高速公路高清標清混合聯(lián)網(wǎng)監控技術(shù)探討

目前高速公路實(shí)現聯(lián)網(wǎng)監控的主流解決方案主要有“雙碼流全壓縮視頻模式”和“光傳輸交換平臺模式”兩種。在前一種模式中，視頻是在前端進(jìn)行壓縮編碼;而在后一種模式中則采用壓縮/非壓縮相結合的方式，即實(shí)時(shí)監控采用無(wú)損、無(wú)延時(shí)的數字非壓縮圖像，存儲、聯(lián)網(wǎng)、桌面應用則采用壓縮圖像。這兩種解決方案都可以實(shí)現高清/標清混合聯(lián)網(wǎng)，但兩種方案都有各自的特點(diǎn)，用戶(hù)可以根據實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

　　高速公路視頻監控對高清的需求分析

　　高速公路聯(lián)網(wǎng)監控視頻一般分為收費監控視頻、道路監控視頻和隧道監控視頻三類(lèi)。收費監控視頻主要有車(chē)道視頻、收費廣場(chǎng)視頻、收費亭視頻。道路監控視頻主要是全程監控視頻和重點(diǎn)橋梁、樞紐、立交等處的監控視頻，隧道監控視頻主要是安裝在隧道內的監控視頻。

　　如果所有的圖像都采用高清視頻，這當然是最理想的方案，但按目前的工程造價(jià)要實(shí)現全路段全高清監控顯然是不現實(shí)的，因此一定是高清/標清混合聯(lián)網(wǎng)的監控模式。對于車(chē)道視頻、收費亭視頻、隧道內視頻，由于監控的場(chǎng)所場(chǎng)景不大，可以采用標清視頻;對于收費廣場(chǎng)視頻、重點(diǎn)橋梁、樞紐、立交等處的監控視頻則因為其要監控的場(chǎng)景大，可以考慮采用高清視頻;對于全程監控視頻，則可根據實(shí)際情況，選擇一定的比例配置高清視頻。

　　“雙碼流全壓縮視頻模式”實(shí)現高清/標清混合聯(lián)網(wǎng)

　　“雙碼流全壓縮視頻聯(lián)網(wǎng)監控模式”是攝像機一下來(lái)就把視頻信號進(jìn)行壓縮編碼的模式。該模式的核心思想是通過(guò)視頻編碼器把模擬視頻壓縮成H.264等格式的壓縮視頻，再通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸和交換，最后在收費站/監控中心通過(guò)視頻解碼器把壓縮視頻還原成模擬視頻，在監視器上進(jìn)行顯示。

　　圖1是該模式的系統原理圖。收費視頻在收費亭進(jìn)行壓縮編碼，然后通過(guò)一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)把壓縮視頻傳輸到收費站。監控系統的主線(xiàn)監控視頻和隧道內監控視頻也是先進(jìn)行壓縮編碼，再組成光纖環(huán)網(wǎng)就近接入到收費站。

圖1是該模式的系統原理圖

在收費站內高碼流的收費壓縮視頻(2-4M，D1格式)通過(guò)解碼器還原成模擬視頻信號上電視墻進(jìn)行顯示，低碼流的收費視頻和監控視頻(幾百K，CIF格式)信號進(jìn)磁盤(pán)陣列進(jìn)行存儲。同時(shí)高碼流的監控視頻通過(guò)通信系統傳輸到路段監控中心，由解碼器解碼后還原成模擬圖像在電視墻上進(jìn)行顯示。

該模式前端接入時(shí)采用IP信號，因此其實(shí)現高清/標清混合聯(lián)網(wǎng)的最佳解決方案是采用高清IP攝像機。高清IP攝像機直接輸出H.264壓縮的視頻信號，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )直接接入到收費站的IP交換機，并通過(guò)SDH網(wǎng)絡(luò )與路段監控中心聯(lián)網(wǎng)。

該模式系統簡(jiǎn)單，實(shí)現容易，但其不足之處也顯而易見(jiàn)：

(1)電視墻上顯示的高清圖像是有損傷、有延時(shí)的壓縮圖像，這在某種程度上失去了“高清”的意義。對于1路1080P的高清圖像來(lái)說(shuō)，壓縮成MPEG2格式需要24M左右的碼流才能保障其圖像質(zhì)量(目前廣播電視的高清標準)，壓縮成H.264格式，則至少也要10M以上才能保障其質(zhì)量。但是，大量的高碼率視頻對IP傳輸和交換都會(huì )帶來(lái)巨大的壓力，因此在實(shí)際使用過(guò)程中往往把高清碼流降低至6到8M，甚至更低，“高清”效果被大打折扣，所謂“高清”不清的描述指的就是這種情形。

