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回顧分布式系統發展的歷史 分布式系統的前世今生

來源:投影時代 更新日期:2020-03-18 作者:pjtime資訊組

    最近一段時間,專業視聽領域掀起一股有關分布式系統爭論的旋風,諸多廠家紛紛提出各自的看法。小鳥科技作為業內以技術研發起家的企業,血液中流淌著工程師基因,堅信好的產品會說話,并不擅長參與各種江湖紛爭。本想拿個小板凳靜靜做個吃瓜群眾,奈何很多業內友商及合作伙伴紛紛來電,希望小鳥君也談談對分布式的理解。理解一款產品,要清楚這款產品的歷史,才能看清楚發展方向。所以今天小鳥君先帶著大家,回顧分布式系統發展的歷史,一起了解分布式系統的前世今生,同時給大家介紹小鳥科技的全系列分布式產品。

    (一) 分布式系統的誕生 2008年

 

    在二十一世紀初,出現了視頻分布式系統的雛形:基于視頻壓縮算法的視頻傳輸交換系統。但由于當時科技水平的限制,這類分布式系統都采用PCIE架構,基于傳統的MJPEG/MPEG-4/H.263等視頻壓縮方式,實現視頻的傳輸和播放。這類系統一般用于監控和安防領域,但是無法滿足會議室、指控中心等場景的應用。同時,由于其產品形態和使用限制很多,隨著時間的推進,逐漸消失在大眾視野中。

    經過小鳥君這幾日的仔細調研,發現真正意義的第一代分布式系統,是2008年美國的Jupiter公司出品的PixelNet系列產品。之所以將其稱為真正意義的分布式系統,是因為其產品形態和使用方式,跟我們今天所看到的分布式系統架構非常類似。采用了編碼器+交換機+解碼器的組網方式,實現視頻矩陣切換、大屏拼接等功能。今天我們國內能看到的分布式產品,都采用了類似的組網架構。小鳥科技的創始人李厚鵬先生有幸在2011年和Jupiter的創始人Eric Wogsberg先生有過一次深入的交流,深感分布式系統可能給行業帶來的變革。從那時起分布式的概念就在小鳥科技的血液中開始流淌。 

    (二)分布式系統的蟄伏期 2008年-2015年

    自Jupiter提出分布式系統的概念和產品后,國內外的一些廠家紛紛效仿。由于當時技術的局限性,圖像壓縮嚴重,網絡占用帶寬較大,沒有配套的網絡交換設備;加之設備和網絡的采購部署成本非常高,導致當時的分布式系統在推廣過程中遇到比較大的阻力,在相當長的一段時間內無法成為業內主流的音視頻解決方案。但在此期間,很多業內的廠家都對分布式系統保持高度關注,都在討論分布式系統的未來及前景。小鳥科技也一直對分布式系統保持極大的熱情,雖然受限于成本和技術瓶頸,分布式在市場端的接受度很低,但是我們依然組建核心團隊對分布式系統進行各種核心技術的預研工作。

    與分布式的蟄伏不同,2005-2015年卻是集中式矩陣、拼接器發展的黃金十年。將FPGA算法引入專業視聽領域,通過FPGA的超高處理能力,可以實現視頻畫面毫無損失的傳輸處理控制,并且隨著技術的發展,集中式設備具備越來越完善的功能,包括矩陣交換、拼接處理、坐席管理、運維管控等所有能想到的功能。比如小鳥科技2017年出品的UniStation一體化坐席管理系統,就是集上述所有功能為一體的集中式高端音視頻解決方案。

 

    (三) 分布式系統的黃金期 2015年-至今

    從2015年開始,隨著客戶對更大規模音視頻解決方案需求的提升,以及網絡交換機技術的高速發展,分布式系統優勢又重新被大家所關注。分布式系統之所以可以重登歷史舞臺,是因為其具有很多優秀特性,下邊是小鳥君總結分布式系統最重要的幾個特性:

    a) 海量接入,無限擴容

    b) 部署靈活,易于建設

 

    c) 信息互通,多方協作

 

    d) 整體運維,全面管控 

    隨著分布式系統概念的逐步興起,各廠家都開始加大分布式系統的研發及投入。但是由于業內廠家的技術背景以及對分布式系統的理解各不相同,導致大家采用了不同的分布式架構。小鳥君覺得當前行業內有以下三種主流的分布式形態:

    1、深壓縮分布式系統

 

    深壓縮分布式系統顧名思義,是將視頻信號進行深度壓縮,實現矩陣、拼接、坐席、管控等功能。一般業內廠家采用的都是H.264/H.265的壓縮算法。由于深壓縮算法的壓縮原理,導致其優點和缺點都非常明顯。

    深壓縮分布式系統的優點

    網絡帶寬占用低

    深壓縮算法將一路1080P視頻信號(3G帶寬),壓縮為一路網絡信號,通常為2M-50M帶寬,因此對網絡傳輸帶寬要求較低,在廣域傳輸、跨網傳輸情況下有非常明顯的優勢。

