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多功能教堂音视频系统设计与实现
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内容提示：依据智能建筑弱电工程的系统组成原理,结合某基督教堂的具体结构及业主对弱电工程的具体要求,对教堂的综合布线、视频音频的广播、录音录像、闭路电视监控等系统进行了设计与实施,结果表明,各个系统性能指标基本达到设计要求。
1 引言
20世纪 80 年代世界上第一座智能大厦诞生以来，随着现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术、和现代图形显示技术即 4C 技术的历史性突破，智能建筑发展势头十分迅猛，遍布于世界各地，不断崛起，成为现代化城市的重要标志。 智能建筑是建筑发展的高级阶段，它以建筑为平台，兼备办公自动化及通信网络系统，集服务、管理于一身，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境[1]。（参考《建筑中文网》）
在国内， 基督教徒数正以较快的速度在各地增长，教堂已经成为城市建筑中一个不可缺少的部分，现代教堂已经不啻是人们进行宗教活动的圣地， 具有多种社会功能：（1）是进行社区或社交活动的重要场所；（2）是开展业余教育的重要渠道；（3）是人们娱乐的必去之地；（4）是进行慈善活动的主要地点。 总而言之，现代教堂在现代社会生活中发挥着日益重要的作用，因此对教堂的智能化设计是完善上述功能的重要部分。
笔者根据某教堂业主的要求， 对某教堂进行了智能化设计并加以实施。 为了适应现代基督教堂和信徒们的需要，根据教堂实体建筑的特征，设计了该教堂的部分弱电工程，包括综合布线、视音频广播、录音录像、视频监控和视频会议等系统。 从具体设计方案上，把握的原则是：技术上先进实用，经济上合理，同时需考虑智能建筑各系统的可兼容性和扩展性。
2 设计方案
该基督教堂占地面积为 256.5 m2， 建筑面积为1 026 m2，教堂共 4 层，其中一、二楼为复式连通的多功能会厅，三楼为牧师休息室和办公室，四楼为设有舞台的多功能会厅。 设计可分为 5 个部分：（1）综合布线系统 （Generic Cabling System，GCS）；（2） 广播音响系统；（3）视、音频录制系统；（4）视频监控系统；（5）视频会议系统。
2.1 综合布线系统
综合布线系统 （GCS） 是智能建筑的重要组成部分， 是智能化建筑具有各种智能和自动控制功能的基础和前提， 它的质量直接决定了整个智能化系统的性能。 因此，对于智能化建筑来说，无论是商业的智能化商厦/写字楼、政府的智能化办公楼、工厂的智能化厂房，还是居住的智能化民宅，综合布线系统在整个智能化工程中都起着举足轻重的作用[2]。
设计以智能建筑的现时和计划需求为依据，同时考虑它的兼容性、开放性、灵活性、可靠性、先进性和经济性。在此设计中笔者把视频音频传输线和控制线做了整体的布置，结构清晰，便于管理和维护。 根据工程现场环境一、二、三楼使用先走天花板吊顶后入管进墙体的布线方式，四楼用先走地板再入管进墙体的布线方式。 从具体技术实施角度上，布线使用的硬质塑料（PVC）管、线槽及其附件为阴烯材料制成，在管道的管口和管子连接处，均作密封处理。 导线敷设过程中，不断进行对线并加以区分标记。 线缆入墙体若与强电电缆平行，保证最少 15 cm 的距离；与强电电缆交叉，交叉处成 90°角，能有效减少干扰。
线缆通过控制室至楼层的各信息终端， 其接口由标准音/视频输出接口（RCA）终端插口组成，接头一律焊接，接触良好，保证电压降指标及对地电压符合设计要求。
设备间设在一楼西北侧，处于干线的正下方，面积为 10.5 m2，便于设备的接地和安装，方便仪器的出入，无明显电磁干扰， 便于管理人员的根据会场情况适时调整设备。 设备间由不间断电源（UPS）、主控计算机、分配器、切换器、无线传声器接收器、调音台、功放等设备组成。 其主要功能为： （1）统一供给摄像机、监视器、录像机及其他设备所需的电源，并由设备间操作通断。（2）输出各种遥控信号，对摄像机等前端设备的各种动作进行控制，包括遥控镜头的焦距、聚焦、光圈、云台的水平、垂直方向动作，摄像机的电源等。 （3）音视频文件的后期制作及保存。 （4） 提供充足的接口进行扩展。
2.2 广播音响系统
