0? 引言

????? 視頻會議的多點(diǎn)控制單元(MCU)是視頻會議系統(tǒng)的核心設(shè)備。所有參與會議的終端可與MCU建立一對一的連接，終端負(fù)責(zé)采集本會場的聲音和圖像，然后經(jīng)編碼后傳輸?shù)組CU，由MCU根據(jù)當(dāng)前視頻會議的模式確定對音視頻信號的處理方式和轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，最后將處理后的音視頻數(shù)據(jù)再發(fā)送到每一個與會者。

1? 多點(diǎn)視頻會議的分類

　　基于H.324標(biāo)準(zhǔn)，多點(diǎn)會議實(shí)現(xiàn)有各種不同的方法和配置，主要可以為集中式多點(diǎn)會議和分散式多點(diǎn)會議兩種模式。

　　集中式多點(diǎn)會議是由一個多點(diǎn)控制單元來組織，所有終端以點(diǎn)對點(diǎn)方式向多點(diǎn)控制單元發(fā)送視頻流、音頻流和控制流。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中的多點(diǎn)控制器使用H.245控制功能來對會議進(jìn)行集中式管理。H.245也可用來指定各終端的通信能力。多點(diǎn)處理器可進(jìn)行混音、數(shù)據(jù)分配以及視頻信號的混合和切換，并將處理結(jié)果送回參加會議的終端。一個支持集中式多點(diǎn)會議的典型多點(diǎn)控制單元通常由一個多點(diǎn)處理器和多點(diǎn)控制器組成。
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　　分散式多點(diǎn)會議是傳統(tǒng)的會議系統(tǒng)(如H.320)所沒有的。在這種管理方式的系統(tǒng)中沒有MCU，也沒有集中控制和集中管理的設(shè)備，MCU的功能是以MC和MP功能模塊的方式分別存在于系統(tǒng)的其他設(shè)備中。分布式多點(diǎn)控制和管理之所以能在基于分組的通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，其主要原因是網(wǎng)絡(luò)中的通信是在邏輯信道中進(jìn)行的，而不是以物理信道為單位進(jìn)行的。分布式多點(diǎn)會議利用多點(diǎn)播送技術(shù)來組織，參加會議的終端向別的與會者終端以多點(diǎn)播送方式傳送視頻和音頻信息，而無須在多點(diǎn)處理器集中進(jìn)行。H.245控制信息仍然以點(diǎn)對點(diǎn)的方式傳送給主多點(diǎn)控制器，圖2所示是分散式MCU的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

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　　集中式多點(diǎn)視頻會議中的MCU集多點(diǎn)視頻會議控制器(MC)和多點(diǎn)視頻會議處理器(MP)于一身，它既有組織和管理會議的功能，同時負(fù)責(zé)所有與會者的聲音和圖像的處理和切換。

2 MCU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1? 集中式多點(diǎn)視頻會議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　星型組網(wǎng)方案是集中式多點(diǎn)會議的首選方案。星型組網(wǎng)方案是將所有終端通過集線器或交換機(jī)連接到MCU，每個終端都只與MCU建立一個基于H.324標(biāo)準(zhǔn)的連接，圖3所示是其星型組網(wǎng)方案。每個終端負(fù)責(zé)對本會場的聲音、圖像進(jìn)行采集后，再經(jīng)過相應(yīng)的編碼算法進(jìn)行編碼，然后將編碼得到的音視頻流通過交換機(jī)發(fā)送到MCU，由MCU根據(jù)當(dāng)前的會議模式對音頻和視頻分別進(jìn)行處理。音視頻的處理主要包括對與會者聲音的混合和多畫面合成，最后將處理后的音視頻數(shù)據(jù)由MCU根據(jù)會議模式轉(zhuǎn)發(fā)給每個參會者的終端。

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　　視頻會議模式的設(shè)置和參與會議的成員管理可由MCU控制臺來完成。實(shí)際應(yīng)用中，一般會為每個會議配備一個會議管理者，又稱會議管理員。會議管理員可通過MCU控制臺對多點(diǎn)控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)置會議開始和結(jié)束的時間、會議采用的音視頻標(biāo)準(zhǔn)、會議模式的設(shè)置、與會者列表的管理以及會議模板的裝載和保存等。在會議進(jìn)行中，會議管理員還可通過MCU控制臺對會議進(jìn)行調(diào)度，包括指定新的主席、指定新的發(fā)言聽眾、取消發(fā)言等。

