基于IP網(wǎng)絡(luò )的“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)
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一. 高速公路視頻監控的特點(diǎn)和現狀
高速公路視頻監控主要分兩種，一種設置于各互通區，對互通區交通流進(jìn)行監視；一種設置于各收費站，對收費業(yè)務(wù)進(jìn)行監視。根據各路的管理體制，互通區視頻一般直接上傳至各路的管理分中心，收費站視頻先上傳至各收費站監控機房，再與管理分中心之間設置一定路數的視頻傳輸通道，在管理分中心的控制下切換上傳。管理分中心還需在管理中心的控制下切換一定路數到管理中心。
目前，各高速公路之間相對比較獨立，視頻聯(lián)網(wǎng)監控尚未形成，視頻圖像多采用模擬或數字非壓縮的方式進(jìn)行傳輸，通過(guò)視頻切換矩陣進(jìn)行視頻的切換顯示和錄像。管理分中心采用視頻切換矩陣與各收費站的視頻切換矩陣級聯(lián)方式進(jìn)行視頻聯(lián)網(wǎng)控制。
這種方式在高速公路建設初期，路網(wǎng)尚未形成時(shí)，對高速公路運營(yíng)管理起到了積極的作用。但隨著(zhù)高速公路的不斷發(fā)展，區域路網(wǎng)管理中心建設的不斷加快，路網(wǎng)多級視頻監控功能需求的不斷提升，傳統模式逐漸暴露了其缺點(diǎn)，如占用光纖資源較多、帶寬得不到有效地利用、系統擴建難度較大、不同品牌視頻切換矩陣級聯(lián)兼容性不好等。
采用數字壓縮視頻傳輸方式，結合軟件管理下的視頻切換控制，上述問(wèn)題可以得到很好的解決，并可以在系統中增加其他有用的功能模塊。
本文將要探討的“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)，采用數字壓縮視頻技術(shù)，基于目前最通用的IP網(wǎng)絡(luò )，在保證圖像質(zhì)量和時(shí)延的情況下，由網(wǎng)絡(luò )中任意一處管理終端控制，可將任意一路圖像傳送至任意一個(gè)顯示或錄像設備上。
二. 高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)
軟切換，顧名思義，就是在軟件控制下的視頻切換，與傳統的視頻切換矩陣硬件控制相比，最大的優(yōu)勢就是可將視頻的輸入單元、輸出單元和控制單元分開(kāi)，并可在其間增加額外的控制功能，使系統突破以往地域的局限，靈活地對視頻監控進(jìn)行組網(wǎng)。
除此之外，由于整個(gè)系統構建于IP網(wǎng)絡(luò )之上，系統內所有視頻數據均采用TCP/IP協(xié)議棧內協(xié)議進(jìn)行傳輸，使系統可以與因特網(wǎng)在內的任何一種支持或兼容TCP/IP的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)。這就使高速公路傳統的視頻監控功能得到極大擴展，并且可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為廣大道路使用者提供種類(lèi)繁多、功能齊全的信息服務(wù)。
一個(gè)典型的基于IP網(wǎng)絡(luò )的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控系統如下圖所示：
系統由三種功能模塊組成：視頻輸入、視頻輸出和視頻切換控制。網(wǎng)絡(luò )中任意一處視頻編碼器對應一個(gè)視頻輸入，任意一處視頻解碼器對應一個(gè)視頻輸出，視頻輸入和視頻輸出可設置在系統的任意位置。
視頻輸入可以是經(jīng)過(guò)視頻編碼的傳統攝像機視頻源，也可以是帶有網(wǎng)絡(luò )端口的IP網(wǎng)絡(luò )攝像機視頻源。
視頻輸出可以經(jīng)視頻解碼后接至模擬監視器、大屏幕顯示系統、硬盤(pán)錄像機等，也可以在多媒體計算機終端上直接顯示和錄像。
視頻切換模塊可以設置在系統的任意位置，并具有設置好的任意權限。通常管理中心具有最高權限，各管理分中心具有中間級權限，各收費站具有最低權限。根據系統具體功能需求，可增加額外的控制權限，并根據特殊需求，系統可使任意一處管理終端擁有臨時(shí)或永久的任意一級控制權限。系統的靈活性不僅表現于此，任意控制終端在得到權限許可的情況下可將任意一路視頻圖像切換至任意一個(gè)顯示或錄像設備上，并能保證視頻圖像的質(zhì)量和實(shí)時(shí)性。
