分布式音视频系统浅析

来源：小鸟科技编辑：QQ123 2021-05-26 12:45:02 加入收藏

随着国防军工建设体制建设规划的不断完善，军队指挥控制信息系统规模逐渐扩大，诸多音视频传输厂商掀起了一股有关IP化分布式音视频系统建设的旋风，诸多厂家纷纷带来了在不同技术架构下的产品。

　　小鸟科技作为业内以技术研发作为原始动力的企业，在其血液中流淌着工程师基因，坚信好的设计，优秀的产品品质自然会说话。

　　首先理解一款好的产品，要清楚这款产品的历史，才能看清楚发展方向。所以今天先回顾IP化分布式音视频系统的历史，一起探索IP化分布式音视频系统的前世今生，同时给大家介绍小鸟科技的全新“火凤”系列的分布式产品。

一、图像IP化分布式系统的发展历程

　　(一) 分布式系统的诞生

　　在二十一世纪初，出现了视频分布式系统的雏形：基于视频压缩算法的视频传输交换系统。但由于当时科技水平的限制，这类分布式系统都采用PCI-E架构，基于传统的MJPEG/MPEG-4/H.263等视频压缩方式，实现视频的传输和播放。这类系统一般用于监控和安防领域，但是无法满足会议室、指控中心等场景的应用。同时，由于其产品形态和使用限制很多，随着时间的推进，逐渐消失在大众视野中。

　　发现真正意义的第一代分布式系统，是2008年美国的Jupiter公司出品的PixelNet系列产品。之所以将其称为真正意义的分布式系统，是因为其产品形态和使用方式，跟我们今天所看到的分布式系统架构非常类似。采用了编码器+交换机+解码器的组网方式，实现视频矩阵切换、大屏拼接等功能。今天我们国内能看到的分布式产品，都采用了类似的组网架构。小鸟科技的创始人李厚鹏先生有幸在2011年和Jupiter的创始人Eric Wogsberg先生有过一次深入的交流，深感分布式系统可能给行业带来的变革。从那时起分布式的概念就在小鸟科技的血液中开始流淌。

　　(二) 分布式系统的蛰伏期

　　2008年-2015年自Jupiter提出分布式系统的概念和产品后，国内外的一些厂家纷纷效仿。由于当时技术的局限性，图像压缩严重，网络占用带宽较大，没有配套的网络交换设备;加之设备和网络的采购部署成本非常高，导致当时的分布式系统在推广过程中遇到比较大的阻力，在相当长的一段时间内无法成为业内主流的音视频解决方案。但在此期间，很多业内的厂家都对分布式系统保持高度关注，都在讨论分布式系统的未来及前景。小鸟科技也一直对分布式系统保持极大的热情，虽然受限于成本和技术瓶颈，分布式在市场端的接受度很低，但是我们依然组建核心团队对分布式系统进行各种核心技术的预研工作。

　　与分布式的蛰伏不同，2005-2015年却是集中式矩阵、拼接器发展的黄金十年。将FPGA算法引入专业视听领域，通过FPGA的超高处理能力，可以实现视频画面毫无损失的传输处理控制，并且随着技术的发展，集中式设备具备越来越完善的功能，包括矩阵交换、拼接处理、坐席管理、运维管控等所有能想到的功能。比如小鸟科技2017年出品的UniStation全光纤非IP化坐席管理系统，就是集上述所有功能为一体的集中式高端音视频解决方案。

　　(三) 分布式系统的黄金期发展期

　　从2015年开始，随着客户对更大规模音视频解决方案需求的提升，以及网络交换机技术的高速发展，分布式系统优势又重新被大家所关注。分布式系统之所以可以重登历史舞台，是因为其具有很多优秀特性，以下分布式系统最重要的几个特性：

　　1. 海量接入，无限扩容

　　2. 部署灵活，易于建设

　　3. 信息互通，多方协作

　　4. 整体运维，全面管控

二、不同IP分布式编解码技术介绍

　　随着分布式系统概念的逐步兴起，各厂家都开始加大分布式系统的研发及投入。但是由于不同厂家的研发条件和技术实力以及对分布式系统的应用概念理解各不相同，导致大家采用了不同的分布式架构。当前行业内普遍认可的IP化编解码有以下三种主流的算法：

　　(一) 分布式深压缩技术

　　深压缩分布式系统顾名思义，是将视频信号进行深度压缩，实现矩阵、拼接、坐席、管控等功能。一般业内厂家采用的都是H.264/H.265的压缩算法。由于深压缩算法的压缩原理，导致其优点和缺点都非常明显。

　　1. 深压缩分布式技术优点

　　网络带宽占用低

　　深压缩算法将一路1080P视频信号(3G带宽)，压缩为一路网络信号，通常为2M-50M带宽，因此对网络传输带宽要求较低，在广域传输、跨网传输情况下有非常明显的优势。

　　标准化协议对接

　　采用标准的H.264/H.265传输协议，可以实现标准网络视频输入，例如网络摄像头和各种解码平台。并且可以简单的通过浏览器或者软件实现可视化的预监和回显功能。

　　系统功能完善

　　深压缩采用的H.264/H.265编解码技术，都是来自于1997年ISO(国际标准化组织)和ITU(国际电信联盟)两个组织共同提出的新一代数字视频压缩格式。发展历史悠久，经过监控和安防行业的推进，有完整的解决方案。

