設(shè)計(jì)背景

天津茱莉亞學(xué)院項(xiàng)目AV系統(tǒng)工程由多個(gè)功能廳堂、會(huì)議室組成，包括音樂廳、黑匣子劇場、演奏廳三個(gè)主要的專業(yè)演藝廳堂，以及大排練室、樂隊(duì)排練、打擊樂工作室、董事會(huì)議室、遠(yuǎn)程教育室，基礎(chǔ)教室，戶外演出空間等10種不同類型的房間，共計(jì)42個(gè)節(jié)點(diǎn)。所有房間要求全部采用數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化的音視頻傳輸與控制系統(tǒng)。

基于茱莉亞學(xué)院的整體功能特點(diǎn)，校方還有一個(gè)特殊需求，學(xué)校內(nèi)所有的AV系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)需要做到網(wǎng)絡(luò)上高質(zhì)量的數(shù)字化互聯(lián)互通，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化控制、遠(yuǎn)程調(diào)度及監(jiān)看。

例如，音樂廳的演出音視頻信號(hào)在總控機(jī)房的調(diào)度下可以保證高質(zhì)量的傳送到上面提到的任意房間，同時(shí)，這些房間也可以將音視頻信號(hào)傳送到音樂廳?？偪刂剖铱梢员O(jiān)看到每個(gè)房間的視頻信號(hào)（非監(jiān)控信號(hào)）、音頻信號(hào)及控制信號(hào)等AV設(shè)備相關(guān)信息。?

雖然市場上有很多可以滿足音視頻互聯(lián)互通功能的產(chǎn)品，但是要同時(shí)實(shí)現(xiàn)保障高品質(zhì)傳輸及控制一體化的產(chǎn)品系統(tǒng)則選擇不多

主體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

茱莉亞項(xiàng)目體量大，房間多，設(shè)備數(shù)量也多，并且整合度要求極高。在與其它系統(tǒng)配合的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)需要接入AV網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量接近600臺(tái)，而當(dāng)整體AV系統(tǒng)達(dá)到一定量級(jí)后， AV設(shè)備的選擇與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃變得尤為重要。

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要性不言而喻，所有設(shè)備溝通在于此，信息交換在于此。網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備好比人的骨架，沒有好的硬件支撐，系統(tǒng)談何健壯。網(wǎng)絡(luò)top結(jié)構(gòu)，好比人的血管，稍有疏忽造成堵塞，子系統(tǒng)癱瘓風(fēng)險(xiǎn)便難以規(guī)避。使用品質(zhì)可靠的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)合理、科學(xué)、健壯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將直接降低故障產(chǎn)生率。?

構(gòu)架好網(wǎng)絡(luò)后，選擇在網(wǎng)絡(luò)中傳送的信號(hào)、協(xié)議也是重要的一環(huán)。無論是音頻還是視頻，均需要深入分析茱莉亞學(xué)院的具體使用需求，來選擇真正適合本項(xiàng)目的模式，充分發(fā)揮協(xié)議本身的優(yōu)勢(shì)。

在傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)里，聲音信號(hào)是模擬信號(hào)，它的振幅具有隨時(shí)間連續(xù)變化的特性。對(duì)模擬音頻信號(hào)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳送都會(huì)引入噪聲和信號(hào)失真，并且隨著復(fù)制次數(shù)的增加，每次都會(huì)加入新的噪聲和失真，信號(hào)質(zhì)量會(huì)越來越差。而數(shù)字音頻技術(shù)的出現(xiàn)，解決了上述模擬信號(hào)中的諸多問題。

數(shù)字音頻技術(shù)是把模擬音頻信號(hào)變換為振幅不變的脈沖信號(hào)，音頻信號(hào)的信息量全部包含在脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）中。各種處理設(shè)備引入的噪聲和產(chǎn)生的失真與數(shù)字信息完全分離。因此，數(shù)字音頻信號(hào)具有：復(fù)制不走樣、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、可遠(yuǎn)距離傳輸、可以遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。?