“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控系統的另一個(gè)重要特點(diǎn)就是具有非常好的可擴展性，以往視頻聯(lián)網(wǎng)監控系統增加視頻監控點(diǎn)非常困難，需要重新敷設光纜?！败浨袚Q”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)對于新增加的視頻源只需增加視頻編碼器就可接入系統網(wǎng)絡(luò )，并根據需要切換至任意顯示終端。
三. “軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析
這種“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)控制方式，離不開(kāi)IP網(wǎng)絡(luò )設備和協(xié)議的支持。要實(shí)現上述功能，對網(wǎng)絡(luò )結構設計、網(wǎng)絡(luò )交換節點(diǎn)設備及網(wǎng)絡(luò )管理軟件都提出了相當高的要求。
首先，在網(wǎng)絡(luò )結構設計上，IP網(wǎng)絡(luò )的最大缺陷就是可能出現網(wǎng)絡(luò )擁擠，甚至網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴，導致視頻圖像丟幀、丟包，視頻的實(shí)時(shí)性也得不到保證。出現網(wǎng)絡(luò )擁擠的原因很多，有可能是網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)帶寬不足，也有可能是網(wǎng)絡(luò )中出現不合理的數據傳輸。IP網(wǎng)絡(luò )的設計初衷就是使網(wǎng)絡(luò )結構未知的不同種網(wǎng)絡(luò )可以互聯(lián)，但只保證了數據的準確性，并為考慮數據的實(shí)時(shí)性。由于近些年來(lái)網(wǎng)絡(luò )通道質(zhì)量的不斷改善，IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性能也得到極大的提高，但未知的網(wǎng)絡(luò )結構和網(wǎng)絡(luò )需求，仍然是制約互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)視頻流的重要障礙。
與互聯(lián)網(wǎng)相比，高速公路的通信系統屬于專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用，各高速公路擁有自己專(zhuān)用的光纖網(wǎng)絡(luò )，鏈路質(zhì)量決不低于網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )，且網(wǎng)絡(luò )拓撲結構相對清晰，網(wǎng)絡(luò )需求也可做到最大限度的確定。所以，高速公路通信系統出現網(wǎng)絡(luò )擁擠和網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴的幾率很小，只要掌握正確的視頻源布設位置，進(jìn)行詳盡的視頻顯示、錄像的需求分析，由此設計出的網(wǎng)絡(luò )結構必定能滿(mǎn)足視頻聯(lián)網(wǎng)監控的帶寬要求。
合理的網(wǎng)絡(luò )結構離不開(kāi)合理的網(wǎng)絡(luò )設備，數字視頻聯(lián)網(wǎng)需要強大的高性能網(wǎng)絡(luò )交換機的支持，一般在管理中心和分中心處設置千兆以太網(wǎng)交換機，在各收費站至少也要設置百兆以太網(wǎng)交換機，推薦使用千兆以太網(wǎng)交換機。通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)數據傳輸的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，以確定各節點(diǎn)交換機應具備的交換容量和背板帶寬，并且各級交換設備均需支持組播及虛擬子網(wǎng)（VLAN）協(xié)議。
組播協(xié)議可以使視頻數據在系統的控制下，傳向指定的幾個(gè)顯示或錄像終端，盡可能的少占用網(wǎng)絡(luò )帶寬，做到“按需傳輸”。VLAN是三層交換機特有的功能，其可將同一網(wǎng)絡(luò )的不同網(wǎng)絡(luò )設備按需劃分為不同虛擬子網(wǎng)中去，一方面可以起到網(wǎng)管功能，另一方面可以抑止潛在的網(wǎng)絡(luò )廣播風(fēng)暴的影響。
