基于IP網絡的“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控技術
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一. 高速公路視頻監(jiān)控的特點和現(xiàn)狀
高速公路視頻監(jiān)控主要分兩種，一種設置于各互通區(qū)，對互通區(qū)交通流進行監(jiān)視；一種設置于各收費站，對收費業(yè)務進行監(jiān)視。根據各路的管理體制，互通區(qū)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(jiān)控機房，再與管理分中心之間設置一定路數(shù)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(shù)到管理中心。
目前，各高速公路之間相對比較獨立，視頻聯(lián)網監(jiān)控尚未形成，視頻圖像多采用模擬或數(shù)字非壓縮的方式進行傳輸，通過視頻切換矩陣進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)方式進行視頻聯(lián)網控制。
這種方式在高速公路建設初期，路網尚未形成時，對高速公路運營管理起到了積極的作用。但隨著高速公路的不斷發(fā)展，區(qū)域路網管理中心建設的不斷加快，路網多級視頻監(jiān)控功能需求的不斷提升，傳統(tǒng)模式逐漸暴露了其缺點，如占用光纖資源較多、帶寬得不到有效地利用、系統(tǒng)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(shù)字壓縮視頻傳輸方式，結合軟件管理下的視頻切換控制，上述問題可以得到很好的解決，并可以在系統(tǒng)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)網監(jiān)控技術，采用數(shù)字壓縮視頻技術，基于目前最通用的IP網絡，在保證圖像質量和時延的情況下，由網絡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顯示或錄像設備上。
二. 高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控技術
軟切換，顧名思義，就是在軟件控制下的視頻切換，與傳統(tǒng)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，并可在其間增加額外的控制功能，使系統(tǒng)突破以往地域的局限，靈活地對視頻監(jiān)控進行組網。
除此之外，由于整個系統(tǒng)構建于IP網絡之上，系統(tǒng)內所有視頻數(shù)據均采用TCP/IP協(xié)議棧內協(xié)議進行傳輸，使系統(tǒng)可以與因特網在內的任何一種支持或兼容TCP/IP的網絡互聯(lián)。這就使高速公路傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控功能得到極大擴展，并且可以通過互聯(lián)網為廣大道路使用者提供種類繁多、功能齊全的信息服務。
一個典型的基于IP網絡的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)如下圖所示：
系統(tǒng)由三種功能模塊組成：視頻輸入、視頻輸出和視頻切換控制。網絡中任意一處視頻編碼器對應一個視頻輸入，任意一處視頻解碼器對應一個視頻輸出，視頻輸入和視頻輸出可設置在系統(tǒng)的任意位置。
視頻輸入可以是經過視頻編碼的傳統(tǒng)攝像機視頻源，也可以是帶有網絡端口的IP網絡攝像機視頻源。
視頻輸出可以經視頻解碼后接至模擬監(jiān)視器、大屏幕顯示系統(tǒng)、硬盤錄像機等，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可使任意一處管理終端擁有臨時或永久的任意一級控制權限。系統(tǒng)的靈活性不僅表現(xiàn)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顯示或錄像設備上，并能保證視頻圖像的質量和實時性。
“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)的另一個重要特點就是具有非常好的可擴展性，以往視頻聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)增加視頻監(jiān)控點非常困難，需要重新敷設光纜。“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控技術對于新增加的視頻源只需增加視頻編碼器就可接入系統(tǒng)網絡，并根據需要切換至任意顯示終端。
三. “軟切換”視頻聯(lián)網關鍵技術分析
這種“軟切換”視頻聯(lián)網控制方式，離不開IP網絡設備和協(xié)議的支持。要實現(xiàn)上述功能，對網絡結構設計、網絡交換節(jié)點設備及網絡管理軟件都提出了相當高的要求。
