設(shè)計背景

天津茱莉亞學院項目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)。

基于茱莉亞學院的整體功能特點，校方還有一個特殊需求，學校內(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。總控制室可以監(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，而當整體AV系統(tǒng)達到一定量級后， 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、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。對模擬音頻信號進行處理、存儲和傳送都會引入噪聲和信號失真，并且隨著復制次數(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：復制不走樣、抗干擾能力強、動態(tài)范圍大、可遠距離傳輸、可以遠程監(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，同時還可以進行復雜的路由。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1/4 ms）、系統(tǒng)依賴于QoS、數(shù)據(jù)包根據(jù)Best effort原則進行傳輸、與傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)兼容等先進性。

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，并且恢復的時鐘也沒有足夠的精度對不同位置的AV 信號進行同步。?

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)上進行了改進，可以形成多棵無環(huán)路的樹，解決廣播風暴并實現(xiàn)冗余備份。多棵生成樹在VLAN間實現(xiàn)負載均衡，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，同樣進行了個性化分析定制。

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

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)預設(shè)。

比如點擊遠程會議，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端，并且自動調(diào)用攝像頭提前存儲好的預置位，如果用戶想切換攝像頭預置位，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