借助IT技術(shù)，數(shù)字音頻信號(hào)還可以融入到網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中，在一條傳輸線路上同時(shí)實(shí)行多路音頻信號(hào)的傳輸，大大節(jié)省了傳輸運(yùn)行成本，簡化了傳輸線路。

本項(xiàng)目選擇AVB與Dante專業(yè)音視頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸方式為音視頻服務(wù)。Biamp設(shè)備可以輕松實(shí)現(xiàn)AVB網(wǎng)絡(luò)與Dante網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的互通，且在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)在以太網(wǎng)上傳送高精度時(shí)鐘信號(hào)以及專業(yè)音頻信號(hào)，同時(shí)還可以進(jìn)行復(fù)雜的路由。與以往傳統(tǒng)的音頻傳輸技術(shù)相比，更小的延時(shí)、時(shí)鐘同步技術(shù)及多通道的任意路由等等都是AVB與Dante網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。

2006年 Audinate 開始研發(fā)Dante。在千兆網(wǎng)交換機(jī)上，具有最大可支持雙向512個(gè)音頻通道、延遲很低（最低可達(dá)1/4 ms）、系統(tǒng)依賴于QoS、數(shù)據(jù)包根據(jù)Best effort原則進(jìn)行傳輸、與傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)兼容等先進(jìn)性。

而視頻在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，是通過以太網(wǎng)RTP（Real-time Transport Protocol）實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議為數(shù)據(jù)提供了具有實(shí)時(shí)特征的端對(duì)端傳送服務(wù)（俗稱流媒體服務(wù)）。RTP 本身并不能保證傳送，也不能保證防止無序傳送。因此，想要對(duì)所有的數(shù)據(jù)流進(jìn)行排序，就離不開對(duì)數(shù)據(jù)的緩沖（Buffer）。

流媒體服務(wù)在如今的以太網(wǎng)上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。雖然通過緩沖（Buffer）及自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)(Adaptive Clock Recovery)能夠在一定程度上解決網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)帶來的問題，但是，一旦采用緩沖的機(jī)制就又會(huì)帶來新的問題——延時(shí)。所以我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上聽歌、看電影的時(shí)候，都會(huì)緩沖后才開始播放。但這個(gè)緩沖時(shí)間，在專業(yè)音、視頻傳輸領(lǐng)域里是不能被接受的，并且恢復(fù)的時(shí)鐘也沒有足夠的精度對(duì)不同位置的AV 信號(hào)進(jìn)行同步。?

為此，我司在視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)中采用了AVB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸方式。AVB 定義了高精度的時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE 802.1AS、QoS、Traffic Shaping），為以太網(wǎng)傳輸提供完美的音視頻信號(hào)低延遲、低抖動(dòng)的時(shí)鐘。并嚴(yán)格保持在250μs的時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)AV流，使得整個(gè)數(shù)據(jù)流量的最大延遲不大于2ms。在保證了低延時(shí)的同時(shí)又保證了音視頻信號(hào)的同步問題。

AVB信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)倪^程中會(huì)告知網(wǎng)絡(luò)它的存在，能適應(yīng)千兆，萬兆，甚至是百萬兆網(wǎng)絡(luò)。交換機(jī)會(huì)專門為其預(yù)留帶寬，保障傳輸?shù)目煽啃?。高品質(zhì)的視頻流在網(wǎng)絡(luò)傳輸中占用的帶寬高，單通道淺壓縮的視頻流往往會(huì)超過1G帶寬。這與協(xié)議無關(guān)，主要是由于數(shù)字信號(hào)需要的信息量所決定。AVB視頻流具備高品質(zhì)的承載能力。并且能同時(shí)在AVB流中傳輸音頻信號(hào)與控制信號(hào)，因此在茱莉亞整個(gè)大AV專網(wǎng)系統(tǒng)中，選擇AVB作為音視頻專網(wǎng)的傳輸協(xié)議，既解決了同步問題，又滿足了高品質(zhì)傳輸要求。

網(wǎng)絡(luò)管理與實(shí)施

在AV專網(wǎng)主體結(jié)搭建完成后，再來細(xì)分設(shè)備網(wǎng)絡(luò)歸屬相對(duì)交易操作。前期設(shè)計(jì)期間，我們將AV專網(wǎng)劃分為6個(gè)Vlan。

