設(shè)計背景

天津茱莉亞學(xué)院項目AV系統(tǒng)工程由多個功能廳堂、會議室組成，包括音樂廳、黑匣子劇場、演奏廳三個主要的專業(yè)演藝廳堂，以及大排練室、樂隊排練、打擊樂工作室、董事會議室、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42個節(jié)點。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，校方還有一個特殊需求，學(xué)校內(nèi)所有的AV系統(tǒng)節(jié)點需要做到網(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在總控機房的調(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，這些房間也可以將音視頻信號傳送到音樂廳?？偪刂剖铱梢员O(jiān)看到每個房間的視頻信號（非監(jiān)控信號）、音頻信號及控制信號等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，但是要同時實現(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，而當(dāng)整體AV系統(tǒng)達(dá)到一定量級后， 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)險便難以規(guī)避。使用品質(zhì)可靠的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，設(shè)計合理、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、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目的模式，充分發(fā)揮協(xié)議本身的優(yōu)勢。

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

數(shù)字音頻技術(shù)是把模擬音頻信號變換為振幅不變的脈沖信號，音頻信號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)字音頻信號具有：復(fù)制不走樣、抗干擾能力強、動態(tài)范圍大、可遠(yuǎn)距離傳輸、可以遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點。?

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

本項目選擇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)備可以輕松實現(xiàn)AVB網(wǎng)絡(luò)與Dante網(wǎng)絡(luò)信號的互通，且在技術(shù)上可以實現(xiàn)在以太網(wǎng)上傳送高精度時鐘信號以及專業(yè)音頻信號，同時還可以進(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、時鐘同步技術(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。

2006年 Audinate 開始研發(fā)Dante。在千兆網(wǎng)交換機上，具有最大可支持雙向512個音頻通道、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）實時傳輸協(xié)議為數(shù)據(jù)提供了具有實時特征的端對端傳送服務(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，想要對所有的數(shù)據(jù)流進(jìn)行排序，就離不開對數(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)時延和抖動帶來的問題，但是，一旦采用緩沖的機制就又會帶來新的問題——延時。所以我們在網(wǎng)絡(luò)上聽歌、看電影的時候，都會緩沖后才開始播放。但這個緩沖時間，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)的時鐘也沒有足夠的精度對不同位置的AV 信號進(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低延遲、低抖動的時鐘。并嚴(yán)格保持在250μs的時隙內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)AV流，使得整個數(shù)據(jù)流量的最大延遲不大于2ms。在保證了低延時的同時又保證了音視頻信號的同步問題。

AVB信號在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)倪^程中會告知網(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)。交換機會專門為其預(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超過1G帶寬。這與協(xié)議無關(guān)，主要是由于數(shù)字信號需要的信息量所決定。AVB視頻流具備高品質(zhì)的承載能力。并且能同時在AVB流中傳輸音頻信號與控制信號，因此在茱莉亞整個大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)歸屬相對交易操作。前期設(shè)計期間，我們將AV專網(wǎng)劃分為6個Vlan。

VLAN1為每個房間本地的中控以及中控控制的相關(guān)設(shè)備（如投影機、攝像機等）網(wǎng)絡(luò)，此VLAN每個房間獨立不互通。VLAN2為Dante音頻網(wǎng)絡(luò)，此VLAN每個房間都通過一根專用的光纖連通到AV核心機房交換機，以此實現(xiàn)所有房間互通。VLAN3為無線話筒管理網(wǎng)，VLAN4為調(diào)音臺網(wǎng)絡(luò)，這兩個VLAN都是每個房間獨立不互通。VLAN5為內(nèi)通網(wǎng)，其中有內(nèi)通的房間的交換機都通過一根專用的光纖連通到AV核心機房交換機，以此來實現(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)，每個房間的AVB控制信號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，這樣就可以實現(xiàn)在AV中心通過中控控制每個房間AVB信號的互相切換。針對每臺設(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，工作人員在AV中心可以將音樂廳演出畫面實時切換給在教室上課的老師及同學(xué)們觀看。除了以上6個網(wǎng)絡(luò)之外，系統(tǒng)還設(shè)計了一個AVB專網(wǎng)，專門用來傳輸AVB音視頻信號，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，實現(xiàn)高質(zhì)量的傳輸。

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

但是，這樣的設(shè)計也需要一些特殊的交換機配置才能實現(xiàn)。由于出房間到AV核心機房的VLAN有三個，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VLAN都是連接到一根單獨的光纖，相當(dāng)于房間內(nèi)的匯聚交換機到AV核心機房的核心交換機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，在項目現(xiàn)場，我們確實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這三個VLAN就無法通信的問題。于是我們修改了交換機的配置，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)暴并實現(xiàn)冗余備份。多棵生成樹在VLAN間實現(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VLAN形成了三棵獨立的生成樹，互不影響，這樣就解決了三根光纖同時連接網(wǎng)絡(luò)不通的問題。

控制程序及界面設(shè)計

針對茱莉亞項目AV專網(wǎng)的調(diào)度控制，同樣進(jìn)行了個性化分析定制。

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)點分別都超過了40個。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，在每個輸出操作按鈕上都會顯示當(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，最好實現(xiàn)場景聯(lián)動，比如一鍵開機、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，把會議室分為兩個模式：本地會議與遠(yuǎn)程會議。

用戶需要使用會議室的時候，只需要按需點擊本地會議或者遠(yuǎn)程會議，程序會自動啟動所需要的相關(guān)設(shè)備并且調(diào)用提前設(shè)定好的相關(guān)預(yù)設(shè)。

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

會議室管理控制

同時，程序還會自動把音量調(diào)整到Middle，這是取的相對合適的值來設(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四個按鈕來回切換。

不僅如此，我們還為管理用戶提供高級界面，高級界面是隱藏的并且需要密碼，只有管理員能夠登陸，高級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，管理員可以通過高級界面單獨控制所有功能。

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

教室管理控制

天創(chuàng)項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、技術(shù)支持及產(chǎn)品調(diào)試工作，項目周期780余天，與項目集成商協(xié)作共同交出了優(yōu)異的答卷。

項目組主要成員：

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、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)茱莉亞項目組部分成員合影

涉及產(chǎn)品系列