某高清視頻會(huì)議室的音視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

林 飛，周月旺，劉鵬超

（北京奧特維科技有限公司，北京 100015）

0 引 言

視頻會(huì)議由于其時(shí)效性好、效率高、節(jié)約時(shí)間、使用方便等特點(diǎn)，近年來得到了快速的發(fā)展和大面積的推廣。特別是近幾年疫情期間，人員流動(dòng)及人員集聚的限制，催生了視頻會(huì)議業(yè)務(wù)的繁榮[1]。本文研究某中大型視頻會(huì)議室的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。該會(huì)議室寬約14 m，長約17 m，具有要求高、功能多、系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)要求

視頻會(huì)議室系統(tǒng)需要做到穩(wěn)定可靠、操作便捷、適用性強(qiáng)。視頻會(huì)議室應(yīng)具備召開視頻會(huì)議主會(huì)場功能、視頻會(huì)議分會(huì)場功能以及本地會(huì)議功能。視頻會(huì)議室的主要系統(tǒng)包括高清顯示系統(tǒng)、高清攝像采集系統(tǒng)、視頻切換系統(tǒng)、拾音系統(tǒng)、擴(kuò)聲系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)及集中控制系統(tǒng)[2]。本文主要介紹視頻和音頻相關(guān)系統(tǒng)。

2 視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高清會(huì)議室要求圖像達(dá)到1 920×1 080 的物理分辨率，在視頻設(shè)備選擇上需滿足相關(guān)分辨率要求。視頻幀率方面，為了保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)效果，視頻信號(hào)幀率要求達(dá)到60 幀[3]。視頻信號(hào)接口選擇方面，系統(tǒng)選擇3G-SDI 接口。會(huì)議室有獨(dú)立的會(huì)議控制室，相關(guān)視頻切換設(shè)備安裝在控制室，顯示設(shè)備及視頻采集設(shè)備安裝在會(huì)場，控制室和顯示設(shè)備之間有一定距離。普通HDMI、DVI 或者DP 等接口無法進(jìn)行長距離傳輸，需要外接傳輸設(shè)備，造成系統(tǒng)環(huán)節(jié)增多，故障點(diǎn)增多，同時(shí)會(huì)降低畫質(zhì)。3G-SDI 接口具備遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰?，能夠正常支持傳?00 m。同時(shí)，重要的會(huì)議室常常需要召開涉密會(huì)議，會(huì)議過程中需要布置信號(hào)屏蔽設(shè)備，有可能會(huì)引入干擾，3G-SDI 接口具有良好的抗干擾能力[4]。視頻系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 視頻系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

2.1 高清顯示

高清顯示系統(tǒng)主要完成會(huì)議室內(nèi)視頻圖像的顯示，需要考慮作為主會(huì)場和分會(huì)場不同場景時(shí)對(duì)顯示的要求。首先，考慮作為主會(huì)場的場景。配置兩臺(tái)50 寸返送顯示屏，用于分會(huì)場畫面的顯示。選用該尺寸顯示屏，既滿足主席臺(tái)畫面觀看需求，又不會(huì)因?yàn)轱@示屏高度過高導(dǎo)致顯示屏上沿超出第一排桌面。觀眾席也有觀看分會(huì)場畫面的需求，在會(huì)場前方左右兩側(cè)分別配置2 塊86 寸液晶顯示屏。由于現(xiàn)場沒有壁掛的條件，配置流動(dòng)安裝支架。其次，考慮作為分會(huì)場的場景。在主席臺(tái)后側(cè)配置一塊LED 顯示屏。LED 顯示屏具備同時(shí)顯示兩路16 ∶9 畫面的能力，一路顯示本地畫面，一路顯示遠(yuǎn)端畫面。前視顯示屏布局如圖2 所示。

圖2 前視顯示屏布局示意圖

顯示屏的設(shè)計(jì)高度應(yīng)滿足視頻會(huì)議相關(guān)規(guī)定要求，參會(huì)人員的視頻觀看上視角如圖3 所示。

圖3 視頻觀看上視角示意圖

圖3 中，H′為顯示屏的安裝高度，D為參會(huì)者與顯示器之間的水平距離，H1′為參會(huì)者坐姿水平視線與顯示器中心水平線之間的垂直距離，H2′為參會(huì)者坐姿平均身高，宜取1.40 m；H3′為主席臺(tái)高度，無主席臺(tái)時(shí)，H3′取0；θ為參會(huì)者與顯示器中心法線的垂直視角。圖3 中各參數(shù)的關(guān)系為：H′=H1′+H2′+H3′，H1′=Dtanθ。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，參會(huì)者與會(huì)場主顯示器屏幕的垂直觀看角宜小于或等于20°[5]。

