Видеостена с распределенным контроллером

Полезная модель относится к технике связи, а именно к области цифровой обработки и обмена информацией управления, и может быть использована в качестве аппаратно-программного комплекса, способного работать в системах видео-конференц-связи (ВКС), использующих видеостены (Video Wall). Распределенный контроллер видеостены (РКВС) выполнен в едином конструктиве и содержит набор блоков, часть которых снабжена интерфейсами для взаимодействия через IP-сеть с внешней средой (сетями электросвязи, базами данных, серверами и терминальным оборудованием видеоконференций), а также с собственно видеостеной.
Предлагаемое устройство ориентировано на применение в эксплуатируемых телекоммуникационных сетях (общего пользования и любой ведомственной либо межведомственной принадлежности), а также в формирующихся сетях NGN (сеть следующего поколения) и post-NGN (сеть последующего за NGN поколения). Предусмотрена также возможность использования видеостены с распределенным контроллером в сетях SDN (программно-конфигурируемая сеть) с поддержкой технологии NFV (виртуализация сетевых функций). При необходимости, совместная работа с вновь появляющимися телекоммуникационными сетями и информационными системами обеспечивается за счет адаптации алгоритмов в составе программного обеспечения контроллера видеостены.
Предлагаемое устройство предназначено для оказания всех применяемых в настоящее время услуг видеоконференций с различными атрибутами (численность подключенных терминалов, их функциональных возможностей, географического расположения и т.п.), а также с широким спектром дополнительных видов обслуживания (изменение состава участников видеоконференции, унифицированные коммуникации, совместная работа над проектом и т.п.).
Известны различные решения в рассматриваемой области.
Все они основаны на технических решениях, которые изложены в ряде монографий, диссертаций, статей и патентов по видеоконференциям:
1. Arthur J. Improve Your Virtual Meetings: How to Communicate from Anywhere, Master Video and Conference Calls, and Collaborate Like a Pro. Kindle Edition, 2020, 101 p.
2. Jansen B.A. Performance Analysis of WebRTC-based Video Conferencing. -Master of Science Thesis, 2016, 78 p.
3. Jain P. Global Video Conferencing Market Analysis, Forecast to 2023. - Frost & Sullivan, 2019, 44 p.
4. Чачин П. Видеоконференции без лишних усилий. - Первая миля, 2018, №3, с. 54-56.
5. Савельев А.И. Оптимизация алгоритмов распределения потоков мультимедийных данных между сервером и клиентом в приложениях видео-конференц-связи. - Труды СПИИРАН, 2013, №31, с. 61-79.
6. Video wall display system. - European Patent Application EP 2 328 073 A3, 2011.
7. Video wall. - United States Patent Application Publication US 7262746 A1, 2003.
8. Video wall control system and method. Korean Patent №102079918, дата приоритета 16.12.2013 г. (Application No. 10-2013-0164157,2013).
В патентах (6) и (7) оборудование видеоконференции класса видеостена реализовано как пассивное устройство с точки зрения управления ресурсами. Размещение средств управления типа контроллер в составе видеостены не предусматривается. Такой подход был приемлем для предшествующего поколения аппаратно-программных средств, предназначенных для организации видеоконференций. Управление ресурсами осуществлялось централизовано за счет использования оборудования, называемого в англоязычной технической литературе Multipoint Control Unit (MCU) модуль контроля группы терминалов. Патент (8) основан на включение в состав видеостены устройства типа MCU, что экономически невыгодно для видеоконференций, но вполне уместно для систем постоянного мониторинга опасных объектов.
Функциональные возможности известных технических решений не в полной мере соответствуют требованиям, типичным для настоящего времени и в обозримой перспективе. В частности, не обеспечиваются следующие важные требования:
эффективное использование доступных транспортных ресурсов для передачи и приема информации, необходимой для проведения видеоконференций;
поддержка требуемых (и постоянно возрастающих) требований к качеству видеоконференций;
возможность введения новых дополнительных видов обслуживания без существенной модернизации аппаратно-программных средств;
повышение надежности системы видеоконференций за счет децентрализации средств управления ее ресурсами;
снижение затрат на организацию видеоконференций, достигаемое путем отказа от дорогостоящих средств вида MCU.
Многосторонняя видео-конференц-связь (ВКС) традиционно была дорогостоящей услугой, которая применялась только в корпоративных сетях связи. В первую очередь, это было связано со сложностью и высокой стоимостью центрального элемента классической ВКС - модуля микширования медиапотоков в MCU [1]. Данный элемент сети ВКС реализует наиболее важные функции по обработке медиа-потоков, которые он получает от каждого терминала. Модуль MCU обеспечивает микширование голоса, прием видеопотоков от каждого терминала и формирование в сторону терминалов персональных видеопотоков с индивидуальными раскладками (распределением получаемых изображений на экране).