擁有了合理的網(wǎng)絡(luò )結構和強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備并不能保證網(wǎng)絡(luò )中不出現擁擠現象，如果不對各鏈路數據流進(jìn)行監控，也無(wú)法避免過(guò)多視頻圖像需經(jīng)同一鏈路傳輸等不合理的數據傳輸現象的出現，這就需要一個(gè)強大的網(wǎng)絡(luò )管理軟件，對系統各主要鏈路進(jìn)行狀態(tài)監控，拒絕不合理的視頻切換，屏蔽不合理的數據傳輸。上面講到，高速公路網(wǎng)絡(luò )結構相對比較清晰，不像互聯(lián)網(wǎng)那樣網(wǎng)絡(luò )結構錯綜復雜。雖然“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)可以對系統中的任意視頻圖像進(jìn)行切換，但在進(jìn)行系統設計時(shí)要分清哪些是必要的視頻數據傳輸，哪些是不必要的。并對每個(gè)鏈路傳輸帶寬進(jìn)行上限控制，帶寬固然是越高越好，但造價(jià)也會(huì )相應提高。在保證系統正常使用的情況下，盡量對網(wǎng)絡(luò )帶寬做到合理分配。
由于這種方案要求有一套比較完備的網(wǎng)管軟件的支持，并且系統很多功能都是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現，所以系統軟件的質(zhì)量好壞直接影響系統性能的好壞。
另外，還需要注意兩點(diǎn)。一個(gè)是視頻編解碼協(xié)議的選擇，一個(gè)是視頻編解碼器的設置位置問(wèn)題。
視頻編解碼協(xié)議有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4及H.263/H.264等，MPEG-1壓縮比較小，占用帶寬較大，不適應網(wǎng)絡(luò )傳輸要求；MPEG-4及H.263/H.264對于高速公路視頻監控來(lái)講圖像質(zhì)量不夠，MPEG-2視頻編解碼算法壓縮比大、壓縮質(zhì)量好，視頻信號速率約為3～4Mbps，分辨率為720×572。
由于要保證視頻圖像的質(zhì)量，首先應采用視頻編解碼器硬件編解碼，另外視頻圖像經(jīng)過(guò)多次編解碼后視頻質(zhì)量會(huì )降低，所以在進(jìn)行系統設計中，應避免從視頻解碼器輸出的視頻信號再進(jìn)入視頻編碼器。
四. “軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路上的應用
目前，高速公路通信系統多采用SDH網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)可采用MPEG-2視頻編碼技術(shù)及基于IP over SDH的傳輸技術(shù)方案，實(shí)現“管理中心——各管理分中心——各收費站”的聯(lián)網(wǎng)監控視頻傳輸。
為廣大道路使用者開(kāi)放的道路實(shí)時(shí)視頻瀏覽系統，由于與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，并且網(wǎng)絡(luò )需求未知，需設置相應的瀏覽服務(wù)器，以管理其數據傳輸，緩解網(wǎng)絡(luò )負荷。并且服務(wù)器可以與GPRS網(wǎng)絡(luò )相連，道路使用者可以使用手機查詢(xún)道路的實(shí)時(shí)視頻圖像。系統還可以通過(guò)增加攝像機、麥克風(fēng)及控制軟件，利用現有的網(wǎng)絡(luò )資源方便的實(shí)現視頻會(huì )議等。很多像這種基于IP網(wǎng)絡(luò )的應用在“軟交換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)中可以得到很好的應用及擴展。
綜上所述，基于IP網(wǎng)絡(luò )的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)以其傳輸視頻的可靠性、實(shí)時(shí)性、可控性、安全性及可擴展性，成為下一代高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監控的首選方案。
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