(2)在監控中心一但需要用到原始的、無(wú)損傷的高清圖像時(shí)，該模式完全無(wú)法提供，這為今后的業(yè)務(wù)擴展造成了巨大的障礙。如，今后有可能要上一些視頻檢測、視頻智能分析等系統，不但每路高清信號都還得用視頻解碼器把壓縮信號進(jìn)行解碼還原，而且采用還原后的信號，則這些系統的性能有可能將嚴重下降。

(3)需占用昂貴的SDH帶寬。對于高清信號，比較合理的碼流是10M左右，一個(gè)622M SDH系統傳不了幾十路的高清信號。即使采用2.5G的SDH，其傳輸容量也非常有限，而且攤到每路視頻的傳輸成本非常昂貴。

(4)需要昂貴的核心交換機用于大碼率高清視頻碼流的交換。如果核心交換機的交換能力達不到要求，則視頻質(zhì)量將迅速惡化，造成丟幀、馬賽克、黑屏等現象。

“光傳輸交換平臺模式”實(shí)現高清/標清混合聯(lián)網(wǎng)監控

為了克服“全壓縮視頻”模式的缺點(diǎn)，同時(shí)保留“全壓縮模式”的優(yōu)點(diǎn)，目前一種常用的解決方案就是“光傳輸交換平臺模式”。

“光傳輸交換平臺模式”采用了完全不同的解決方案?！肮鈧鬏斀粨Q平臺模式”的核心思想是實(shí)時(shí)監控采用高清/標清數字非壓縮視頻信號，存儲、進(jìn)局域網(wǎng)到桌面及與省級監控中心聯(lián)網(wǎng)則采用H.264壓縮圖像?！肮鈧鬏斀粨Q平臺模式”是集數字視頻光纖傳輸網(wǎng)絡(luò )和數字視頻矩陣功能于一體、集數字非壓縮視頻與數字壓縮視頻于一體、集高清、標清與一體、既滿(mǎn)足了高清晰、高實(shí)時(shí)圖像的需求，又滿(mǎn)足了數字化存儲、IP網(wǎng)絡(luò )傳輸要求的聯(lián)網(wǎng)監控系統解決方案(如圖2-1、2所示)。

　　收費車(chē)道、收費亭的視頻、音頻、開(kāi)關(guān)量等信號在收費亭進(jìn)入“標清遠端光接入模塊”(VAR3-ONU)，然后通過(guò)一芯光纖傳輸到收費站/收費集中站的“光匯聚交換設備”(VAR3-OLT)中;收費廣場(chǎng)的高清視頻信號通過(guò)HD-SDI接口輸入“高清遠端光接入模塊”(VAR3-HONU)，并通過(guò)光纖傳輸到收費站/收費集中站的光匯聚交換設備中，它一方面可以切換輸出標清模擬視頻信號上電視墻進(jìn)行顯示，同時(shí)也可以切換出高清視頻信號上電視墻顯示(顯示器需支持高清視頻顯示)。另一方面還可以根據需求直接把高清/標清數字非壓縮視頻碼流通過(guò)上聯(lián)光口傳輸到路段監控分中心/監控中心的“光匯聚交換設備”上。同時(shí)，收費站/收費集中站的“光匯聚交換設備”把所有的高清/標清視頻信號進(jìn)行H.264壓縮，并輸出到磁盤(pán)陣列進(jìn)行存儲。

監控系統的主線(xiàn)監控視頻和隧道內監控視頻進(jìn)入“高清/標清遠端光接入模塊”(VAR3-ONU/HONU)，多個(gè)高清/標清遠端光接入模塊組成級聯(lián)鏈路或光纖環(huán)網(wǎng)鏈路后直接與監控分中心/監控中心的光匯聚交換設備聯(lián)接。監控分中心/監控中心的光匯聚交換設備一方面可以切換輸出標清模擬視頻信號上電視墻進(jìn)行顯示，同時(shí)也可以切換出高清視頻信號上電視墻顯示(顯示器需支持高清視頻顯示)。另一方面還可以根據需求直接把高清/標清數字非壓縮視頻碼流通過(guò)上聯(lián)光口傳輸到更高一級的監控中心(如果有需求的話(huà));同時(shí)，還可以把所有接入的高清/標清監控視頻信號進(jìn)行H.264壓縮，并輸出到磁盤(pán)陣列進(jìn)行存儲。

從上面可以看出，“光傳輸交換平臺”模式主要由以下幾部分組成。

前端光接入：“高清/標清遠端光接入模塊”接入高清/標清視頻、音頻、數據等信號，并通過(guò)光纖以點(diǎn)對點(diǎn)、級聯(lián)或環(huán)網(wǎng)的拓撲結構直接接入收費站/路段監控中心的“光匯聚交換設備”;