首先，在網絡結構設計上，IP網絡的最大缺陷就是可能出現(xiàn)網絡擁擠，甚至網絡風暴，導致視頻圖像丟幀、丟包，視頻的實時性也得不到保證。出現(xiàn)網絡擁擠的原因很多，有可能是網絡節(jié)點帶寬不足，也有可能是網絡中出現(xiàn)不合理的數(shù)據傳輸。IP網絡的設計初衷就是使網絡結構未知的不同種網絡可以互聯(lián)，但只保證了數(shù)據的準確性，并為考慮數(shù)據的實時性。由于近些年來網絡通道質量的不斷改善，IP網絡實時性能也得到極大的提高，但未知的網絡結構和網絡需求，仍然是制約互聯(lián)網實時視頻流的重要障礙。
與互聯(lián)網相比，高速公路的通信系統(tǒng)屬于專網專用，各高速公路擁有自己專用的光纖網絡，鏈路質量決不低于網絡運營商的網絡，且網絡拓撲結構相對清晰，網絡需求也可做到最大限度的確定。所以，高速公路通信系統(tǒng)出現(xiàn)網絡擁擠和網絡風暴的幾率很小，只要掌握正確的視頻源布設位置，進行詳盡的視頻顯示、錄像的需求分析，由此設計出的網絡結構必定能滿足視頻聯(lián)網監(jiān)控的帶寬要求。
合理的網絡結構離不開合理的網絡設備，數(shù)字視頻聯(lián)網需要強大的高性能網絡交換機的支持，一般在管理中心和分中心處設置千兆以太網交換機，在各收費站至少也要設置百兆以太網交換機，推薦使用千兆以太網交換機。通過對網絡中各節(jié)點數(shù)據傳輸?shù)姆植继攸c進行分析，以確定各節(jié)點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（VLAN）協(xié)議。
組播協(xié)議可以使視頻數(shù)據在系統(tǒng)的控制下，傳向指定的幾個顯示或錄像終端，盡可能的少占用網絡帶寬，做到“按需傳輸”。VLAN是三層交換機特有的功能，其可將同一網絡的不同網絡設備按需劃分為不同虛擬子網中去，一方面可以起到網管功能，另一方面可以抑止?jié)撛诘木W絡廣播風暴的影響。
擁有了合理的網絡結構和強大的網絡節(jié)點設備并不能保證網絡中不出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，如果不對各鏈路數(shù)據流進行監(jiān)控，也無法避免過多視頻圖像需經同一鏈路傳輸?shù)炔缓侠淼臄?shù)據傳輸現(xiàn)象的出現(xiàn)，這就需要一個強大的網絡管理軟件，對系統(tǒng)各主要鏈路進行狀態(tài)監(jiān)控，拒絕不合理的視頻切換，屏蔽不合理的數(shù)據傳輸。上面講到，高速公路網絡結構相對比較清晰，不像互聯(lián)網那樣網絡結構錯綜復雜。雖然“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控技術可以對系統(tǒng)中的任意視頻圖像進行切換，但在進行系統(tǒng)設計時要分清哪些是必要的視頻數(shù)據傳輸，哪些是不必要的。并對每個鏈路傳輸帶寬進行上限控制，帶寬固然是越高越好，但造價也會相應提高。在保證系統(tǒng)正常使用的情況下，盡量對網絡帶寬做到合理分配。
由于這種方案要求有一套比較完備的網管軟件的支持，并且系統(tǒng)很多功能都是通過軟件來實現(xiàn)，所以系統(tǒng)軟件的質量好壞直接影響系統(tǒng)性能的好壞。
另外，還需要注意兩點。一個是視頻編解碼協(xié)議的選擇，一個是視頻編解碼器的設置位置問題。
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，不適應網絡傳輸要求；MPEG-4及H.263/H.264對于高速公路視頻監(jiān)控來講圖像質量不夠，MPEG-2視頻編解碼算法壓縮比大、壓縮質量好，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量，首先應采用視頻編解碼器硬件編解碼，另外視頻圖像經過多次編解碼后視頻質量會降低，所以在進行系統(tǒng)設計中，應避免從視頻解碼器輸出的視頻信號再進入視頻編碼器。
四. “軟切換”視頻聯(lián)網技術在高速公路上的應用
目前，高速公路通信系統(tǒng)多采用SDH網絡協(xié)議，“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控技術可采用MPEG-2視頻編碼技術及基于IP over SDH的傳輸技術方案，實現(xiàn)“管理中心——各管理分中心——各收費站”的聯(lián)網監(jiān)控視頻傳輸。
為廣大道路使用者開放的道路實時視頻瀏覽系統(tǒng)，由于與互聯(lián)網互聯(lián)，并且網絡需求未知，需設置相應的瀏覽服務器，以管理其數(shù)據傳輸，緩解網絡負荷。并且服務器可以與GPRS網絡相連，道路使用者可以使用手機查詢道路的實時視頻圖像。系統(tǒng)還可以通過增加攝像機、麥克風及控制軟件，利用現(xiàn)有的網絡資源方便的實現(xiàn)視頻會議等。很多像這種基于IP網絡的應用在“軟交換”視頻聯(lián)網監(jiān)控技術中可以得到很好的應用及擴展。
綜上所述，基于IP網絡的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網監(jiān)控技術以其傳輸視頻的可靠性、實時性、可控性、安全性及可擴展性，成為下一代高速公路視頻聯(lián)網監(jiān)控的首選方案。
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