VLAN1為每個(gè)房間本地的中控以及中控控制的相關(guān)設(shè)備（如投影機(jī)、攝像機(jī)等）網(wǎng)絡(luò)，此VLAN每個(gè)房間獨(dú)立不互通。VLAN2為Dante音頻網(wǎng)絡(luò)，此VLAN每個(gè)房間都通過一根專用的光纖連通到AV核心機(jī)房交換機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)所有房間互通。VLAN3為無線話筒管理網(wǎng)，VLAN4為調(diào)音臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，這兩個(gè)VLAN都是每個(gè)房間獨(dú)立不互通。VLAN5為內(nèi)通網(wǎng)，其中有內(nèi)通的房間的交換機(jī)都通過一根專用的光纖連通到AV核心機(jī)房交換機(jī)，以此來實(shí)現(xiàn)所有內(nèi)通房間互通。VLAN6為AV中心中控以及AVB控制網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)房間的AVB控制信號(hào)都通過一根專用的出房間光纖傳輸?shù)紸V中心，AV中心的中控也在此網(wǎng)絡(luò)里，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在AV中心通過中控控制每個(gè)房間AVB信號(hào)的互相切換。針對(duì)每臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)信息都做了明確的規(guī)劃。?

例如，當(dāng)音樂廳舉行演出時(shí)，工作人員在AV中心可以將音樂廳演出畫面實(shí)時(shí)切換給在教室上課的老師及同學(xué)們觀看。除了以上6個(gè)網(wǎng)絡(luò)之外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)AVB專網(wǎng)，專門用來傳輸AVB音視頻信號(hào)，此網(wǎng)絡(luò)與其他所有網(wǎng)絡(luò)物理隔離，以此來保證不受任何其他干擾，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的傳輸。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，把每個(gè)不需要互通的網(wǎng)絡(luò)都單獨(dú)隔離，需要互通的網(wǎng)絡(luò)每個(gè)VLAN單獨(dú)通過一根光纖連接到AV核心機(jī)房的交換機(jī)，這樣不但最大程度的減少了各種不同網(wǎng)絡(luò)信號(hào)之間的相互干擾，盡量避免了網(wǎng)絡(luò)問題的發(fā)生，還能實(shí)現(xiàn)在AV中心的核心交換機(jī)上管理每個(gè)房間的匯聚交換機(jī)，讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理變得簡單高效。

但是，這樣的設(shè)計(jì)也需要一些特殊的交換機(jī)配置才能實(shí)現(xiàn)。由于出房間到AV核心機(jī)房的VLAN有三個(gè)，分別是：VLAN2 Dante網(wǎng)、VLAN5內(nèi)通網(wǎng)和VLAN6 AVB控制網(wǎng)絡(luò)，這三個(gè)VLAN都是連接到一根單獨(dú)的光纖，相當(dāng)于房間內(nèi)的匯聚交換機(jī)到AV核心機(jī)房的核心交換機(jī)之間連接了三根光纖，如果不做任何配置，很容易出現(xiàn)環(huán)路。

最初，在項(xiàng)目現(xiàn)場，我們確實(shí)也遇到了只連通任何一根光纖網(wǎng)絡(luò)均可正常使用，但是三根光纖一起連通時(shí)這三個(gè)VLAN就無法通信的問題。于是我們修改了交換機(jī)的配置，采用了多生成樹協(xié)議MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol），MSTP在STP和RSTP的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，可以形成多棵無環(huán)路的樹，解決廣播風(fēng)暴并實(shí)現(xiàn)冗余備份。多棵生成樹在VLAN間實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，不同VLAN的流量按照不同的路徑轉(zhuǎn)發(fā)。

配置MSTP協(xié)議后，出房間的三個(gè)VLAN形成了三棵獨(dú)立的生成樹，互不影響，這樣就解決了三根光纖同時(shí)連接網(wǎng)絡(luò)不通的問題。

控制程序及界面設(shè)計(jì)

