ПРОГРАММИРОВАНИЕ, 2014, No 4, с. 55-63
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА
УДК 681.3.06
ПОСТРОЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЁННОЙ МУЛЬТИМЕДИЙНОЙ
ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЫ С МНОГОКАНАЛЬНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИЕЙ МЕДИАДАННЫХ НА ГРАФИЧЕСКИХ
АКСЕЛЕРАТОРАХ
© 2014 г. Б.Б. Морозов, Б.С. Долговесов, Б.С. Мазурок, М.А. Городилов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН 630090 г. Новосибирск, пр-т. Академика Коптюга, 1 E-mail: bsd@iae.nsk.su Поступила в редакцию 17.01.2014
В работе рассмотрен подход для построения многопользовательских систем отображения мультимедийных данных, основанный на использовании сжатых цифровых данных для удалённой передачи в универсальных сетевых средах в сочетании с локальной коммутацией несжатых данных непосредственно на событийных площадках (ситуационных центрах, учебных кабинетах, операционных и др.). Данное решение обеспечивает простую процедуру реконфигурирования исполнительской структуры системы и средств ввода и отображения данных.
1. ВВЕДЕНИЕ
Насущная потребность в техническом переоснащении отчётливо проявляется в сфере приложения разнородных систем реального времени в таких предметных областях: системы управления и принятия решений, ситуационное моделирование, мониторинг и управление технологическими процессами, обучающие и тренажёрные системы. Мировая и отечественная практика показывает, что практически любое инновационное техническое решение в этих областях требует проработки новых подходов к построению систем, что ведёт к быстрой эволюции и устареванию стандартов. Быстрый рост потребностей и научно-технологической базы в сфере приложения разнородных систем реального времени для многоканальной визуализации мультимедийных данных обуславливает постепенный переход от частных решений к универсальным подходам, в частности, созданию специфических коммуникативных сред для многих предметных областей. Это требует развития как собственно предметного инструментария, так и общих подходов к обработке данных и коммуникации. В частности, развитие современных средств обработки и пере-
дачи мультимедийных данных позволяет перейти к новым технологическим решениям для организации многоканального ввода и демонстрации аудиовизуальных данных с помощью специализированных систем управления, ввода, мониторинга входных данных, коммутации, и вещания.
2. СРАВНИТЕЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ РЕШЕНИЙ
Конкретными задачами для многоканальной визуализации распределенных мультимедийных данных в реальном времени являются программно-аппаратные решения подготовки и ввода разнотипных многопотоковых данных в распределённую мультимедийную виртуальную среду (РМВС) с соответствующей дальнейшей обработкой и отображением.
Конкретными задачами для многоканальной визуализации распределенных мультимедийных данных в реальном времени являются программно-аппаратные решения подготовки и ввода разнотипных многопотоковых данных в распределённую мультимедийную виртуальную
Рис. 1. Типовая архитектура системы визуализации на базе матричного коммутатора.
Рис. 2. Структура распределенной мультимедийной виртуальной среды. (Потоки медиаданпых обозначены сплошной стрелкой, штриховой - управление.)
среду (РМВС) с соответствующей дальнейшей обработкой и отображением.
2.1. Типовой подход
Существующие типовые решения для достаточно масштабных (например, многозальных) систем визуализации и мониторинга входных данных обычно строятся на основе типовых матричных коммутаторов [1] ^компрессированных сигналов и существенно уступают предлагаемым новым решениям как по техническим характеристикам (набору ограничений), так и по сложности инсталляции и обслуживания. Для таких
систем характерна жёсткая организация под решение конкретной задачи. Проблемными, с точки зрения реализации, являются такие функции, как переключение разноформатных источников данных без потери кадров видеоизображений; генерация мультиоконного отображения ("картинка - в картинке"); многоканальное превью - видео для удалённого управления; полиэкранное отображение (в частности, видеостены) и т.д. Реализация подобного функционального набора потребует применения самых дорогих моделей матричных коммутаторов с преобразованием форматов (и масштабированием) на
каждом канале в комбинации с рядом отдельных специализированных видеопроцессоров (многоканальных, полиэкранных и др.). Также большие технические и финансовые затраты необходимы для реализации системы интерфейсов управления средой, как централизованных, так и распределённых. Например, организация центральной аппаратной (удалённой) требует установки крайне дорогостоящих масштабных матричных коммутаторов для обеспечения доступа ко всем источникам и потребителям аудиовизуального контента одновременно с соответствующей многоканальной кабельной разводкой, особенно затратной для аналоговых систем. Фактически это "вырожденное" техническое решение, где вся "транспортная среда" сведена к одной центральной точке, которую обычно представляет соответствующий матричный коммутатор, а "распределённость" обеспечивается за счёт простого удлиннения связей точка-точка (элемент <- -> коммутатор). Реально получается архитектура типа "звезда". Такая архитектура не предполагает какой-либо работы с медиа-данными собственно в локальных расположениях (событийных площадках) и естественным образом тяготеет к концентрации всех средств управления и обработки в центральной аппаратной (рис. 1).
