高清時(shí)代來(lái)臨 地鐵視頻監控解決方案分析

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

需求分析

在控制中心端，有大量高碼率的數據輸入輸出。發(fā)送給每個(gè)站點(diǎn)的高清1080p的高清數字多媒體，以及每個(gè)站點(diǎn)的8路高清數字攝像頭傳入的高清監控視頻圖像，都屬于高清數字信號。

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

此地鐵系統共具有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?？刂品?wù)中心8臺高清監視器(電視墻)，可同時(shí)觀(guān)看15個(gè)站90路高清圖像中的任意8路。

整體規劃

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

攝像機：傳統攝像機采用CMOS的感光芯片，經(jīng)過(guò)ISP處理，輸出模擬CVBS信號，不滿(mǎn)足高清要求。必須使用高清CMOS的圖像傳感器，輸出非壓縮高清數字信號，如SDI，HDMI等?？蛇x擇不僅輸出SDI非壓縮高清數字信號，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(wàn)高清攝像機。

傳輸設備：高清數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(guò)100米。所以要求傳輸設備即要保持高清數字信號的無(wú)損傳輸，又要達到長(cháng)距離的傳輸。采用傳輸碼流達3.125Gbps的數字光傳輸設備，在單芯單波長(cháng)的光纖里能夠無(wú)損傳輸不小于40Km的距離。傳輸碼流達10Gbps的數字光傳輸設備，在單芯單波長(cháng)的光纖里能夠無(wú)損傳輸不小于40Km的距離。

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

智能設備：如圖像識別等系統，應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

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

監視設備：一般的監控監視器都不支持高清數字視頻，應提升到完全支持1080p*60fps的高清格式顯示。

傳輸系統

所示，每一路攝像機采用百萬(wàn)高清數字攝像機，輸出12bit、746.496Mbps的1080p非壓縮數字圖像。共傳輸90路高清數字視頻。帶寬為90×746.496Mbps=67.18464Gbps。鑒于控制中心最大能同時(shí)觀(guān)看8路高清數字視頻，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點(diǎn)時(shí)光傳輸，傳輸的是1080p×60fps的多媒體圖像信息，故只需要2.97Gbps就足夠。占用1芯光纖。

其它上下行數據業(yè)務(wù)屬于低碼流數據，采用節點(diǎn)式環(huán)形網(wǎng)光傳輸，占用1-2芯光纖。因此，三方合起來(lái)一條8芯光纜就能滿(mǎn)足這個(gè)系統的要求。

傳輸難點(diǎn)及解決方案

HD-SDI攝像機輸出是高清數字非壓縮信號，當HD-SDI攝像機推入市場(chǎng)時(shí)，就經(jīng)常出現“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100米，而且HDMI是3路數據傳輸，若傳輸距離長(cháng)，就會(huì )出現3路數據不同步，引起重影、偏色等諸多問(wèn)題。這種質(zhì)疑嚴重影響了工程商在監控系統中采用HD-SDI攝像機的熱情。

因此，部分制造商放棄無(wú)壓縮高清監控，降低監控質(zhì)量，放棄實(shí)時(shí)性，而采用有損壓縮的百萬(wàn)高清網(wǎng)絡(luò )攝像機使用網(wǎng)絡(luò )傳輸；而另一部分則著(zhù)重研究傳輸問(wèn)題，除了開(kāi)發(fā)3G-SDI的產(chǎn)品用傳輸速率來(lái)增加傳輸距離外，同時(shí)也在HD-TX芯片上以FPGA設計架構采用無(wú)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(xiàn)材質(zhì)上128/168/192編織上對高頻損失的優(yōu)劣條件選用，來(lái)降低線(xiàn)路上的損失及延長(cháng)高清HD-SDI的信號傳輸距離。

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

由于傳輸的是非壓縮高清數字視頻，一路1080p×60fps的高清數字視頻需占用2.97Gbps帶寬。光纖傳輸理論上傳輸帶寬沒(méi)有上限，但是傳輸處理單元，包括光模塊，收發(fā)器芯片等等，遠遠落后于光纖理論傳輸帶寬。如今的萬(wàn)兆網(wǎng)的光纖傳輸帶寬也只是達到10Gbps，像這樣的10Gbps帶寬也只能傳輸3路非壓縮高清數字視頻。

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(wàn)高清數字攝像機的高清數字視頻。采用多芯單波長(cháng)或者單芯多波長(cháng)的光纜，即能完全滿(mǎn)足高清傳輸的要求。

節點(diǎn)式環(huán)形高清數字傳輸特點(diǎn)

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(cháng)光纖傳送多路RVF格式高清監控視頻，解決了無(wú)損多路高清數字視頻監控無(wú)法傳輸的問(wèn)題。不僅降低布多條光纜的費用。而且在現有的光纜基礎上輕松升級，實(shí)現真正的高清數字視頻監控。

環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò )的自愈功能，當某節點(diǎn)斷路時(shí)，光通路自動(dòng)切換到另一種環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲。增強了系統的安全性。降低系統硬件的故障率。

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

此平臺屬于動(dòng)態(tài)交換平臺，可隨時(shí)增加和減少監控攝像機的數量，可隨時(shí)增加和減少各種上下行數據，主機采用機箱插板式結構，擴容方便，可隨時(shí)在線(xiàn)動(dòng)態(tài)增減板卡，不必讓系統下線(xiàn)。主機還備有1路高清視頻板卡，故障時(shí)會(huì )自動(dòng)替換故障板卡。即保證了系統7×24小時(shí)在線(xiàn)，又提高了系統的安全性。