天津茱莉亞學(xué)院(二)

信息來(lái)源:天創(chuàng )集團發(fā)布時(shí)間:2022-08-16

 

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設計背景

 

天津茱莉亞學(xué)院項目AV系統工程由多個(gè)功能廳堂、會(huì )議室組成,包括音樂(lè )廳、黑匣子劇場(chǎng)、演奏廳三個(gè)主要的專(zhuān)業(yè)演藝廳堂,以及大排練室、樂(lè )隊排練、打擊樂(lè )工作室、董事會(huì )議室、遠程教育室,基礎教室,戶(hù)外演出空間等10種不同類(lèi)型的房間,共計42個(gè)節點(diǎn)。所有房間要求全部采用數字化,網(wǎng)絡(luò )化的音視頻傳輸與控制系統。

 

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)校內所有的AV系統節點(diǎn)需要做到網(wǎng)絡(luò )上高質(zhì)量的數字化互聯(lián)互通,能夠實(shí)現數字化控制、遠程調度及監看。

 

例如,音樂(lè )廳的演出音視頻信號在總控機房的調度下可以保證高質(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傳送到音樂(lè )廳??偪刂剖铱梢员O看到每個(gè)房間的視頻信號(非監控信號)、音頻信號及控制信號等AV設備相關(guān)信息。?


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

 

 

 

主體網(wǎng)絡(luò )規劃

 

茱莉亞項目體量大,房間多,設備數量也多,并且整合度要求極高。在與其它系統配合的時(shí)候,我們發(fā)現需要接入AV網(wǎng)絡(luò )的設備數量接近600臺,而當整體AV系統達到一定量級后, AV設備的選擇與網(wǎng)絡(luò )規劃變得尤為重要。

 

網(wǎng)絡(luò )構建的重要性不言而喻,所有設備溝通在于此,信息交換在于此。網(wǎng)絡(luò )交換設備好比人的骨架,沒(méi)有好的硬件支撐,系統談何健壯。網(wǎng)絡(luò )top結構,好比人的血管,稍有疏忽造成堵塞,子系統癱瘓風(fēng)險便難以規避。使用品質(zhì)可靠的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品,設計合理、科學(xué)、健壯的網(wǎng)絡(luò )結構,將直接降低故障產(chǎn)生率。?


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構架好網(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(wú)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(lái)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。

 

在傳統的音響系統里,聲音信號是模擬信號,它的振幅具有隨時(shí)間連續變化的特性。對模擬音頻信號進(jìn)行處理、存儲和傳送都會(huì )引入噪聲和信號失真,并且隨著(zhù)復制次數的增加,每次都會(huì )加入新的噪聲和失真,信號質(zhì)量會(huì )越來(lái)越差。而數字音頻技術(shù)的出現,解決了上述模擬信號中的諸多問(wèn)題。

 

數字音頻技術(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制(Pulse Code Modulation,PCM)中。各種處理設備引入的噪聲和產(chǎn)生的失真與數字信息完全分離。因此,數字音頻信號具有:復制不走樣、抗干擾能力強、動(dòng)態(tài)范圍大、可遠距離傳輸、可以遠程監控等優(yōu)點(diǎn)。?

 

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借助IT技術(shù),數字音頻信號還可以融入到網(wǎng)絡(luò )傳輸系統中,在一條傳輸線(xiàn)路上同時(shí)實(shí)行多路音頻信號的傳輸,大大節省了傳輸運行成本,簡(jiǎn)化了傳輸線(xiàn)路。

 

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本項目選擇AVB與Dante專(zhuān)業(yè)音視頻網(wǎng)絡(luò )協(xié)議傳輸方式為音視頻服務(wù)。Biamp設備可以輕松實(shí)現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(shí)現在以太網(wǎng)上傳送高精度時(shí)鐘信號以及專(zhuān)業(yè)音頻信號,同時(shí)還可以進(jìn)行復雜的路由。與以往傳統的音頻傳輸技術(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(kāi)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(gè)音頻通道、延遲很低(最低可達1/4 ms)、系統依賴(lài)于QoS、數據包根據Best effort原則進(jìn)行傳輸、與傳統以太網(wǎng)數據兼容等先進(jìn)性。

 