該會(huì)議室設(shè)計(jì)主顯示屏中心距地約2.62 m，第一排座位距屏約4.5 m，視角約為15°，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.2 高清攝像采集

攝像采集配置相應(yīng)攝像機(jī)，滿足作為主會(huì)場和分會(huì)場對(duì)畫面的要求。系統(tǒng)配置2 臺(tái)帶三腳架的流動(dòng)攝像機(jī)，用于作分會(huì)場時(shí)拍攝第一排主要參會(huì)人畫面和會(huì)場全景畫面，根據(jù)會(huì)議要求切換對(duì)應(yīng)畫面。在主席臺(tái)上配置攝像機(jī)地插盒，滿足會(huì)議攝像機(jī)視頻信號(hào)和控制系統(tǒng)接入系統(tǒng)。同時(shí)，在會(huì)議室后墻固定安裝2 臺(tái)20 倍光學(xué)變焦高清攝像機(jī)，一臺(tái)用于拍攝特寫鏡頭，一臺(tái)用于拍攝全景畫面。為了具有更好的拍攝效果，后墻攝像機(jī)居中安裝。所有攝像機(jī)具有3G-SDI 接口，并具備輸出1 920×1 080p 60 Hz 分辨率的能力。攝像機(jī)具備遠(yuǎn)程控制能力，系統(tǒng)配置遠(yuǎn)程控制器，具備在控制室遠(yuǎn)程操控?cái)z像機(jī)的能力。后墻攝像機(jī)布局如圖4 所示。

圖4 后墻攝像機(jī)布局示意圖

攝像機(jī)攝像角度應(yīng)滿足視頻會(huì)議相關(guān)規(guī)定要求，攝像機(jī)攝像垂直角如圖5 所示。

圖5 攝像垂直角示意圖

圖5 中，H為攝像機(jī)的安裝高度，D為攝像機(jī)與被攝對(duì)象之間的水平距離，H1為攝像機(jī)與被攝對(duì)象坐姿水平視線之間的垂直距離，H2為被攝對(duì)象坐姿平均身高，宜取1.40 m；H3為主席臺(tái)高度，無主席臺(tái)時(shí)，H3取0；θ為攝像機(jī)的垂直攝像角。圖5 中，各參數(shù)的關(guān)系為：H=H1+H2+H3，H1=Dtanθ。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，攝取發(fā)言者圖像的主攝像機(jī)的垂直攝像角宜小于或等于10°[5]。

該會(huì)議室設(shè)計(jì)后墻攝像機(jī)距地約2.5 m，攝像角度約為4°，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。流動(dòng)攝像機(jī)使用時(shí)置于主席臺(tái)，調(diào)整攝像機(jī)三腳架高度滿足攝像要求。

2.3 視頻切換

視頻切換系統(tǒng)完成會(huì)議室內(nèi)視頻信號(hào)的調(diào)度。系統(tǒng)中配置高清視頻矩陣，矩陣具有3G-SDI 的接口。為了滿足會(huì)議過程中對(duì)所有信號(hào)的掌握，系統(tǒng)配置的視頻矩陣具備對(duì)所有輸入輸出信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)看的功能。為了實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議過程中多臺(tái)攝像機(jī)的鏡頭切換，系統(tǒng)配置了1 臺(tái)特技切換臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鏡頭的平滑切換。

3 音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

音頻系統(tǒng)主要包括拾音系統(tǒng)、擴(kuò)音系統(tǒng)以及音頻處理系統(tǒng)。音頻系統(tǒng)既要滿足召開本地會(huì)議的需求，也要滿足召開視頻會(huì)議的需求。設(shè)計(jì)需要既要考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也要考慮操控便捷性。作為視頻會(huì)議室，除了考慮最大聲壓級(jí)、傳輸頻率特性、傳聲增益、聲場不均勻度以及語言清晰度等指標(biāo)之外，還需要做好回聲消除和聲像同步等功能，滿足視頻會(huì)議收聽、收看及雙向交流要求。為了提高穩(wěn)定性、減少故障點(diǎn)，系統(tǒng)中音頻分配設(shè)備采用無源分配器。音頻系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 音頻系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

3.1 拾音系統(tǒng)