Данная архитектура существенно уменьшает загруженность каналов передачи данных, повышает управляемость сетью связи и позволяет обеспечивать уровень услуг на должном уровне. Вместе с тем, центральный модуль MCU должен содержать в своем составе высокопроизводительные аппаратные ресурсы, обеспечивающие реализацию поставленных задач.
В классической архитектуре организации ВКС терминалы выполняют задачу по кодированию одного видеопотока для передачи в MCU и декодированию одного видеопотока, поступающего из MCU. В свою очередь, MCU выполняет задачи по приему и декодированию множества видеопотоков, перегруппировке изображений, согласно требуемым раскладкам, кодированию новых раскладок и отправке их участникам. Число активных участников ВКС, число пассивных наблюдателей, а также запрашиваемое качество обрабатываемых видеосигналов являются основными атрибутами, определяющими величину загрузки ресурсов MCU.
Многие компании столкнулись с перегрузкой своих систем MCU, которая связана не только с ростом числа абонентов, желающих осуществить видеовызов, но также и с повышением требований к качеству видеоизображения. Часть абонентских терминалов поддерживает разрешение не только Full HD (Full High Definition разрешение 1920×1080 пикселей) и частотой кадров не менее 24 в секунду, но и 4K (разрешение 4096×2160 пикселей) со скоростью до 60 кадров в секунду. Запрос на обработку большого числа потоков с высоким разрешением, приводит к необходимости, наращивать мощность MCU, что является сложной и дорогостоящей задачей. Альтернативой данному подходу является изменение принципа организации ВКС путем использования архитектуры распределенной сети ВКС. В рамках данной архитектуры задачи между центральным модулем сети и терминалами перераспределяются.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению является "Видеостена" (Патент US 7262746), которая выбрана в качестве прототипа. Видеостена состоит из нескольких смежных дисплеев. Поверхности отображения соседних дисплеев образуют непрерывную или квазинепрерывную поверхность отображения видеостены. Стена имеет вход, приспособленный для приема изображений из мультиплексированных источников. Изображения из мультиплексированных источников демультиплексируются в демультиплексоре. Демультиплексор предоставляет изображения из демультиплексных источников процессорам для отображения на соседних дисплеях. Использование мультиплексированных источников позволяет уменьшить количество кабелей на входе в стену или увеличить количество изображений, которые могут одновременно отображаться на стене.
Недостатки прототипа:
1. Невозможность использование перспективной технологии SFU (Selective Forwarding Unit) - выборочной переадресации.
2. Недостаточный объем дополнительных услуг, обусловленных применением централизованного устройства управления.
3. Высокие затраты на создание и развитие систем видеоконференций с плохо прогнозируемыми параметрами трафика.
4. Низкая надежность системы видеоконференций из-за использования централизованного устройства управления.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание такого устройства для поддержки функционирования видеостен при проведении видеоконференция, которое позволит значительно повысить качество, надежность и эффективность предоставления широкого спектра услуг.
Технический результат, на который направлено данное техническое решение, заключается в расширении функциональных возможностей видеостены путем применения в ее составе распределенного контроллера, который управляет работой каждой видеостены в отдельности, за счет чего удается значительно повысить качество, надежность и эффективность видеоконференций.
Технический результат достигается за счет того, что Видеостена, включающая нескольких смежных дисплеев, причем поверхности отображения соседних дисплеев образуют непрерывную или квазинепрерывную поверхность отображения видеостены, содержит распределенный контроллер, включающий блок захвата цифрового потока, на вход которого поступает внешний видеосигнал, причем выход блока захвата цифрового потока связан через блок кодирования видеопотока с блоком сопряжения с IP сетью, который соединен с первым и вторым блоками управления, связанными соответственно с первым и вторым блоками памяти, при этом первый блок управления связан через блок декодирования цифрового потока с блоком трансляции цифрового потока, выход которого соединен со входом поверхности отображения видео стены.
В случае централизованного распределения видеопотоков по N видеостенам оборудование видеостены представляет собой пассивное устройство. При дентрализованном распределения видеопотоков по N видеостенам оборудование видеостены становится активным устройством, что позволяет реализовать указанные выше новые функциональные возможности. При этом, в отличие от решения, основанного на использовании централизованного модуля управления, который самостоятельно формирует персональные медиа-потоки для передачи на видеостены, распределенный контроллер пересылает пакеты, при необходимости модифицируя их заголовки без перекодирования видео. Вследствие чего производительность данного вида устройств существенно повышается. Для эффективного использования доступных транспортных ресурсов распределенный контроллер не пересылает на видеостены участников конференции все поступающие на него пакеты, а использует алгоритм выборочной отправки, определяя, какие потоки необходимо направлять каждой из видеостен.
