高清時(shí)代地鐵視頻監(jiān)控解決方案分析

　　高清時(shí)代來臨，高清數(shù)字圖像在圖像清晰度和細(xì)節(jié)方面也得到很大提升。監(jiān)控系統(tǒng)后端的圖像智能分析、圖像智能處理正需要這樣的高質(zhì)量圖像源。與高質(zhì)量的圖像源相對應(yīng)的是高傳輸碼流，傳輸非壓縮的1080p×60fps的高清圖像需要占用2.97Gbps的帶寬。對于一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，往往需要對多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)傳輸各個(gè)點(diǎn)的數(shù)字高清視頻時(shí)，帶寬占用非常大，基本無法傳輸。如何降低帶寬，各個(gè)制造商大都采用有損壓縮方法。比如采用H.264壓縮算法的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，使用100M網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳輸碼流為32K~4Mbps。這樣雖能大大降低高清圖像傳輸占用的帶寬，但是帶來的負(fù)面影響是：1、圖像質(zhì)量大大下降，圖像模糊，細(xì)節(jié)看不清，監(jiān)控系統(tǒng)后端圖像處理及分析能力也會大打折扣；2、傳輸圖像時(shí)延嚴(yán)重，圖像壓縮速度取決于編解碼系統(tǒng)速度和圖像大小，高清數(shù)字圖像壓縮需耗費(fèi)大量時(shí)間；網(wǎng)絡(luò)傳輸速度取決網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛶捛闆r，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)堵塞時(shí)，基本無法傳輸。對實(shí)時(shí)傳送已無意義。



　　要實(shí)現(xiàn)真正意義上的高清數(shù)字視頻監(jiān)控，必須傳輸無損高清數(shù)字視頻。本文以某地鐵的高清視頻傳輸為例，對于1080p的高清數(shù)字視頻無損傳輸解決方案做分析。



　　需求分析



　　在控制中心端，有大量高碼率的數(shù)據(jù)輸入輸出。發(fā)送給每個(gè)站點(diǎn)的高清1080p的高清數(shù)字多媒體，以及每個(gè)站點(diǎn)的8路高清數(shù)字?jǐn)z像頭傳入的高清監(jiān)控視頻圖像，都屬于高清數(shù)字信號。



　　在各個(gè)站點(diǎn)，接受并顯示控制中心傳輸來的高清數(shù)字多媒體信息。并傳回每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的高清數(shù)字視頻。



　　此地鐵系統(tǒng)共具有15個(gè)地鐵站點(diǎn)，每個(gè)地鐵站點(diǎn)8路高清圖像，共90路高清圖像。控制服務(wù)中心8臺高清監(jiān)視器(電視墻)，可同時(shí)觀看15個(gè)站90路高清圖像中的任意8路。



　　整體規(guī)劃



　　真正意義的高清監(jiān)控是非壓縮實(shí)時(shí)傳輸、無時(shí)延顯示高清圖像信號。整個(gè)環(huán)節(jié)都要保持高清數(shù)字指標(biāo)，因此對于各個(gè)環(huán)節(jié)的選擇有如下要求。



　　攝像機(jī)：傳統(tǒng)攝像機(jī)采用CMOS的感光芯片，經(jīng)過ISP處理，輸出模擬CVBS信號，不滿足高清要求。必須使用高清CMOS的圖像傳感器，輸出非壓縮高清數(shù)字信號，如SDI，HDMI等。可選擇不僅輸出SDI非壓縮高清數(shù)字信號，同時(shí)還具有原始圖像信息的 RVF(RawVideoFormats)非壓縮視頻格式的光接口輸出的百萬高清攝像機(jī)。



　　傳輸設(shè)備：高清數(shù)字視頻信號由于碼流很高，輸出距離受到很大局限，比如SDI信號，在保持信號完整性，最大不過100米。所以要求傳輸設(shè)備即要保持高清數(shù)字信號的無損傳輸，又要達(dá)到長距離的傳輸。采用傳輸碼流達(dá)3.125Gbps的數(shù)字光傳輸設(shè)備，在單芯單波長的光纖里能夠無損傳輸不小于40Km的距離。傳輸碼流達(dá)10Gbps的數(shù)字光傳輸設(shè)備，在單芯單波長的光纖里能夠無損傳輸不小于40Km的距離。