而視頻在網(wǎng)絡(luò )傳輸中,是通過(guò)以太網(wǎng)RTP(Real-time Transport Protocol)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議為數據提供了具有實(shí)時(shí)特征的端對端傳送服務(wù)(俗稱(chēng)流媒體服務(wù))。RTP 本身并不能保證傳送,也不能保證防止無(wú)序傳送。因此,想要對所有的數據流進(jìn)行排序,就離不開(kāi)對數據的緩沖(Buffer)。

 

流媒體服務(wù)在如今的以太網(wǎng)上已經(jīng)得到廣泛應用。雖然通過(guò)緩沖(Buffer)及自適應時(shí)鐘恢復技術(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(lái)的問(wèn)題,但是,一旦采用緩沖的機制就又會(huì )帶來(lái)新的問(wèn)題——延時(shí)。所以我們在網(wǎng)絡(luò )上聽(tīng)歌、看電影的時(shí)候,都會(huì )緩沖后才開(kāi)始播放。但這個(gè)緩沖時(shí)間,在專(zhuān)業(yè)音、視頻傳輸領(lǐng)域里是不能被接受的,并且恢復的時(shí)鐘也沒(méi)有足夠的精度對不同位置的AV 信號進(jìn)行同步。?



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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低延遲、低抖動(dòng)的時(shí)鐘。并嚴格保持在250μs的時(shí)隙內轉發(fā)AV流,使得整個(gè)數據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的同步問(wèn)題。

 

AVB信號在網(wǎng)絡(luò )內傳輸的過(guò)程中會(huì )告知網(wǎng)絡(luò )它的存在,能適應千兆,萬(wàn)兆,甚至是百萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò )。交換機會(huì )專(zhuān)門(mén)為其預留帶寬,保障傳輸的可靠性。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(guò)1G帶寬。這與協(xié)議無(wú)關(guān),主要是由于數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(shí)在A(yíng)VB流中傳輸音頻信號與控制信號,因此在茱莉亞整個(gè)大AV專(zhuān)網(wǎng)系統中,選擇AVB作為音視頻專(zhuān)網(wǎng)的傳輸協(xié)議,既解決了同步問(wèn)題,又滿(mǎn)足了高品質(zhì)傳輸要求。

 

網(wǎng)絡(luò )管理與實(shí)施


在A(yíng)V專(zhuān)網(wǎng)主體結搭建完成后,再來(lái)細分設備網(wǎng)絡(luò )歸屬相對交易操作。前期設計期間,我們將AV專(zhuān)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)設備(如投影機、攝像機等)網(wǎng)絡(luò ),此VLAN每個(gè)房間獨立不互通。VLAN2為Dante音頻網(wǎng)絡(luò ),此VLAN每個(gè)房間都通過(guò)一根專(zhuān)用的光纖連通到AV核心機房交換機,以此實(shí)現所有房間互通。VLAN3為無(wú)線(xiàn)話(huà)筒管理網(wǎng),VLAN4為調音臺網(wǎng)絡(luò ),這兩個(gè)VLAN都是每個(gè)房間獨立不互通。VLAN5為內通網(wǎng),其中有內通的房間的交換機都通過(guò)一根專(zhuān)用的光纖連通到AV核心機房交換機,以此來(lái)實(shí)現所有內通房間互通。VLAN6為AV中心中控以及AVB控制網(wǎng)絡(luò ),每個(gè)房間的AVB控制信號都通過(guò)一根專(zhuān)用的出房間光纖傳輸到AV中心,AV中心的中控也在此網(wǎng)絡(luò )里,這樣就可以實(shí)現在A(yíng)V中心通過(guò)中控控制每個(gè)房間AVB信號的互相切換。針對每臺設備的網(wǎng)絡(luò )信息都做了明確的規劃。?