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими материалами: Фиг. 1, на которой изображена принципиальная схема видеостены с распределенным контроллером, где
1 - блок трансляции цифрового потока,
2 - блок декодирования цифрового потока,
3 - блок памяти,
4 - блок управления,
5 - блок захвата цифрового потока,
6 - блок кодирования видеопотока,
7 - блок сопряжения с IP-сетью,
8 - блок памяти (дублирующий блок 3),
9 - блок управления (дублирующий блок 4),
10 - распределенный контроллер, 11 - дисплеи видеостены.
Распределенный контроллер состоит из девяти блоков, связанных между собой так, как показано на Фиг. 1. Все основные блоки дублированы для обеспечения высокой надежности устройства.
Блок 1 трансляции цифрового потока (БТЦП) предназначен для отображения информации на экранах видеостены с РКВС. С этой целью в составе видеостены используются блоки отображения видео (БОВ). Аппаратная часть БТЦП выполнена в виде однотипных плат, каждая из которых обеспечивает связь с БОВ. При подключении М БОВ количество плат равно М. Плюс одна плата используется как резерв. Платы БТЦП изготавливаются заявителем на основе следующей элементной базы: программируемая логическая микросхема (ПЛИС) Cyclone, многофункциональный процессор ADSP.
Блок 2 декодирования цифрового потока (БДЦП) формирует последовательность битов, которая воспринимается в блоке 1. Аппаратная часть БДЦП/МВТ выполнена в виде программной платы и изготавливается заявителем на основе следующей элементной базы: супер компонент Com Express, процессорный модуль Congatec N4200.
Блок 3 памяти (БП) в составе хранит всю необходимую информацию для работы распределенного контроллера. Аппаратная часть БП изготавливается заявителем на основе следующей элементной базы: супер компонент Com Express, процессорный модуль Congatec N4200.
Блок 4 управления (БУ) содержит логику работы распределенного контроллера видеостены. Аппаратно-программные средства БУ взаимодействуют с блоком памяти 3 и с сопряжения с IP-сетью 7. Информация, необходимая для работы БЯ, извлекается из блока памяти 3. Аппаратная часть БУ изготавливается заявителем на основе следующей элементной базы: супер компонент Com Express, процессорный модуль Congatec N4200.
Блок 5 захвата цифрового потока (БЗЦП) обеспечивает прием информации от внешнего источника видеосигнала. Источником видеосигнала может быть любой устройство, используемое в системе видеоконференции. Аппаратная часть БЗЦП выполнена в виде однотипных плат, каждая из которых обеспечивает связь с источником видеосигнала. При подключении L источников видеосигнала количество плат равно L. Плюс одна плата используется как резерв. Платы БЗЦП изготавливаются заявителем на основе следующей элементной базы: программируемая логическая микросхема (ПЛИС) Cyclone, многофункциональный процессор ADSP.
Блок 6 кодирования видеопотока (БКВ) осуществляет преобразование информации, поступающей из блока 5, в последовательность битов, определяемых принятым законом кодирования данных. Аппаратная часть БКВ изготавливается заявителем на основе следующей элементной базы: супер компонент Com Express, процессорный модуль Congatec N4200.
Блок 7 сопряжения с IP-сетью (БС-IP) обеспечивает функции по обмену информацией с внешними модулями ВКС. Распределенный контроллер использует стандартную IP-сеть, основанную на стеке протоколов TCP/IP. Аппаратная часть БС-IP изготавливается заявителем на основе следующей элементной базы: супер компонент Com Express, процессорный модуль Congatec N4200.
Блок 8 памяти (БП) в составе хранит всю необходимую информацию для работы распределенного контроллера. Аппаратная часть БП изготавливается заявителем на основе следующей элементной базы: супер компонент Com Express, процессорный модуль Congatec N4200. Он дублирует работу блока 3.
Блок 9 управления (БУ) содержит логику работы распределенного контроллера видеостены. Аппаратно-программные средства БУ взаимодействуют с блоком памяти 3 и с сопряжения с IP-сетью 7. Информация, необходимая для работы БЯ, извлекается из блока памяти 3. Аппаратная часть БУ изготавливается заявителем на основе следующей элементной базы: супер компонент Com Express, процессорный модуль Congatec N4200. Он дублирует работу блока 4.