    標準化協議對接

    采用標準的H.264/H.265傳輸協議,可以實現標準網絡視頻輸入,例如網絡攝像頭和各種解碼平臺。并且可以簡單的通過瀏覽器或者軟件實現可視化的預監和回顯功能。

    系統功能完善

    深壓縮采用的H.264/H.265編解碼技術,都是來自于1997年ISO(國際標準化組織)和ITU(國際電信聯盟)兩個組織共同提出的新一代數字視頻壓縮格式。發展歷史悠久,經過監控和安防行業的推進,有完整的解決方案。

    深壓縮分布式系統的缺點

    YUV420采樣導致圖像損失較大

    我國行業內絕大多數的深壓縮分布式廠家,都是以華為海思編解碼芯片為核心器件,進行二次開發而來。但是由于海思芯片對視頻采樣都是YUV4:2:0的采樣形式,這就導致了行業內的深壓縮分布式系統的視頻色彩空間不足。此弊病在自然圖像的視頻下不明顯,但是在文字圖像和不同的底色情況下,顯示的尤為明顯。

    高壓縮比導致畫面質量損失較大

    由于深壓縮算法的壓縮比可以達到50-150倍,所以高壓縮比帶來的必定是畫質的降低。這一點不論是從香農定理還是信息論基本原理來講,都是必然的,雖然可以通過各種算法降低畫面損失,但是仍然無法達到視覺無損的顯示效果。只能盡量通過降低壓縮比,提高傳輸帶寬,才能達到更好的視頻效果。

    幀間壓縮算法導致延遲較大

    由于H.264/H.265采用的大都是幀間壓縮算法,這種算法在編碼和解碼時會引入2-3幀的畫面延遲,總共會引入4-6幀的延遲,雖然在視頻顯示的時候可以接受,但是如果在KVM應用下,則會讓用戶感覺到比較明顯的遲滯感,降低客戶使用的滿意度。

    單播分布式通信導致拼接大屏同步性差

    由于深壓縮分布式系統,一般采用的是單播通信,因此畫面在實現多屏顯示的時候,發送端需要將視頻一個接一個的發出去,加之解碼端沒有同步機制,畫面會出現不同步和較為明顯的撕裂現象。

    小鳥B系列深壓縮分布式優勢

    小鳥科技從2015年開始,就推出了AVCNet-B系列分布式產品,實現多系統間的互聯互通。2019年推出的新一代B系列深壓縮分布式系統,針對上述深壓縮分布式的缺點,都進行有針對性的系統優化,通過FPGA+DSP的全新架構,彌補了深壓縮分布式的缺點:

    YUV4:4:4采樣及傳輸

    采用FPGA+DSP的底層架構,實現視頻信號的YUV4:4:4采樣,并且通過自主知識產權的增強編碼傳輸的方式,實現YUV4:4:4畫面的有效傳輸及解碼,最終得到低帶寬高畫質的顯示效果。

    AI碼流自適應技術

    采用獨創的AI碼流自適應技術,根據網絡情況和屏幕顯示需求,自動匹配最適合的碼流,在實際有效帶寬的情況下,可以得到最優質的視頻顯示效果和延遲效果。

    全網同步算法

    通過小鳥自主知識產權的全網同步算法,可以實現所有輸入輸出視頻的全網同步,加上系統支持組播建網模式,可以進一步提高拼接的同步性,多屏顯示的時候同步性也可以達到納秒級別,可以和集中式設備的同步性相媲美。

    2、淺壓縮分布式系統

    淺壓縮分布式是針對深壓縮分布式而言,采用淺壓縮算法,例如VC-2/JPEG等視頻壓縮算法。淺壓縮信號可以通過千兆網進行傳輸,并且最大限度的使用千兆網的帶寬資源。同樣的淺壓縮分布式系統也有其優缺點:

    淺壓縮分布式系統的優點

    視覺無損的壓縮算法

    淺壓縮算法將一路1080P視頻信號(3G帶寬),壓縮為一路網絡信號,通常為300M-900M帶寬,采用YUV4:4:4的采樣形式;視頻壓縮率低,畫質較深壓縮有非常明顯的優勢。

    超低的視頻延遲

    淺壓縮算法的壓縮算法比較多,最優秀的視頻壓縮算法,是將視頻按照每行的畫面進行壓縮,并馬上傳輸后解壓縮,因此一般淺壓縮算法的延遲,不超過一幀,按照1080P分辨率而言,延遲在微秒級別,已經完全感覺不到分布式系統引入的延遲。

    完美的拼接同步性

    由于采用組播傳輸模式,加上網絡的全互通部署,所以每一路視頻信號都有其獨立的傳輸通道。加上全網同步技術,不論大屏顯示還是單屏顯示,都可以達到納秒級的同步。

    協議私密,安全性高

    國內做淺壓縮分布式的廠家,大都采用各自的私有協議;或者在標準壓縮格式的基礎上進行改造。基本沒有標準的編解碼協議,這就意味著即使視頻碼流被截取,也無法恢復出原始視頻。提高了視頻傳輸的安全性。