收費站/路段監控中心交換輸出：光匯聚交換設備可以對所有輸入的高清/標清數字非壓縮視頻進(jìn)行交換，并通過(guò)模擬輸出口輸出完全實(shí)時(shí)的、無(wú)損傷的標清模擬視頻信號，通過(guò)VGA/DVI/HDMI/HD-SDI等接口輸出實(shí)時(shí)無(wú)損高清視頻，到電視墻進(jìn)行顯示;

收費站/路段監控中心環(huán)通輸出：光匯聚交換設備可以對所有輸入的高清/標清視頻進(jìn)行環(huán)通輸出，用于視頻事件檢測器等智能化應用。

多級聯(lián)網(wǎng)：光匯聚交換設備不但可以交換輸出高清/標清視頻，還可以通過(guò)光纖直接與更高一級監控中心的光匯聚交換設備連接，形成一個(gè)聯(lián)網(wǎng)監控系統。

壓縮視頻：在收費站/路段監控中心，所有接入的高清/標清非壓縮視頻集中進(jìn)行H.264壓縮編碼，輸出的壓縮視頻碼流進(jìn)入磁盤(pán)陣列中進(jìn)行存儲，并可以通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )傳輸到省級監控中心。

“光傳輸交換平臺模式”主要解決了如下問(wèn)題：

(1)有效地保障了收費站/路段分中心視頻信號的質(zhì)量，并為今后新業(yè)務(wù)的開(kāi)展打下堅實(shí)的基礎。在整個(gè)聯(lián)網(wǎng)監控系統中，不管多少級，視頻都以高清/標清數字非壓縮模式進(jìn)行傳輸和交換，只有標清信號上電視墻才輸出模擬視頻信號。因此，不管聯(lián)網(wǎng)系統多么復雜、龐大，標清視頻始終只進(jìn)行一次AD/DA轉換，高清則不需要AD/DA轉換，有效地保障了視頻信號的質(zhì)量。

(2)在充分保障視頻質(zhì)量的前提下，最大地簡(jiǎn)化了系統的設計，減少了眾多的中間環(huán)節，極大地提高了系統的穩定性和可靠性。采用該系統后，收費站/路段監控中心機房的設備得到了極大地簡(jiǎn)化，系統的聯(lián)接幾乎都是光纖，視頻電纜只在與電視墻聯(lián)接時(shí)才用得到。

(3)高清/標清完全一體化設計，從標清升級到高清，只需更換攝像機和遠端光接入模塊，保證了系統的平滑升級能力。

(4)系統統一管理。整個(gè)系統由統一的“光傳輸交換管理軟件平臺”進(jìn)行統一管理，系統中的任何一個(gè)環(huán)節都可以在計網(wǎng)管系統中進(jìn)行反映。每路視頻的工作狀況、每條光纖的連接情況、每個(gè)設備的工作狀態(tài)都可以有軟件平臺進(jìn)行網(wǎng)管。

(5)可以做到不需要通信系統支持，完全不占用SDH帶寬。

(6)高質(zhì)量、全實(shí)時(shí)視頻，完全不會(huì )出現丟幀、馬賽克、黑屏等現象。

(7)高清/標清數字非壓縮視頻和數字壓縮視頻完全一體化，系統即發(fā)揮了數字非壓縮視頻的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了數字壓縮視頻的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了“全壓縮模式”的缺點(diǎn)。

小結

“雙碼流全壓縮視頻模式”與“光傳輸交換平臺模式”都可以實(shí)現高清/標清視頻混合聯(lián)網(wǎng)。

對于高清視頻“雙碼流全壓縮視頻模式”適合采用高清IP攝像機，但由于受到傳輸和交換系統的限制，碼流不可能很高，一般都在6-8M左右，其圖像質(zhì)量有明顯的損傷，尤其在大屏上進(jìn)行顯示時(shí)更加明顯。另外，該模式還會(huì )額外占用大量的SDH帶寬，使得單路視頻的聯(lián)網(wǎng)成本巨大。

“光傳輸交換平臺模式”則可以認為是一種特殊的“雙碼流系統”，一個(gè)碼流是無(wú)損傷、無(wú)延時(shí)的高清/標清數字非壓縮視頻，另一個(gè)碼流是H.264壓縮視頻。該模式在所有電視墻上顯示的視頻都采用無(wú)損傷、無(wú)延時(shí)的高清/標清數字非壓縮視頻，即有效保證了實(shí)時(shí)監控視頻的質(zhì)量，同時(shí)也為今后的業(yè)務(wù)擴展打下堅實(shí)的基礎。系統采用集中壓縮的模式，每路壓縮的成本得以大大降低，系統不占用額外的SDH帶寬，采用帶HD-SDI接口輸出的非壓縮高清視頻攝像機。