針對(duì)茱莉亞項(xiàng)目AV專網(wǎng)的調(diào)度控制，同樣進(jìn)行了個(gè)性化分析定制。

首先，考慮到操作人員是在AV中心進(jìn)行集中調(diào)度，為了讓操作人員能提前確認(rèn)需要切換的畫面是否準(zhǔn)備好，借助分布式視頻傳輸系統(tǒng)和中控設(shè)備的配合，實(shí)現(xiàn)了視頻畫面的遠(yuǎn)程高質(zhì)量預(yù)覽。

其次，由于系統(tǒng)極為龐大，輸入輸出節(jié)點(diǎn)分別都超過了40個(gè)。為了操作人員更清晰地了解系統(tǒng)當(dāng)前的視頻路由狀態(tài)，我們利用分布式視頻傳輸系統(tǒng)的信息，在每個(gè)輸出操作按鈕上都會(huì)顯示當(dāng)前的輸入是誰。

此外，考慮到操作人員都是音視頻領(lǐng)域的專業(yè)人員，我們還設(shè)計(jì)了類似視頻矩陣面板按鈕的操作方式，便于操作人員快速上手。

錄音棚

錄音棚操作界面

在具體房間的應(yīng)用中，用戶希望能夠盡量簡化控制，最好實(shí)現(xiàn)場景聯(lián)動(dòng)，比如一鍵開機(jī)、一鍵切換，界面風(fēng)格也希望盡量簡潔明了，所有的文字都用簡單的英語單詞或短語表示。于是我們按照用戶需求，把會(huì)議室分為兩個(gè)模式：本地會(huì)議與遠(yuǎn)程會(huì)議。

用戶需要使用會(huì)議室的時(shí)候，只需要按需點(diǎn)擊本地會(huì)議或者遠(yuǎn)程會(huì)議，程序會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)所需要的相關(guān)設(shè)備并且調(diào)用提前設(shè)定好的相關(guān)預(yù)設(shè)。

比如點(diǎn)擊遠(yuǎn)程會(huì)議，首先，會(huì)自動(dòng)開啟顯示器電源，然后把無線投屏信號(hào)輸出給顯示器，用戶就可以直接通過無線投屏來分享畫面。程序還會(huì)把攝像頭畫面輸出給遠(yuǎn)端，并且自動(dòng)調(diào)用攝像頭提前存儲(chǔ)好的預(yù)置位，如果用戶想切換攝像頭預(yù)置位，直接點(diǎn)擊會(huì)議室平面圖的不同位置就能切換到對(duì)應(yīng)的不同預(yù)置位。?

會(huì)議室管理控制

同時(shí)，程序還會(huì)自動(dòng)把音量調(diào)整到Middle，這是取的相對(duì)合適的值來設(shè)定的音量預(yù)設(shè)，適合大多數(shù)場景。如果用戶覺得音量不合適或者需要靜音，還可以通過Low、Middle、High、Mute四個(gè)按鈕來回切換。

不僅如此，我們還為管理用戶提供高級(jí)界面，高級(jí)界面是隱藏的并且需要密碼，只有管理員能夠登陸，高級(jí)界面里包含了所有的控制功能。這樣，不僅保證了普通用戶的使用變得簡單，還保證了如果有其他需求時(shí)，管理員可以通過高級(jí)界面單獨(dú)控制所有功能。

教室同會(huì)議室一樣，也采用一鍵上課下課，程序會(huì)依次開啟投影機(jī)，降下投影幕，把無線投屏畫面切給投影，自動(dòng)調(diào)整音量到預(yù)設(shè)大小等功能設(shè)計(jì)。?

教室管理控制

天創(chuàng)項(xiàng)目組參與了天津茱莉亞學(xué)院建設(shè)的音視頻系統(tǒng)深化設(shè)計(jì)、技術(shù)支持及產(chǎn)品調(diào)試工作，項(xiàng)目周期780余天，與項(xiàng)目集成商協(xié)作共同交出了優(yōu)異的答卷。

項(xiàng)目組主要成員：

天創(chuàng)數(shù)碼集團(tuán)產(chǎn)品事業(yè)部：

范維、馬林、梁少晨、孫曉、王強(qiáng)、趙蔚、韓岳峰、林錦釗、謝杰賢、路程、居姝曼、夏妙林、熊麗萍、李小龍

天創(chuàng)茱莉亞項(xiàng)目組部分成員合影

涉及產(chǎn)品系列