    淺壓縮分布式系統的缺點

    交換機帶寬壓力大

    由于一路1080P信號就要占用幾百兆的網絡帶寬,因此對于交換機的數據吞吐量提出非常高的要求。并且無損分布式系統一定要和對應的接入交換機、匯聚交換機、核心交換機進行深入的適配,才能達到最優的網絡傳輸效果。

    無法實現域間視頻互通

    由于淺壓縮碼流占用帶寬很大,因此在跨域傳輸的時候,無法承載這么大的網絡壓力;因此無法單獨實現域間傳輸。一般需要將網絡信號轉化為標準的電信號,再通過其他設備進行深壓縮,以實現跨域傳輸。 

    小鳥H系列淺壓縮分布式優勢

    據投影時代了解小鳥科技早在2015年就開始投入研發力量進行無損算法的技術預研,以國際領先的VC-2的壓縮算法為基礎,加入自身對算法的實現和改進,于2016年推出國內首款無損分布式系統AVCNet-H系列產品。2017/2018年InfoComm展會上,受主辦方邀請,小鳥科技創始人李厚鵬先生就針對無損分布式系統做了精彩的分享。

    小鳥科技的AVCNet-H系列無損分布式產品,以其卓越的視頻壓縮算法和全套的解決方案,一經推出就成為業界翹楚,應用于多個超大型項目中,將分布式系統解決方案推到了行業的風口浪尖。并且經過多個大型項目的歷練,AVCNet-H無損分布式系統已經非常成熟穩定,具備上邊提到的所有優點,并且通過自身的不斷努力以及對客戶的進一步了解,解決了傳統無損分布式系統的缺點,形成完整的解決方案:

    與交換機廠家協作形成標準方案

    由于淺壓縮系統對網絡帶寬占用的特殊性,最初主流的交換機廠家都無法滿足網絡需求。小鳥科技和華為、華三、銳捷等交換機廠家,通過長時間的研發交流,最終明確需求,和主流交換機廠家形成了完整的解決方案。針對小、中、大、超大型項目,都有完整的解決方案,有效地降低無損分布式系統的部署難度。

    雙碼流模式轉換器

    針對淺壓縮分布式系統不易實現跨域傳輸,碼流格式不標準的缺點,自主研發雙碼流模式轉化器,可以通過一個設備實現淺壓縮碼流和深壓縮碼流的格式轉換。既可以降低帶寬實現跨域傳輸,也可以形成標準的H.264/265碼流,進行預監回顯和錄播回放等功能。

    3、雙碼流分布式系統

 

    顧名思義,雙碼流分布式系統是集合了深壓縮分布式和淺壓縮分布式的特性。但是雙碼流系統絕不是將兩種制式簡單的放在一起,進行簡單的雙系統并行傳輸。而是將兩種制式的系統相互融合,形成更完善的解決方案。小鳥科技創始人李厚鵬先生,在2019年InfoComm展會上,就針對雙流分布式產品進行詳細的闡述。(相關鏈接:分布式即是產品為核心的Service、Solution、Support)

    小鳥科技的AVCNet-T系列產品,是小鳥最新的雙流分布式產品,具有以下一些卓越特性:

    域內無損的視頻傳輸

    高達4K@60,YUV4:4:4的視覺無損傳輸系統

    超低的分布式延遲

    逐行壓縮算法,傳輸延遲可達微秒級

    拼接大屏畫面完美同步

    大屏拼接納秒級同步

    完善的音視頻解決方案

    矩陣交換、大屏拼接、坐席管控、可視化操控

    卓越的坐席管控功能

    鼠標滑屏,OSD級鼠標操作、OSD級預監、席位互動及大屏聯控等

    完美BS端可視化操控

    可視化操控,多系統聯控,第三方設備控制等

    全系統可視化運維管控

    對整個分布式系統的集中運維管理,以及第三方設備的狀態監測

    當然除了上述三種主流的分布式系統之外,還有一些比較小眾的分布式系統,由于各種原因,還未成為業內主流系統,因此在這里不進行詳細介紹。對于這三種主流的方案,我們不認為是三代產品,而是針對不同用戶需求的三種技術解決方案,并不存在前后代際關系。只有深刻理解用戶需求,設計最優化的方案,才是真正的解決用戶痛點。

    (四)分布式系統的的未來 

    隨著近幾年業內對分布式系統的追捧,分布式系統已經成為專業視聽行業內公認的未來;相信隨著時間的推移,分布式音視頻系統將會成為音視頻解決方案的首選。

    同時,越來越多的客戶在選擇分布式,也一定會對分布式產品的穩定性、可靠性、易用性、顯示效果等方面提出更高的要求。在分布式系統高速發展的過程中,誰能做到全系統的分布式解決方案、誰能夠緊跟客戶需求、誰能更準確地解決客戶痛點,做到真正的以客戶為核心;誰才能在分布式系統的浪潮中拔得頭籌,成為分布式系統真正的第一品牌。

    相信專業視聽的這一方江湖,必定會因為分布式系統的興盛,引來一場血雨腥風。欲知江湖后事如何,各位請聽下回分解。

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