　　2. 深压缩分布式技术缺点

　　YUV420采样导致图像损失较大

　　我国行业内绝大多数的深压缩分布式厂家，都是以华为海思编解码芯片为核心器件，进行二次开发而来。但是由于海思芯片对视频采样都是YUV4:2:0的采样形式，这就导致了行业内的深压缩分布式系统的视频色彩空间不足。此弊病在自然图像的视频下不明显，但是在文字图像和不同的底色情况下，显示的尤为明显。

　　高压缩比导致画面质量损失较大

　　由于深压缩算法的压缩比可以达到50-150倍，所以高压缩比带来的必定是画质的降低。这一点不论是从香农定理还是信息论基本原理来讲，都是必然的，虽然可以通过各种算法降低画面损失，但是仍然无法达到视觉无损的显示效果。只能尽量通过降低压缩比，提高传输带宽，才能达到更好的视频效果。

　　帧间压缩算法导致延迟较大

　　由于H.264/H.265采用的大都是帧间压缩算法，这种算法在编码和解码时会引入2-3帧的画面延迟，总共会引入4-6帧的延迟，虽然在视频显示的时候可以接受，但是如果在KVM应用下，则会让用户感觉到比较明显的迟滞感，降低客户使用的满意度。

　　单播分布式通信导致拼接大屏同步性差

　　由于深压缩分布式系统，一般主流厂家采用的是单播通信，因此画面在实现多屏显示的时候，发送端需要将视频一个接一个的发出去，加之解码端没有同步机制，画面会出现不同步和较为明显的撕裂现象。

　　(二) 浅压缩分布式系统

　　浅压缩分布式是针对深压缩分布式而言，采用浅压缩算法，例如VC-2/JPEG等视频压缩算法。浅压缩信号可以通过千兆网进行传输，并且最大限度的使用千兆网的带宽资源。同样的浅压缩分布式系统也有其优缺点：

　　1. 浅压缩分布式系统的优点

　　视觉无损的压缩算法

　　浅压缩算法将一路1080P视频信号(3G带宽)，压缩为一路网络信号，通常为300M-900M带宽，采用YUV4:4:4的采样形式;视频压缩率低，画质较深压缩有非常明显的优势。

　　超低的视频延迟

　　浅压缩算法的压缩算法比较多，最优秀的视频压缩算法，是将视频按照每行的画面进行压缩，并马上传输后解压缩，因此一般浅压缩算法的延迟，不超过一帧，按照1080P分辨率而言，延迟在微秒级别，已经完全感觉不到分布式系统引入的延迟。

　　完美的拼接同步性

　　由于采用组播传输模式，加上网络的全互通部署，所以每一路视频信号都有其独立的传输通道。加上全网同步技术，不论大屏显示还是单屏显示，都可以达到纳秒级的同步。

　　协议私密，安全性高

　　国内做浅压缩分布式的厂家，大都采用各自的私有协议;或者在标准压缩格式的基础上进行改造。基本没有标准的编解码协议，这就意味着即使视频码流被截取，也无法恢复出原始视频。提高了视频传输的安全性。

　　2. 浅压缩分布式系统的缺点

　　交换机带宽压力大

　　由于一路1080P信号就要占用几百兆的网络带宽，因此对于交换机的数据吞吐量提出非常高的要求。并且无损分布式系统一定要和对应的接入交换机、汇聚交换机、核心交换机进行深入的适配，才能达到最优的网络传输效果。

　　无法实现域间视频互通

　　由于浅压缩码流占用带宽很大，因此在跨域传输的时候，无法承载这么大的网络压力;因此无法单独实现域间传输。一般需要将网络信号转化为标准的电信号，再通过其他设备进行深压缩，以实现跨域传输。

三、小鸟科技“火凤”系列双码流IP化编解码分布式系统介绍

　　“火凤”系列双码流IP化编解码分布式产品，顾名思义，它是跨时代的双码流分布式系统产品是集合了深压缩分布式和浅压缩分布式的特性的涅槃重生产品。在设计“火凤”系列分布式产品对环境适应性和稳定性进行了全新的理解，在外观设计中加入了更有质感的金属元素，和格栅散热网格，可有效的进行主动散热和抗震防尘，稳定性上采用了加固面板和定制化加固接口，有助于应对复杂的军事活动中的特别是应对相对复杂的战场环境的表现。

　　双码流系统绝不是将两种制式简单的放在一起，进行简单的双系统并行传输。而是将两种制式的系统相互融合，形成更完善的解决方案。

　　早在2015年伊始，小鸟科技就推出了AVCNet-B系列分布式产品，实现多系统间的互联互通。在2019年推出的新一代B系列深压缩分布式系统，针对上述深压缩分布式的缺点，都进行有针对性的系统优化，通过FPGA+DSP的全新架构，弥补了深压缩分布式的缺点。

　　2015年初小鸟科技开始投入研发力量进行无损算法的技术预研，以国际领先的VC-2的压缩算法为基础，加入自身对算法的实现和改进，于2016年推出国内首款浅压缩无损分布式系统AVCNet-H系列产品。

　　小鸟科技的AVCNet-H系列浅压缩无损分布式产品，以其卓越的视频压缩算法和全套的解决方案，一经推出就成为业界翘楚，并于2018、2019年分别承建和保障了北京市政府和军队的某重点项目，单次建设达到3000个以上的编解节点，此项目是目前已知的世界上最大的浅压缩分布式建设案例。在经过多个大型项目的历练，AVCNet-H无损分布式系统已经非常成熟稳定，具备上边提到的所有优点，并且通过自身的不断努力以及对客户的进一步了解，解决了传统无损分布式系统的缺点，形成完整的解决方案。