当今现代化的建筑向大型化、 综合化方向快速发展，建筑物的广播系统管理工作程序变得越来越复杂，对该系统的可靠性要求也越来越高， 传统的单一广播系统已不能满足现代化管理的需要。
本教堂广播音响系统，具有两个主要功能，即播放背景音乐和提供两会场舞台音响。 平时当需要背景音乐时切换相应回路，利用 PC 机播放背景音乐；当两个会场其中某一个单独工作或两会场同时需要独立工作时，切换相应回路使其工作在独立的舞台音响状态。 系统将教堂划分为 3 个逻辑分区（即一、二楼复式连通会场区，三楼及走廊公共区四楼舞台会场区），两会场区平面结构如图 1 所示。
为使公共区域声效满足背景音乐要求及 2 个会场音响效果达到舞台音响声效的效果， 本广播音响系统从结构、艺术、声学等方面进行了细致的分析和设计。系统结构图如图 2 所示，结构上力求简单，方便切换及维护，利于音乐的播放和调试。 从艺术方面考虑，根据教堂建筑结构在教堂前厅走廊、 卫生间及公共区域选用造型好、频响及声压指标高的吸顶扬声器。在两会场东西两侧对称安装了两对与教堂内饰风格相近的壁挂式音箱，不破坏教堂风格。 从声学方面考虑，由于一、四楼会场均为南北中心轴对称， 故音箱摆放也为南北中心轴对称；功放和音箱的选择参照了功率匹配、功率储备量匹配、阻抗匹配、阻尼系数匹配的原则，能很好的提供理想、和谐及对称的音场。
由于无线传声器接收器设在一楼设备间， 传声器在四楼会场使用时需要穿越楼层， 在选择无线传声器时，必须选择发射功率较大、穿透能力较强的传声器。因此选用了发射功率为 10 mW，使用 UH F800 Hz 频段的传声器。 配合采用多级放大具有极高灵敏度，频率响应范围宽失真度低的接收器， 保证一楼及四楼会场传声器同样的接收效果。
2.3 录音录像系统
随着人民生活水平的提高，犹如圣诞节、复活节等各种基督教节日教堂活动日益丰富多彩。 教堂管理需要保存一些重要活动的音像资料， 教徒们也要求保存住活动表演的音像画面。为此设计了此录音录像系统，系统结构如图 3 所示。
一、 四楼主摄像机作为系统视频采集前端部分，一、四楼传声器作为系统音频采集前端部分，四路音视频采集卡加上 PC 机作为系统录制主机部分。 系统对一、 二楼复式会场和四楼舞台会场的音视频信号进行同步压缩录制及实时回放。
两会场主摄像机均为具有 16 倍光学变焦，智能自动白平衡和自动聚焦，480 线全天候彩色摄像机。 分别安装于一、四楼天花板中部，通过云台的巡视，拍摄会场的内部全貌。 采集卡视频压缩参考 H.264/MPEG-4压缩算法标准， 文件占据很小的数据量有利于长时间的录制和减少光盘刻录的时间。 音视频流压缩都是通过硬件完成，由采集卡直接传送到内存，互不干扰，无需主机 CPU 介入操作， 最大限度节省主机 CPU 资源，极高保证了录音录像系统的稳定性和可靠性。
2.4 视频监控系统
闭路电视监控系统正处在模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段[3]，本闭路监控系统是基于 PC 的视频监控系统由前端图像采集、图像传输、主控制及显示设备 4 部分组成，结构图如图 4 所示， 前端图像采集部分主要由负责会场主画面的高品质一体球机及负责监控的加广角镜头的监控摄像机组组成；图像信号为有线传输；主控制系统是信息处理和控制的中心， 主要由装有视频采集卡及安装其应用软件的微机、切换器、分配器组成，显示设备由 PC 机显示器和分布在教堂内部的液晶彩色显示器组成。
根据建筑平面图和认真的实地勘测， 分别在大门入口，各个楼梯层以及一、二楼复式多功能会场，四楼多功能会场，利用铝合金支架固定枪型监控摄像机。 利用最少的摄像机满足对教堂内部状况的全面监控，保证教堂人员和设备的安全。
视频传输采用抗干扰高屏蔽同轴电缆， 控制信号传输采用带屏蔽专用控制电缆， 保证视频信号和控制信号的准确传输。 由于传输距离较近无须视频放大器。基于 PC 的视频监控录像系统的组成结构为：摄像机+PC 机+视频采集卡+应用软件， 相对于传统录像监控系统而言加视频采集卡的 PC 机在图像录制和运维方面具备以下优势：（1） 采用了 H.2634/MPEG4 图像压缩技术，数据文件更小，连续录像时间更长。 （2） 对于图像切换、系统检索、现场设备的遥控均可通过鼠标来实现。 （3） 除手动操作外，系统可自动进行图像切换、定时录像、多程序切换设置、语音同步切换、自动定时定点布防和撤防、识别报警头的好坏、自动巡回监测等功能。 （4） 任意图像均可作为标准的微机文件，文件可通过许多方式（电子邮件、移动硬盘、电话网、局域网、互联网等）发送。 （5） 运用微软 windows 下的一个监控软件，因此可获得许多 windows 应用软件的支持，特别是在图像处理及图像信息传播等方面。