　　傳輸線纜：非壓縮高清數(shù)字圖像信號經(jīng)傳統(tǒng)同軸電纜，雙絞線等長距離傳送方式已不可能。所以傳輸線纜必須是光纜，一般8芯光纜基本能完成一般監(jiān)控系統(tǒng)的需要。



　　智能設(shè)備：如圖像識別等系統(tǒng)，應(yīng)具有高清圖像的輸入接口，能進(jìn)行高清視頻分析的能力。

傳輸難點(diǎn)及解決方案



　　存儲設(shè)備：如DVR，必須具有1路或者多路高清數(shù)字視頻輸入接口，具有壓縮存儲高清數(shù)字視頻功能，具有高清視頻的回放功能。



　　監(jiān)視設(shè)備：一般的監(jiān)控監(jiān)視器都不支持高清數(shù)字視頻，應(yīng)提升到完全支持1080p*60fps的高清格式顯示。



　　傳輸系統(tǒng)



　　所示，每一路攝像機(jī)采用百萬高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，輸出12bit、746.496Mbps的1080p非壓縮數(shù)字圖像。共傳輸90路高清數(shù)字視頻。帶寬為90×746.496Mbps=67.18464Gbps。鑒于控制中心最大能同時(shí)觀看8路高清數(shù)字視頻，所以不必要同時(shí)傳輸90路，只需同時(shí)傳輸8路就足夠了。各個(gè)站點(diǎn)本地實(shí)時(shí)存儲本站點(diǎn)的8路高清視頻。這樣帶寬就降低到8×746.496Mbps=5.971968Gbps。采用節(jié)點(diǎn)式環(huán)形網(wǎng)光傳輸，占用1-5芯光纖。



　　高清多媒體傳輸采用節(jié)點(diǎn)時(shí)光傳輸，傳輸?shù)氖?080p×60fps的多媒體圖像信息，故只需要2.97Gbps就足夠。占用1芯光纖。



　　其它上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)屬于低碼流數(shù)據(jù)，采用節(jié)點(diǎn)式環(huán)形網(wǎng)光傳輸，占用1-2芯光纖。因此，三方合起來一條8芯光纜就能滿足這個(gè)系統(tǒng)的要求。



　　傳輸難點(diǎn)及解決方案



　　HD-SDI攝像機(jī)輸出是高清數(shù)字非壓縮信號，當(dāng)HD-SDI攝像機(jī)推入市場時(shí)，就經(jīng)常出現(xiàn)“傳輸距離太短”的質(zhì)疑。如果采用 HDMI傳輸也只有幾十米，就算使用中繼放大也只能最多達(dá)100米，而且HDMI是3路數(shù)據(jù)傳輸，若傳輸距離長，就會出現(xiàn)3路數(shù)據(jù)不同步，引起重影、偏色等諸多問題。這種質(zhì)疑嚴(yán)重影響了工程商在監(jiān)控系統(tǒng)中采用HD-SDI攝像機(jī)的熱情。



　　因此，部分制造商放棄無壓縮高清監(jiān)控，降低監(jiān)控質(zhì)量，放棄實(shí)時(shí)性，而采用有損壓縮的百萬高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)傳輸；而另一部分則著重研究傳輸問題，除了開發(fā)3G-SDI的產(chǎn)品用傳輸速率來增加傳輸距離外，同時(shí)也在HD-TX芯片上以FPGA設(shè)計(jì)架構(gòu)采用無損壓縮技術(shù)降低帶寬，將距離增加到300米，同時(shí)也可藉由在同軸或UTP纜在線材質(zhì)上128/168/192編織上對高頻損失的優(yōu)劣條件選用，來降低線路上的損失及延長高清HD-SDI的信號傳輸距離。