2.2. Основы предлагаемого подхода
Суть предложенного альтернативного подхода в оригинальном способе организации высокопроизводительной цифровой среды для обработки и передачи мультимедийных данных с иерархической сетевой архитектурой, распределённым управлением и функциональностью. Физически среда строится с использованием предлагаемого набора устройств ввода, коммутации и визуализации медийных данных (как стандартных, так и оригинальных) для широкого спектра форматов и источников (рис. 2). Функциональные компоненты (источники данных, приёмники, обработчики и управляющие элементы) могут размещаться локально в оперативных информационных залах. Сетевая транспортная среда должна обеспечивать связь между ними. Такая распределённая среда обеспечивает гибкое конфигурирование и возможность интерактивного управления процессами посредством подключения соответствующих контроллеров в любом доступном
месте среды. Обеспечивается высокая надёжность за счёт распределённой архитектуры, сохраняющей общую работоспособность при нарушении работы отдельных функциональных блоков.
Предлагаемый подход основан на использовании сжатых (компрессированных) цифровых данных для удалённой передачи в универсальных сетевых средах в комбинации с локальной коммутацией некомпрессированных сигналов непосредственно на событийных площадках (ситуационных центрах, учебных кабинетах, операционных и др.). Такие решения позволяют строить уровни иерархии источников и потребителей (в т.ч. мультиплексирование, уплотнение), что позволяет значительно снизить коммуникационные нагрузки по сравнению со схемой "каждый-с-каждым", характерной для систем на типовых матричных коммутаторах. Использование современных высокопроизводительных компьютерных платформ в сочетании с мощными графическими акселераторами позволяет производить в реальном времени произвольные преобразования форматов, микширование, наложение графики, генерацию из набора источников муль-тиоконных выходных потоков для полиэкранного отображения, в том числе отдельных превью-потоков для мониторинга и управления. В качестве основной физической среды передачи данных предлагается использовать сети Ethernet различной пропускной способности в зависимости от расчётных нагрузок и дистанций связи. Данные сети легко масштабируются в зависимости от числа входных источников данных и потребителей. Это решение кардинально уменьшает затраты на кабельную связь и её обслуживание по сравнению с типовой матричной коммутацией.
Можно выделить три основные функциональных задачи обработки сигналов для системы коммутации и мониторинга в РМВС:
• ввод медиаданных в среду;
•
вание виртуальных источников), как для системы управления, так и для формирования собственно вещаемого медиаконтента;
Рис. 3. Структурная схема микшера-коммутатора.
и выбранных меднаданных на доступных устройствах вывода.
Управление всеми функциями РМВС - отдельная задача специализированного программного обеспечения.
Микширование и коммутация (выбор из существующих источников и файлов, наложение графики, составление управляющих "превью-раскладок" или мозаик) в РМВС имеет целью генерацию виртуальных комбинированных источников для дальнейшего использования как для вещания, так и для управления. Такие функции осуществляются наиболее эффективно с ^компрессированными сигналами, обеспечивающими минимальные временные задержки при обработке и переключениях. Работа с компрессированными сигналами в данном случае приводит к потере качества изображения, высоким накладным расходам и дополнительным задержкам. Параллельно выполняется коммутация и микширование соответствующих звуковых
данных как в автоматическом режиме, так и с интерактивной настройкой. Современные системы для обработки звука обеспечивают необходимую производительность и могут быть интегрированы в РМВС. Например, специализированные конференционные системы в данном случае можно рассматривать, как отдельные внешние источники-приёмники меднаданных.
В рассматриваемом подходе узловым архитектурным решением является использование программно-аппаратных микшеров-коммутаторов (рис. 3) разного уровня для организации иерархии. Микшер-коммутатор на базе персонального компьютера, предназначенный для использования на локальном уровне, может использоваться одновременно для коммутации некомпрессированных сигналов на локальные устройства отображения (графические акселераторы с полиэкранным выводом) и для формирования виртуальных источников (в частности, "превью - раскладок"
Рис. 4. Пример интегрированного изображения с реальным участником событий, сформированного
системой "Виртуальный презентер".
для операторов) с последующей передачей во внешнюю среду компрессированных данных. В качестве некомпреееированных сиг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.