20世纪 80 年代世界上第一座智能大厦诞生以来，随着现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术、和现代图形显示技术即 4C 技术的历史性突破，智能建筑发展势头十分迅猛，遍布于世界各地，不断崛起，成为现代化城市的重要标志。 智能建筑是建筑发展的高级阶段，它以建筑为平台，兼备办公自动化及通信网络系统，集服务、管理于一身，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境[1]。（参考《建筑中文网》）
在国内， 基督教徒数正以较快的速度在各地增长，教堂已经成为城市建筑中一个不可缺少的部分，现代教堂已经不啻是人们进行宗教活动的圣地， 具有多种社会功能：（1）是进行社区或社交活动的重要场所；（2）是开展业余教育的重要渠道；（3）是人们娱乐的必去之地；（4）是进行慈善活动的主要地点。 总而言之，现代教堂在现代社会生活中发挥着日益重要的作用，因此对教堂的智能化设计是完善上述功能的重要部分。
笔者根据某教堂业主的要求， 对某教堂进行了智能化设计并加以实施。 为了适应现代基督教堂和信徒们的需要，根据教堂实体建筑的特征，设计了该教堂的部分弱电工程，包括综合布线、视音频广播、录音录像、视频监控和视频会议等系统。 从具体设计方案上，把握的原则是：技术上先进实用，经济上合理，同时需考虑智能建筑各系统的可兼容性和扩展性。
2 设计方案
该基督教堂占地面积为 256.5 m2， 建筑面积为1 026 m2，教堂共 4 层，其中一、二楼为复式连通的多功能会厅，三楼为牧师休息室和办公室，四楼为设有舞台的多功能会厅。 设计可分为 5 个部分：（1）综合布线系统 （Generic Cabling System，GCS）；（2） 广播音响系统；（3）视、音频录制系统；（4）视频监控系统；（5）视频会议系统。
2.1 综合布线系统
综合布线系统 （GCS） 是智能建筑的重要组成部分， 是智能化建筑具有各种智能和自动控制功能的基础和前提， 它的质量直接决定了整个智能化系统的性能。 因此，对于智能化建筑来说，无论是商业的智能化商厦/写字楼、政府的智能化办公楼、工厂的智能化厂房，还是居住的智能化民宅，综合布线系统在整个智能化工程中都起着举足轻重的作用[2]。
设计以智能建筑的现时和计划需求为依据，同时考虑它的兼容性、开放性、灵活性、可靠性、先进性和经济性。在此设计中笔者把视频音频传输线和控制线做了整体的布置，结构清晰，便于管理和维护。 根据工程现场环境一、二、三楼使用先走天花板吊顶后入管进墙体的布线方式，四楼用先走地板再入管进墙体的布线方式。 从具体技术实施角度上，布线使用的硬质塑料（PVC）管、线槽及其附件为阴烯材料制成，在管道的管口和管子连接处，均作密封处理。 导线敷设过程中，不断进行对线并加以区分标记。 线缆入墙体若与强电电缆平行，保证最少 15 cm 的距离；与强电电缆交叉，交叉处成 90°角，能有效减少干扰。
线缆通过控制室至楼层的各信息终端， 其接口由标准音/视频输出接口（RCA）终端插口组成，接头一律焊接，接触良好，保证电压降指标及对地电压符合设计要求。
设备间设在一楼西北侧，处于干线的正下方，面积为 10.5 m2，便于设备的接地和安装，方便仪器的出入，无明显电磁干扰， 便于管理人员的根据会场情况适时调整设备。 设备间由不间断电源（UPS）、主控计算机、分配器、切换器、无线传声器接收器、调音台、功放等设备组成。 其主要功能为： （1）统一供给摄像机、监视器、录像机及其他设备所需的电源，并由设备间操作通断。（2）输出各种遥控信号，对摄像机等前端设备的各种动作进行控制，包括遥控镜头的焦距、聚焦、光圈、云台的水平、垂直方向动作，摄像机的电源等。 （3）音视频文件的后期制作及保存。 （4） 提供充足的接口进行扩展。
2.2 广播音响系统
当今现代化的建筑向大型化、 综合化方向快速发展，建筑物的广播系统管理工作程序变得越来越复杂，对该系统的可靠性要求也越来越高， 传统的单一广播系统已不能满足现代化管理的需要。
本教堂广播音响系统，具有两个主要功能，即播放背景音乐和提供两会场舞台音响。 平时当需要背景音乐时切换相应回路，利用 PC 机播放背景音乐；当两个会场其中某一个单独工作或两会场同时需要独立工作时，切换相应回路使其工作在独立的舞台音响状态。 系统将教堂划分为 3 个逻辑分区（即一、二楼复式连通会场区，三楼及走廊公共区四楼舞台会场区），两会场区平面结构如图 1 所示。