 

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例如,當音樂(lè )廳舉行演出時(shí),工作人員在A(yíng)V中心可以將音樂(lè )廳演出畫(huà)面實(shí)時(shí)切換給在教室上課的老師及同學(xué)們觀(guān)看。除了以上6個(gè)網(wǎng)絡(luò )之外,系統還設計了一個(gè)AVB專(zhuān)網(wǎng),專(zhuān)門(mén)用來(lái)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(lái)保證不受任何其他干擾,實(shí)現高質(zhì)量的傳輸。

 

整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的設計,把每個(gè)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(gè)VLAN單獨通過(guò)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(wèn)題的發(fā)生,還能實(shí)現在A(yíng)V中心的核心交換機上管理每個(gè)房間的匯聚交換機,讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理變得簡(jiǎn)單高效。

 

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但是,這樣的設計也需要一些特殊的交換機配置才能實(shí)現。由于出房間到AV核心機房的VLAN有三個(gè),分別是:VLAN2 Dante網(wǎng)、VLAN5內通網(wǎng)和VLAN6 AVB控制網(wǎng)絡(luò ),這三個(gè)VLAN都是連接到一根單獨的光纖,相當于房間內的匯聚交換機到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,很容易出現環(huán)路。

 

最初,在項目現場(chǎng),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(wú)法通信的問(wèn)題。于是我們修改了交換機的配置,采用了多生成樹(shù)協(xié)議MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol),MSTP在STP和RSTP的基礎上進(jìn)行了改進(jìn),可以形成多棵無(wú)環(huán)路的樹(shù),解決廣播風(fēng)暴并實(shí)現冗余備份。多棵生成樹(shù)在VLAN間實(shí)現負載均衡,不同VLAN的流量按照不同的路徑轉發(fā)。

 

配置MSTP協(xié)議后,出房間的三個(gè)VLAN形成了三棵獨立的生成樹(shù),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(wèn)題。

 

控制程序及界面設計

 

針對茱莉亞項目AV專(zhuān)網(wǎng)的調度控制,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A(yíng)V中心進(jìn)行集中調度,為了讓操作人員能提前確認需要切換的畫(huà)面是否準備好,借助分布式視頻傳輸系統和中控設備的配合,實(shí)現了視頻畫(huà)面的遠程高質(zhì)量預覽。

 

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

 

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

 

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錄音棚

 

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錄音棚操作界面

 

在具體房間的應用中,用戶(hù)希望能夠盡量簡(jiǎn)化控制,最好實(shí)現場(chǎng)景聯(lián)動(dòng),比如一鍵開(kāi)機、一鍵切換,界面風(fēng)格也希望盡量簡(jiǎn)潔明了,所有的文字都用簡(jiǎn)單的英語(yǔ)單詞或短語(yǔ)表示。于是我們按照用戶(hù)需求,把會(huì )議室分為兩個(gè)模式:本地會(huì )議與遠程會(huì )議。

 

用戶(hù)需要使用會(huì )議室的時(shí)候,只需要按需點(diǎn)擊本地會(huì )議或者遠程會(huì )議,程序會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)所需要的相關(guān)設備并且調用提前設定好的相關(guān)預設。

 

比如點(diǎn)擊遠程會(huì )議,首先,會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟顯示器電源,然后把無(wú)線(xiàn)投屏信號輸出給顯示器,用戶(hù)就可以直接通過(guò)無(wú)線(xiàn)投屏來(lái)分享畫(huà)面。程序還會(huì )把攝像頭畫(huà)面輸出給遠端,并且自動(dòng)調用攝像頭提前存儲好的預置位,如果用戶(hù)想切換攝像頭預置位,直接點(diǎn)擊會(huì )議室平面圖的不同位置就能切換到對應的不同預置位。?

 

會(huì )議室管理控制

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同時(shí),程序還會(huì )自動(dòng)把音量調整到Middle,這是取的相對合適的值來(lái)設定的音量預設,適合大多數場(chǎng)景。如果用戶(hù)覺(jué)得音量不合適或者需要靜音,還可以通過(guò)Low、Middle、High、Mute四個(gè)按鈕來(lái)回切換。

 

不僅如此,我們還為管理用戶(hù)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(hù)的使用變得簡(jiǎn)單,還保證了如果有其他需求時(shí),管理員可以通過(guò)高級界面單獨控制所有功能。

 

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(kāi)啟投影機,降下投影幕,把無(wú)線(xiàn)投屏畫(huà)面切給投影,自動(dòng)調整音量到預設大小等功能設計。?

 

 

教室管理控制

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天創(chuàng )項目組參與了天津茱莉亞學(xué)院建設的音視頻系統深化設計、技術(shù)支持及產(chǎn)品調試工作,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 )數碼集團產(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


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天創(chuàng )茱莉亞項目組部分成員合影

 

涉及產(chǎn)品系列

 

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