　　在分布式會議方案中，各個終端均完成一定的控制與交換功能，因而靈活性強(qiáng)，與會端加入／退出會議功能易于實(shí)現(xiàn)，但其通信協(xié)議比較復(fù)雜。控制信息以廣播方式發(fā)送，因而通信效率比較低，所以通常采用集中式實(shí)現(xiàn)方案。有時候，主席端也可與MCU合并形成一個超級服務(wù)端。這種方式可以演化為人們所熟悉的客戶／服務(wù)器體系。在主席端的機(jī)動性要求不高時，這種方式具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，如易于實(shí)現(xiàn)，控制簡便等。圖4所示是客戶／服務(wù)器方式MCU的方案結(jié)構(gòu)。為了保證通用性和機(jī)動性，本設(shè)計(jì)采用集中式MCU方案。

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　　2.2 MCU的通信接口設(shè)計(jì)

　　通信接口的主要功能是數(shù)據(jù)串／并變換與緩存，其作用類似于較大輸入輸出緩沖區(qū)的串口擴(kuò)展。從調(diào)制解調(diào)器(Modem)輸入的串行數(shù)據(jù)格式為2-8-1-N，即2 bit起始位，8 bit數(shù)據(jù)，1bit停止位，無奇偶校驗(yàn)。接口卡分離出8 bit數(shù)據(jù)位并對之進(jìn)行串／并變換后存入輸入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)是8 kbit的FIFO(先入先出)堆棧，接口卡提供指定的地址以便微機(jī)從中讀取數(shù)據(jù)。微機(jī)輸出的數(shù)據(jù)可寫入接口卡的輸出緩沖區(qū)。它也是8 kbit的FIFO堆棧，然后接口卡執(zhí)行相反的操作并將之輸出到Modem[17]。接口卡的原理如圖5所示。
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2.3? 視頻會議系統(tǒng)協(xié)議的簡化模型

　　MCU的設(shè)計(jì)可參考ITU的H.324系列建議。該建議擬訂了低比特多媒體通信終端的基本框架。它包括四個主要部分：G.723.1音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、H.263視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、H.245通信控制協(xié)議和H.223復(fù)接分接協(xié)議，該建議同時也描述了一個在PSTN中采用V.34標(biāo)準(zhǔn)的Modem。V.34標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輸入／輸出Modem的數(shù)據(jù)格式、比特率等要求。本系統(tǒng)由于MCU連接了多個端口，若各端口Modem的速率不一致，則可能會造成MCU的數(shù)據(jù)擁塞，故本系統(tǒng)中禁止Modem速率的自動調(diào)整。一般在會議開始之前，即按各端口中最低速率建立連接，以保證較小的誤碼率。在MCU中，主要是對H.223幀的幀頭進(jìn)行處理。H.223幀結(jié)構(gòu)中的幀起始標(biāo)志為3個連續(xù)的FAS碼，每個FAS碼長為4個字節(jié)，試驗(yàn)系統(tǒng)中可取為0XEC。該標(biāo)志也可用于實(shí)現(xiàn)對H.223幀的定界。由于幀長度是不定的，因此，幀起始標(biāo)志的正確傳輸與檢測直接影響到幀定位。控制信號也占4個字節(jié)，其中前兩個字節(jié)為BAS碼，主要攜帶會議控制信息。因本會議系統(tǒng)的可能狀態(tài)較少，所用到的控制命令也少，故只用一個字節(jié)傳送命令，另一個字節(jié)作為BAS碼的糾錯字節(jié)，以保證命令的正確傳輸。

　　在視頻會議系統(tǒng)的命令交互中，MCU及各個與會站點(diǎn)在會議中都要維護(hù)一張狀態(tài)設(shè)置表，表中記錄了各與會站點(diǎn)所對應(yīng)的邏輯端口、電話號碼、地理位置、在會議中的身份(主席、發(fā)言方及普通會員)等，此后MCU進(jìn)一步將邏輯端口映射成相應(yīng)的物理地址，以便MCU從該地址讀寫信息。狀態(tài)設(shè)置表的初始設(shè)置是在會前通過勤務(wù)電話確定的。預(yù)定的開會時間由MCU負(fù)責(zé)通過Modem呼通各與會站點(diǎn)，以建立起數(shù)據(jù)鏈路。當(dāng)某個站點(diǎn)呼通后，該站點(diǎn)即在其H.223幀中插入終端就緒命令，而MCU則將該幀環(huán)回，并將BAS碼替換為就緒確認(rèn)命令。當(dāng)所有站點(diǎn)均就緒后，MCU即向各站點(diǎn)發(fā)會議就緒命令。同時將主席端的數(shù)據(jù)切換到各個站點(diǎn)，此時主席便可以發(fā)言，也可以命令其它會員發(fā)言。如果主席沒有發(fā)命令給MCU，則向MCU發(fā)會議進(jìn)行中狀態(tài)指示，MCU則維持當(dāng)前狀態(tài)；若主席命令A(yù)站點(diǎn)發(fā)言，則其在H.223幀中插入令A(yù)發(fā)言的命令。MCU接到命令后，即將A站點(diǎn)的數(shù)據(jù)切換到除A外的所有其它站點(diǎn)，同時將主席的數(shù)據(jù)發(fā)往A站點(diǎn)。當(dāng)主席命令會議結(jié)束時，MCU即向各站點(diǎn)發(fā)送會議結(jié)束確認(rèn)命令，并停止工作，由各站點(diǎn)自行掛斷Modem。圖6為上述過程的命令交互示意圖。
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　　在會議中，MCU接主席命令后，應(yīng)根據(jù)該命令所產(chǎn)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)移來修改狀態(tài)設(shè)置表。通過低速M(fèi)CU伺服軟件可使MCU同時控制8個與會站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀入寫出操作，同時進(jìn)行命令解釋執(zhí)行工作。由于幀交換又要占用大量的內(nèi)存資源，同時還要保證系統(tǒng)的實(shí)時性，因此，MCU伺服軟件的設(shè)計(jì)不僅要求執(zhí)行效率高，還要求程序本身要占用較少的系統(tǒng)資源。