为使公共区域声效满足背景音乐要求及 2 个会场音响效果达到舞台音响声效的效果， 本广播音响系统从结构、艺术、声学等方面进行了细致的分析和设计。系统结构图如图 2 所示，结构上力求简单，方便切换及维护，利于音乐的播放和调试。 从艺术方面考虑，根据教堂建筑结构在教堂前厅走廊、 卫生间及公共区域选用造型好、频响及声压指标高的吸顶扬声器。在两会场东西两侧对称安装了两对与教堂内饰风格相近的壁挂式音箱，不破坏教堂风格。 从声学方面考虑，由于一、四楼会场均为南北中心轴对称， 故音箱摆放也为南北中心轴对称；功放和音箱的选择参照了功率匹配、功率储备量匹配、阻抗匹配、阻尼系数匹配的原则，能很好的提供理想、和谐及对称的音场。
由于无线传声器接收器设在一楼设备间， 传声器在四楼会场使用时需要穿越楼层， 在选择无线传声器时，必须选择发射功率较大、穿透能力较强的传声器。因此选用了发射功率为 10 mW，使用 UH F800 Hz 频段的传声器。 配合采用多级放大具有极高灵敏度，频率响应范围宽失真度低的接收器， 保证一楼及四楼会场传声器同样的接收效果。
2.3 录音录像系统
随着人民生活水平的提高，犹如圣诞节、复活节等各种基督教节日教堂活动日益丰富多彩。 教堂管理需要保存一些重要活动的音像资料， 教徒们也要求保存住活动表演的音像画面。为此设计了此录音录像系统，系统结构如图 3 所示。
一、 四楼主摄像机作为系统视频采集前端部分，一、四楼传声器作为系统音频采集前端部分，四路音视频采集卡加上 PC 机作为系统录制主机部分。 系统对一、 二楼复式会场和四楼舞台会场的音视频信号进行同步压缩录制及实时回放。
两会场主摄像机均为具有 16 倍光学变焦，智能自动白平衡和自动聚焦，480 线全天候彩色摄像机。 分别安装于一、四楼天花板中部，通过云台的巡视，拍摄会场的内部全貌。 采集卡视频压缩参考 H.264/MPEG-4压缩算法标准， 文件占据很小的数据量有利于长时间的录制和减少光盘刻录的时间。 音视频流压缩都是通过硬件完成，由采集卡直接传送到内存，互不干扰，无需主机 CPU 介入操作， 最大限度节省主机 CPU 资源，极高保证了录音录像系统的稳定性和可靠性。
2.4 视频监控系统
闭路电视监控系统正处在模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段[3]，本闭路监控系统是基于 PC 的视频监控系统由前端图像采集、图像传输、主控制及显示设备 4 部分组成，结构图如图 4 所示， 前端图像采集部分主要由负责会场主画面的高品质一体球机及负责监控的加广角镜头的监控摄像机组组成；图像信号为有线传输；主控制系统是信息处理和控制的中心， 主要由装有视频采集卡及安装其应用软件的微机、切换器、分配器组成，显示设备由 PC 机显示器和分布在教堂内部的液晶彩色显示器组成。
根据建筑平面图和认真的实地勘测， 分别在大门入口，各个楼梯层以及一、二楼复式多功能会场，四楼多功能会场，利用铝合金支架固定枪型监控摄像机。 利用最少的摄像机满足对教堂内部状况的全面监控，保证教堂人员和设备的安全。
视频传输采用抗干扰高屏蔽同轴电缆， 控制信号传输采用带屏蔽专用控制电缆， 保证视频信号和控制信号的准确传输。 由于传输距离较近无须视频放大器。基于 PC 的视频监控录像系统的组成结构为：摄像机+PC 机+视频采集卡+应用软件， 相对于传统录像监控系统而言加视频采集卡的 PC 机在图像录制和运维方面具备以下优势：（1） 采用了 H.2634/MPEG4 图像压缩技术，数据文件更小，连续录像时间更长。 （2） 对于图像切换、系统检索、现场设备的遥控均可通过鼠标来实现。 （3） 除手动操作外，系统可自动进行图像切换、定时录像、多程序切换设置、语音同步切换、自动定时定点布防和撤防、识别报警头的好坏、自动巡回监测等功能。 （4） 任意图像均可作为标准的微机文件，文件可通过许多方式（电子邮件、移动硬盘、电话网、局域网、互联网等）发送。 （5） 运用微软 windows 下的一个监控软件，因此可获得许多 windows 应用软件的支持，特别是在图像处理及图像信息传播等方面。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201101/14673.htm
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