎng)格，可有效的進(jìn)行主動(dòng)散熱和抗震防塵，穩定性上采用了加固面板和定制化加固接口，有助于應對復雜的軍事活動(dòng)中的特別是應對相對復雜的戰場(chǎng)環(huán)境的表現。

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

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

　　2015年初小鳥(niǎo)科技開(kāi)始投入研發(fā)力量進(jìn)行無(wú)損算法的技術(shù)預研，以國際領(lǐng)先的VC-2的壓縮算法為基礎，加入自身對算法的實(shí)現和改進(jìn)，于2016年推出國內首款淺壓縮無(wú)損分布式系統AVCNet-H系列產(chǎn)品。

　　小鳥(niǎo)科技的AVCNet-H系列淺壓縮無(wú)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(diǎn)項目，單次建設達到3000個(gè)以上的編解節點(diǎn)，此項目是目前已知的世界上最大的淺壓縮分布式建設案例。在經(jīng)過(guò)多個(gè)大型項目的歷練，AVCNet-H無(wú)損分布式系統已經(jīng)非常成熟穩定，具備上邊提到的所有優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)自身的不斷努力以及對客戶(hù)的進(jìn)一步了解，解決了傳統無(wú)損分布式系統的缺點(diǎn)，形成完整的解決方案。

　　“無(wú)損碼流”與“深壓縮碼流”自動(dòng)轉換

　　針對淺壓縮分布式系統不易實(shí)現跨域傳輸，碼流格式不標準的特點(diǎn)，通過(guò)自主研發(fā)無(wú)損碼流與深壓縮碼流的AI碼流自適應切換技術(shù)，可根據網(wǎng)絡(luò )情況和屏幕顯示需求，自動(dòng)匹配最適合的碼流，在實(shí)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(shí)現跨域傳輸，也可以形成標準的H.264/265碼流，進(jìn)行預監回顯和錄播回放等功能，也可通過(guò)淺壓縮無(wú)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的底層架構和DBHC(DIGIBIRD H.26X Compensation) H.26X補償算法，在傳統H.26X編碼的基礎上，增加深壓縮輔碼流，實(shí)現畫(huà)面的YUV4:4:4采樣及傳輸顯示，低帶寬即可得到高畫(huà)質(zhì)體驗，最終得到低帶寬高畫(huà)質(zhì)的顯示效果。

　　全網(wǎng)同步算法

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

　　超低的分布式延遲

　　逐行壓縮算法，傳輸延遲可達微秒級

　　完善的音視頻解決方案

　　系統內的信號源放置在機房，形成資源池進(jìn)行統一管理，通過(guò)簡(jiǎn)單操作即可實(shí)現大屏拼接、矩陣切換、KVM坐席、環(huán)境控制等功能。

　　卓越的坐席管控功能

　　鼠標滑屏，OSD級鼠標操作、OSD級預監、席位互動(dòng)及大屏聯(lián)控等，每個(gè)操作員的桌面可放置多臺顯示屏，每臺顯示屏上可以顯示系統內任意信號源，操作員通過(guò)一套鼠標、鍵盤(pán)在眾多信號中進(jìn)行靈活選取及自主操控

　　多功能坐席數據透傳

　　可以在自主設置打開(kāi)及關(guān)閉實(shí)現在坐席席位進(jìn)行USB設備的透傳，兼容USB2.0和USB3.0傳輸協(xié)議，方便移動(dòng)設備的連接及使用;

　　可支持U盤(pán)、USB攝像頭、Ukey、USB打印機等設備的連接。

　　雙向音頻傳輸加強協(xié)作

　　支持雙向音頻傳輸，控制端和坐席端通過(guò)話(huà)筒實(shí)時(shí)傳輸聲音信號。

　　支持有源音頻信號如鵝頸話(huà)筒、無(wú)源音頻信號如耳機麥克風(fēng)，根據情況隨需選擇。