光端機(jī)視頻編碼傳輸技術(shù)的應(yīng)用與分析

一、光端機(jī)發(fā)展概述

眾所周知，視頻光端機(jī)從國(guó)外引進(jìn)到模仿制造，再到完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主創(chuàng)造，經(jīng)歷了從模擬技術(shù)到數(shù)字化技術(shù)過渡，實(shí)現(xiàn)了從功能單一到多業(yè)務(wù)綜合傳輸?shù)娘w躍，由少量使用到大規(guī)模應(yīng)用，視頻光端機(jī)伴隨著監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展一步步地走向成熟。

自2001年以來，隨著寬帶數(shù)字光傳輸器件技術(shù)以及數(shù)字視頻技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字視頻光端機(jī)開始走向市場(chǎng)并逐漸取代了模擬光端機(jī)市場(chǎng)，迎來了數(shù)字視頻光端機(jī)高速發(fā)展的時(shí)代，并呈現(xiàn)出技術(shù)成熟、性能優(yōu)越、應(yīng)用面廣、需求旺盛的局面。

近年來，隨著安防市場(chǎng)需求的變化，視頻光端機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品變革呈現(xiàn)出了更強(qiáng)的應(yīng)用性：（1）為適應(yīng)高速公路外場(chǎng)監(jiān)控的需要，級(jí)聯(lián)型鏈路式光端機(jī)取代傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)光端機(jī)大量應(yīng)用；（2）為了滿足公安三四級(jí)聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，單纖傳輸雙向視頻、音頻、數(shù)據(jù)、電話、E1、以太網(wǎng)等的多功能光端機(jī)應(yīng)運(yùn)而生；（3）隨著平安城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光纖資源緊缺的問題暴露出來，光端機(jī)廠家又及時(shí)推出了匯聚光端機(jī)產(chǎn)品。

目前，安防視頻光端機(jī)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的勢(shì)頭，其應(yīng)用也大幅增長(zhǎng)，核心編解碼技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)都有很大提高和創(chuàng)新，實(shí)際應(yīng)用中存在的技術(shù)瓶頸和問題都得到了很大的完善。本文重點(diǎn)從視頻光端機(jī)的編解碼技術(shù)、技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用情況等進(jìn)行分析探討。

二、光端機(jī)原理及編碼

光傳輸系統(tǒng)由三部分組成：光源（光發(fā)送機(jī)）、傳輸介質(zhì)、檢測(cè)器（光接收機(jī)）其中光源和檢測(cè)器的工作都是由光端機(jī)完成的。光端機(jī)就是將多個(gè)E1（一種中繼線路的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，通常速率為2.048MbPS，此標(biāo)準(zhǔn)為中國(guó)和歐洲采用）信號(hào)變成光信號(hào)并傳輸?shù)脑O(shè)備（它的作用主要就是實(shí)現(xiàn)電-光和光-電轉(zhuǎn)換）。光端機(jī)主要有模擬光端機(jī)和數(shù)字光端機(jī)兩種：

1．模擬光端機(jī)

模擬光端機(jī)采用了PFM調(diào)制技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸圖像信號(hào)，是目前使用較多的一種。發(fā)射端將模擬視頻信號(hào)先進(jìn)行PFM調(diào)制后（一般有調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅幾種方式，從而把模擬光端機(jī)分成調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅等幾種光端機(jī)），再進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換，光信號(hào)傳到接收端后，進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行PFM解調(diào)，恢復(fù)出視頻信號(hào)。由于采用了PFM調(diào)制技術(shù)，其傳輸距離很容易就能達(dá)到30Km左右，有些產(chǎn)品的傳輸距離可以達(dá)到60Km，甚至上百公里。并且，圖像信號(hào)經(jīng)過傳輸后失真很小，具有很高的信噪比和很小的非線性失真。通過使用波分復(fù)用技術(shù)，還可以在一根光纖上實(shí)現(xiàn)圖像和數(shù)據(jù)信號(hào)的雙向傳輸。

2．?dāng)?shù)字光端機(jī)

由于數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比在很多方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)；所以正如數(shù)字技術(shù)在許多領(lǐng)域取代了模擬技術(shù)一樣，光端機(jī)的數(shù)字化也是一種必然趨勢(shì)。目前，數(shù)字圖像光端機(jī)主要有兩種技術(shù)方式：一種是MPEGII圖像壓縮數(shù)字光端機(jī)，另一種是非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)。