3 MCU的軟件設(shè)計(jì)

　　該軟件的設(shè)計(jì)可采用快速原型方法來完成。首先可建立簡化的快速原型，然后在此基礎(chǔ)上逐步完善以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。快速原型同樣可采用模塊化的方法將整個MCU軟件劃分為若干松耦合的功能模塊，并對各模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與測試，在保證各模塊正確后，再對整個軟件進(jìn)行綜合調(diào)試，以發(fā)現(xiàn)各模塊間接口設(shè)計(jì)可能存在的失誤，再反過來通過修正各模塊程序來完成整個軟件的設(shè)計(jì)。具體開發(fā)流程如圖7所示。現(xiàn)將各步的工作描述如下：
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　　(1)利用電話線在兩臺計(jì)算機(jī)間通過Modem進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，可將其作為功能最簡單的快速原型。該步的主要工作是建立DOS平臺上Modem的控制功能。其關(guān)鍵是對鍵入的命令進(jìn)行解釋后傳送給Modem，同時接收Modem的反饋信號，以確定Modem的狀態(tài)，并以此進(jìn)行進(jìn)一步的控制；

　　(2)建立遠(yuǎn)地自環(huán)模型，以測試快速原型的正確性，同時測試接口卡的工作特性；

　　(3)編寫幀讀入模塊和幀寫出模塊程序，以連續(xù)測試幀環(huán)回及單一測試幀。驗(yàn)證傳送來的測試幀讀摸塊以及幀寫出模塊的正確性；

　　(4)編寫命令提取與解釋模塊和狀態(tài)修改模塊程序，通過改變測試幀的BAS碼并讀取狀態(tài)修改結(jié)果來驗(yàn)證上述模塊的正確性；

　　(5)編寫幀切換／BAS碼替換模塊程序，構(gòu)造三臺計(jì)算機(jī)間的測試平臺，并使其一充當(dāng)MCU，然后通過另兩端的測試幀切換來驗(yàn)證上述模塊的正確性；

　　(6)根據(jù)實(shí)際條件建立多臺計(jì)算機(jī)間的測試平臺，并適當(dāng)改變測試幀的長度(128～512 byte)，進(jìn)行連續(xù)的測試并計(jì)時，以檢驗(yàn)各模塊的工作時延。然后按照系統(tǒng)的實(shí)時性要求對產(chǎn)生時延較大的模塊進(jìn)行改進(jìn)。

4? 結(jié)束語

　　由于MCU對運(yùn)動程度不同的視頻圖像的處理能力有所不同，所以，傳送運(yùn)動程度不同的視頻圖像時，在終端B接收到的視頻質(zhì)量良好的情況下，MCU的最大接入終端數(shù)(MCU的容量)是不同的。測試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的MCU在運(yùn)動量比較大(n=16的時候)時，音視頻圖像良好；n=20的時候，音視頻效果基本可以接收，但是偶爾圖像有失真；而在n=32時，圖像色彩嚴(yán)重失真，聲音斷斷續(xù)續(xù)。同時再考慮圖像時延和延遲抖動(話音和圖像的同步)等視頻會議的規(guī)定值(點(diǎn)對點(diǎn)的圖像時延不超過150 ms，延遲抖動約為400ms)。可以得出：在圖像質(zhì)量良好，圖像時延和延遲抖動均能達(dá)到規(guī)定要求的情況下，本MCU的單臺容量應(yīng)為16。