系統(tǒng)配置會(huì)議話筒。在主席臺(tái)上每個(gè)桌位配置一只會(huì)議話筒，第一排配置五只會(huì)議話筒。話筒采用超星型電容會(huì)議鵝頸話筒，能夠有效提高會(huì)議室的傳聲增益。話筒通過無源分配器分別分配到調(diào)音臺(tái)和數(shù)字音頻處理器，根據(jù)會(huì)議需要可以通過調(diào)音臺(tái)操作單只會(huì)議話筒，也可以通過音頻處理器進(jìn)行多只話筒管理。同時(shí)，音頻處理器還可作為調(diào)音臺(tái)的一個(gè)備份處理系統(tǒng)，在正常會(huì)議過程中通過調(diào)音臺(tái)進(jìn)行會(huì)議操控，當(dāng)調(diào)音臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)可以切換到音頻處理器模式，通過操控音頻處理器進(jìn)行會(huì)議管控。會(huì)議過程中需要同時(shí)開啟多只話筒時(shí)，如果會(huì)議室沒有足夠的傳聲增益，容易出現(xiàn)嘯叫。此時(shí)可以充分利用音頻處理的自動(dòng)混音功能，實(shí)現(xiàn)多只話筒的管理[6]。話筒管理原理如圖7 所示。

圖7 話筒管理原理示意圖

3.2 擴(kuò)聲系統(tǒng)

系統(tǒng)中在會(huì)議室前端左右兩側(cè)分別配置主擴(kuò)音箱，在觀眾區(qū)配置3 組輔助吸頂音箱用于補(bǔ)聲，用于會(huì)議室觀眾席聽音。該會(huì)議室面積不大，會(huì)議過程中以主擴(kuò)音箱為主，輔助音箱根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)聲。在第一排配置2 只返送音箱，為主席臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)聲。基于對(duì)整體設(shè)計(jì)的理解，設(shè)計(jì)人員采用EASE4.3 系統(tǒng)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。通過EASE 模擬，可以得到近似的建聲聲場，可計(jì)算混響時(shí)間、最大聲壓級(jí)、聲場不均勻度以及傳輸頻率特性等指標(biāo)。聲場建模如圖8 所示。

圖8 聲場建模圖

頻率為1 000 Hz 的EASE聲場仿真如圖9所示。

圖9 1 000 Hz 的EASE 聲場仿真圖

頻率為2 000 Hz的EASE聲場仿真如圖10所示。

圖10 2 000 Hz 的EASE 聲場仿真圖

頻率為4 000 Hz的EASE聲場仿真如圖11所示。

圖11 4 000 Hz 的EASE 聲場仿真圖

綜合以上聲場仿真結(jié)果，擴(kuò)聲系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到《會(huì)議電視會(huì)場系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50635—2010）規(guī)定的一級(jí)指標(biāo)。

3.3 音頻處理系統(tǒng)

音頻處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)會(huì)議室內(nèi)聲場均勻度處理，通過參數(shù)EQ 精確補(bǔ)償揚(yáng)聲器的頻響特性和房間的頻率特性，平直的頻響有利于提高嘯叫出現(xiàn)的臨界電平。通過自動(dòng)動(dòng)態(tài)處理AGC 算法，根據(jù)信號(hào)的大小自動(dòng)控制信號(hào)增益大小，能夠使信號(hào)一直處于一個(gè)最佳范圍之內(nèi)，解決發(fā)言人的音量不均勻、音頻信號(hào)忽大忽小的問題。提高視頻會(huì)議雙向交流體驗(yàn)感的回聲消除（AEC），也需要音頻處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。AEC 聲學(xué)回聲消除算法能持續(xù)比對(duì)遠(yuǎn)程回傳的信號(hào)和本地話筒拾取的遠(yuǎn)程擴(kuò)聲信號(hào)，通過去相干計(jì)算，將話筒拾取的遠(yuǎn)程信號(hào)濾除，有效防止信號(hào)回傳到遠(yuǎn)端，避免引起回聲 干擾（Echo）[7]。

4 結(jié) 語

近年來，視頻會(huì)議在社會(huì)中的應(yīng)用越來越廣泛，視頻會(huì)議室作為視頻會(huì)議的重要、正式場地也越來越受到重視。會(huì)議室內(nèi)相關(guān)音視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既需要考慮本地開會(huì)使用的需求，也要考慮視頻會(huì)議的特殊需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要合理，以最小系統(tǒng)滿足使用需求，應(yīng)避免過度設(shè)計(jì)。同時(shí)，所有設(shè)計(jì)需要符合相關(guān)規(guī)范要求，保證良好的使用效果。合理的音視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠最大限度地發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)勢，在充分利用建設(shè)資金的基礎(chǔ)上，做到系統(tǒng)簡潔、穩(wěn)定性高、效果好、使用便捷。