圖像壓縮數(shù)字光端機(jī)一般采用MPEGII圖像壓縮技術(shù)，它能將活動(dòng)圖像壓縮成N×2Mbps的數(shù)據(jù)流通過標(biāo)準(zhǔn)電信通信接口傳輸或者直接通過光纖傳輸。由于采用了圖像壓縮技術(shù)，它能大大降低信號(hào)傳輸帶寬，以利于占用較少的資源就能傳送圖像信號(hào)。同時(shí)，由于采用了N×2Mbps的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以利用現(xiàn)有的電信傳輸設(shè)備的富裕通道傳輸監(jiān)控圖像，為工程應(yīng)用帶來了方便。不過，圖像壓縮數(shù)字光端機(jī)也有其固有的缺點(diǎn)。其致命的弱點(diǎn)就是不能保證圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。因?yàn)閳D像壓縮與解壓縮需要一定的時(shí)間，所以一般會(huì)對(duì)所傳輸?shù)膱D像產(chǎn)生1－2S的延時(shí)。因此，這種設(shè)備只適合用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)所，另外，經(jīng)過壓縮后圖像會(huì)產(chǎn)生一定的失真，并且這種光端機(jī)的價(jià)格也偏高。

非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)的原理就是將模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A／D變換后和語音、音頻、數(shù)據(jù)等信號(hào)進(jìn)行復(fù)接，再通過光纖傳輸。它用較高的數(shù)據(jù)速率來保證視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量和實(shí)時(shí)性，由于光纖的帶寬非常大，所以這種高數(shù)據(jù)速率也并沒有對(duì)傳輸通道提出過高要求。非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)能提供很好的圖像傳輸質(zhì)量（信噪比大于60dB，微分相位失真小于2，微分增益失真小于2％），達(dá)到了廣播級(jí)的傳輸質(zhì)量，并且圖像傳輸是全實(shí)時(shí)的。由于采用數(shù)字化技術(shù)，在設(shè)備中可以利用己經(jīng)很成熟的通信技術(shù)比如復(fù)接技術(shù)、光收發(fā)技術(shù)等，提高了設(shè)備的可靠性，也降低了成本。

三、光端機(jī)存在的問題及技術(shù)創(chuàng)新

當(dāng)前光端機(jī)遇到的瓶頸是如何更好地融入到網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用中去。因此，提供全面、系統(tǒng)的應(yīng)用解決方案，以及針對(duì)特定的應(yīng)用改進(jìn)產(chǎn)品和技術(shù)無疑是最佳的解決之道。

1．光纖數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

光纖數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)（VAM）集合了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化特點(diǎn)、非壓縮視頻的高質(zhì)量回質(zhì)優(yōu)勢(shì)以及壓縮視頻的應(yīng)用便利性，集傳輸、交換、存儲(chǔ)、分析、處理。應(yīng)用等眾多功能于一體，為用戶提供一個(gè)完整的視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)解決方案。

VAM系統(tǒng)有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）系統(tǒng)將非壓縮視頻和壓縮視頻同時(shí)封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，而以太網(wǎng)接口又是目前應(yīng)用最為廣范的通信接口形式，這樣只要能承載以太網(wǎng)傳輸和交換的系統(tǒng)都能作為VAM系統(tǒng)的傳輸和交換通道。（2）VAM系統(tǒng)內(nèi)傳輸和交換的內(nèi)容是非壓縮數(shù)字視頻，也就是說VAM系統(tǒng)能提供高質(zhì)量的圖像，保證監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)視頻的無失真、全實(shí)時(shí)要求。壓縮視頻也能在VAM系統(tǒng)內(nèi)與非壓縮視頻同時(shí)傳輸，突破了傳統(tǒng)視頻光端機(jī)的概念。VAM系統(tǒng)能根據(jù)用戶的需要提供4種碼流，需要大屏顯示的地方，VAM系統(tǒng)可提供128M的非壓縮視頻碼濟(jì)保證，一般的監(jiān)視器顯示VAM系統(tǒng)可以提供保證清晰度和實(shí)時(shí)性的SM碼流數(shù)字視頻，桌面瀏覽可提供2M壓縮視頻碼流，而存儲(chǔ)則可提供512K或2M碼流壓縮視頻，在滿足各種需求的同時(shí)具有相當(dāng)?shù)撵`活性。（3）在視頻信號(hào)的數(shù)字化方面；VAM系統(tǒng)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITUBT601、BT656對(duì)模擬視頻進(jìn)行數(shù)字化，而BT656數(shù)字視頻是壓縮編碼或視頻分析處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻碼流，所以，在數(shù)字化的過程中，VAM系統(tǒng)能向應(yīng)用系統(tǒng)提供最大限度地減少失真的視頻源。