　　目前最普遍的是，HD-SDI通過轉(zhuǎn)Fiber的光端機(jī)轉(zhuǎn)換為光纖電纜傳送，同時(shí)為了能滿足多路的HD-SDI信號的單向或雙向傳送，光端機(jī)也有以WDM/DWDM/CWDM等多波長分頻方式的傳輸，達(dá)成一路以上的HD-SDI光纖信號載送傳輸要求，這可以讓HD-SDI攝像機(jī)信號傳輸達(dá)到20-80公里。



　　由于傳輸?shù)氖欠菈嚎s高清數(shù)字視頻，一路1080p×60fps的高清數(shù)字視頻需占用2.97Gbps帶寬。光纖傳輸理論上傳輸帶寬沒有上限，但是傳輸處理單元，包括光模塊，收發(fā)器芯片等等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于光纖理論傳輸帶寬。如今的萬兆網(wǎng)的光纖傳輸帶寬也只是達(dá)到10Gbps，像這樣的 10Gbps帶寬也只能傳輸3路非壓縮高清數(shù)字視頻。

　　節(jié)點(diǎn)式環(huán)形高清數(shù)字傳輸特點(diǎn)



　　因此，必須在高清視頻源頭找解決方案。以無損降低高清數(shù)字視頻源碼流的方式來降低傳輸帶寬。碼流為2.97Gbps的1080p的高清視頻，若采用12Bit的RVF格式，碼流僅為746.496Mbps，大大降低帶寬。傳輸帶寬為 10Gbps的單芯光纖，可以傳輸10Gbps÷746.496Mbps=13路百萬高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的高清數(shù)字視頻。采用多芯單波長或者單芯多波長的光纜，即能完全滿足高清傳輸?shù)囊蟆?BR>


　　本文中的某地鐵高清傳輸案例，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：



　　采用單芯單波長光纖傳送多路RVF格式高清監(jiān)控視頻，解決了無損多路高清數(shù)字視頻監(jiān)控?zé)o法傳輸?shù)膯栴}。不僅降低布多條光纜的費(fèi)用。而且在現(xiàn)有的光纜基礎(chǔ)上輕松升級，實(shí)現(xiàn)真正的高清數(shù)字視頻監(jiān)控。



　　環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)的自愈功能，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)斷路時(shí)，光通路自動切換到另一種環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。增?qiáng)了系統(tǒng)的安全性。降低系統(tǒng)硬件的故障率。



　　各個(gè)站點(diǎn)采用高清數(shù)字視頻多業(yè)務(wù)交換平臺。平臺擁有8路10Gbps光傳輸通路，可動態(tài)插入和撤銷1-8路高清數(shù)字監(jiān)控視頻。1路高清數(shù)字視頻監(jiān)視，可監(jiān)視本地視頻，也可監(jiān)視光通道內(nèi)10Gbps高清數(shù)字視頻光傳輸流內(nèi)任意一路視頻。8路高清視頻存儲及回放，回放時(shí)，回放視頻插入 10Gbps高清數(shù)字視頻光傳輸流。下行數(shù)據(jù)流經(jīng)解包、分配到各個(gè)終端，各終端的上行數(shù)據(jù)流經(jīng)封包插入數(shù)據(jù)流中，上報(bào)給中心服務(wù)端。



　　此平臺屬于動態(tài)交換平臺，可隨時(shí)增加和減少監(jiān)控?cái)z像機(jī)的數(shù)量，可隨時(shí)增加和減少各種上下行數(shù)據(jù)，主機(jī)采用機(jī)箱插板式結(jié)構(gòu)，擴(kuò)容方便，可隨時(shí)在線動態(tài)增減板卡，不必讓系統(tǒng)下線。主機(jī)還備有1路高清視頻板卡，故障時(shí)會自動替換故障板卡。即保證了系統(tǒng)7×24小時(shí)在線，又提高了系統(tǒng)的安全性。