2．VPON無源光網(wǎng)絡(luò)非壓縮數(shù)字視頻

VPON無源光網(wǎng)絡(luò)非壓縮數(shù)字視頻光端機(jī)也是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)品。它創(chuàng)造性地將PON技術(shù)應(yīng)用于非壓縮視頻的傳輸，帶來的好處是不僅節(jié)省光纖資源；同時(shí)也給非壓縮視頻的傳輸組網(wǎng)帶來了極大的靈活性。1個(gè)OLT可以接入8個(gè)ONU，每個(gè)ONU上可以接入1到3路非壓縮數(shù)字視頻，這8個(gè)ONU和OLT之間可以任意組網(wǎng)、鏈型、樹形、星型，給應(yīng)用帶來了極大的靈活性。

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)化和開放性能夠?qū)崿F(xiàn)與其他設(shè)備的互聯(lián)互通，并可以提供專業(yè)化的應(yīng)用產(chǎn)品。其中視頻編碼技術(shù)在這里扮演著重要角色，如視頻光端機(jī)通過以太網(wǎng)接口來傳輸視頻信號(hào)，數(shù)字視頻碼流采用BT656標(biāo)準(zhǔn)、壓縮編碼采用H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)等等，都在很大程度上保證了系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性。

四、光端機(jī)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用

由于光纖傳輸?shù)姆N種優(yōu)點(diǎn)，光端機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合非常廣泛。目前光端機(jī)應(yīng)用最多的方面就是長(zhǎng)距離視頻和數(shù)據(jù)的傳輸；在高速公路、銀行、電力、電信等監(jiān)控領(lǐng)域都要求對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程的傳輸，它是利用光端機(jī)將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)通過光纖進(jìn)行傳輸；并在遠(yuǎn)程視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、通訊等諸多領(lǐng)域都有很廣闊的應(yīng)用前景。

其中，視頻光端機(jī)在社會(huì)治安動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中得到充分的應(yīng)用。隨著“平安城市建設(shè)”、“3111試點(diǎn)工程”、“城市報(bào)警與監(jiān)控系統(tǒng)”等項(xiàng)目建設(shè)和推廣，視頻光端機(jī)在城市社會(huì)治安動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的作用。在一些大型的城市社會(huì)治安動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，為了保證視頻光端機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量，公安部門作為使用方對(duì)無端機(jī)產(chǎn)品以及其他重要設(shè)備實(shí)行單獨(dú)招標(biāo)。例如，2007年，青島市公安局對(duì)青島市社會(huì)治安動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)一期工程1000個(gè)監(jiān)控點(diǎn)使用的視頻光端機(jī)產(chǎn)品采用設(shè)備單獨(dú)招標(biāo)的方式，不僅保證了視頻光端機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，也降低了系統(tǒng)成本。

五、總結(jié)

視頻監(jiān)控產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展為視頻光端機(jī)帶來了黃金般的發(fā)展機(jī)遇。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，數(shù)字傳輸?shù)膽?yīng)用將會(huì)成為主流，模擬傳輸方式的產(chǎn)品還會(huì)存在，但可能會(huì)用來做一些短距離的傳輸。隨著日益加大的交通流量，對(duì)圖像、聲音和數(shù)據(jù)的綜合傳輸要求也會(huì)越來越高，數(shù)字光端機(jī)將會(huì)被業(yè)主們作為一種必需的設(shè)備而采用。與此同時(shí)，這幾年基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字壓縮視頻監(jiān)控產(chǎn)品也異軍突起，這兩類技術(shù)對(duì)市場(chǎng)的爭(zhēng)奪日趨激烈。因此，替代性的競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)是光端機(jī)繁榮背后的一片越來越重的陰影?？傮w而言，這兩類技術(shù)彼此都具有一定的不可替代性，雖然網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控產(chǎn)品對(duì)光端機(jī)市場(chǎng)的分流作用會(huì)將更加明顯，但是兩者長(zhǎng)期共存的局面也是業(yè)界的共識(shí)。