高速公路高清標(biāo)清混合聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)探討

目前高速公路實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)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(jié)合的方式，即實(shí)時監(jiān)控采用無損、無延時的數(shù)字非壓縮圖像，存儲、聯(lián)網(wǎng)、桌面應(yīng)用則采用壓縮圖像。這兩種解決方案都可以實(shí)現(xiàn)高清/標(biāo)清混合聯(lián)網(wǎng)，但兩種方案都有各自的特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

　　高速公路視頻監(jiān)控對高清的需求分析

　　高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控視頻一般分為收費(fèi)監(jiān)控視頻、道路監(jiān)控視頻和隧道監(jiān)控視頻三類。收費(fèi)監(jiān)控視頻主要有車道視頻、收費(fèi)廣場視頻、收費(fèi)亭視頻。道路監(jiān)控視頻主要是全程監(jiān)控視頻和重點(diǎn)橋梁、樞紐、立交等處的監(jiān)控視頻，隧道監(jiān)控視頻主要是安裝在隧道內(nèi)的監(jiān)控視頻。

　　如果所有的圖像都采用高清視頻，這當(dāng)然是最理想的方案，但按目前的工程造價要實(shí)現(xiàn)全路段全高清監(jiān)控顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此一定是高清/標(biāo)清混合聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控模式。對于車道視頻、收費(fèi)亭視頻、隧道內(nèi)視頻，由于監(jiān)控的場所場景不大，可以采用標(biāo)清視頻;對于收費(fèi)廣場視頻、重點(diǎn)橋梁、樞紐、立交等處的監(jiān)控視頻則因?yàn)槠湟O(jiān)控的場景大，可以考慮采用高清視頻;對于全程監(jiān)控視頻，則可根據(jù)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(xiàn)高清/標(biāo)清混合聯(lián)網(wǎng)

　　“雙碼流全壓縮視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模式”是攝像機(jī)一下來就把視頻信號進(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IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換，最后在收費(fèi)站/監(jiān)控中心通過視頻解碼器把壓縮視頻還原成模擬視頻，在監(jiān)視器上進(jìn)行顯示。

　　圖1是該模式的系統(tǒng)原理圖。收費(fèi)視頻在收費(fèi)亭進(jìn)行壓縮編碼，然后通過一個光纖環(huán)網(wǎng)把壓縮視頻傳輸?shù)绞召M(fèi)站。監(jiān)控系統(tǒng)的主線監(jiān)控視頻和隧道內(nèi)監(jiān)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(fèi)站。

圖1是該模式的系統(tǒng)原理圖

在收費(fèi)站內(nèi)高碼流的收費(fèi)壓縮視頻(2-4M，D1格式)通過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(fèi)視頻和監(jiān)控視頻(幾百K，CIF格式)信號進(jìn)磁盤陣列進(jìn)行存儲。同時高碼流的監(jiān)控視頻通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)铰范伪O(jiān)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。

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

該模式系統(tǒng)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但其不足之處也顯而易見：

(1)電視墻上顯示的高清圖像是有損傷、有延時的壓縮圖像，這在某種程度上失去了“高清”的意義。對于1路1080P的高清圖像來說，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(biāo)準(zhǔn))，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傳輸和交換都會帶來巨大的壓力，因此在實(shí)際使用過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(jiān)控中心一但需要用到原始的、無損傷的高清圖像時，該模式完全無法提供，這為今后的業(yè)務(wù)擴(kuò)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(tǒng)，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(tǒng)的性能有可能將嚴(yán)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622M SDH系統(tǒng)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(jī)用于大碼率高清視頻碼流的交換。如果核心交換機(jī)的交換能力達(dá)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(xiàn)象。

“光傳輸交換平臺模式”實(shí)現(xiàn)高清/標(biāo)清混合聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控

為了克服“全壓縮視頻”模式的缺點(diǎn)，同時保留“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)時監(jiān)控采用高清/標(biāo)清數(shù)字非壓縮視頻信號，存儲、進(jìn)局域網(wǎng)到桌面及與省級監(jiān)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(shù)字視頻光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字視頻矩陣功能于一體、集數(shù)字非壓縮視頻與數(shù)字壓縮視頻于一體、集高清、標(biāo)清與一體、既滿足了高清晰、高實(shí)時圖像的需求，又滿足了數(shù)字化存儲、IP網(wǎng)絡(luò)傳輸要求的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案(如圖2-1、2所示)。

　　收費(fèi)車道、收費(fèi)亭的視頻、音頻、開關(guān)量等信號在收費(fèi)亭進(jìn)入“標(biāo)清遠(yuǎn)端光接入模塊”(VAR3-ONU)，然后通過一芯光纖傳輸?shù)绞召M(fèi)站/收費(fèi)集中站的“光匯聚交換設(shè)備”(VAR3-OLT)中;收費(fèi)廣場的高清視頻信號通過HD-SDI接口輸入“高清遠(yuǎn)端光接入模塊”(VAR3-HONU)，并通過光纖傳輸?shù)绞召M(fèi)站/收費(fèi)集中站的光匯聚交換設(shè)備中，它一方面可以切換輸出標(biāo)清模擬視頻信號上電視墻進(jìn)行顯示，同時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(jù)需求直接把高清/標(biāo)清數(shù)字非壓縮視頻碼流通過上聯(lián)光口傳輸?shù)铰范伪O(jiān)控分中心/監(jiān)控中心的“光匯聚交換設(shè)備”上。同時，收費(fèi)站/收費(fèi)集中站的“光匯聚交換設(shè)備”把所有的高清/標(biāo)清視頻信號進(jìn)行H.264壓縮，并輸出到磁盤陣列進(jìn)行存儲。

監(jiān)控系統(tǒng)的主線監(jiān)控視頻和隧道內(nèi)監(jiān)控視頻進(jìn)入“高清/標(biāo)清遠(yuǎn)端光接入模塊”(VAR3-ONU/HONU)，多個高清/標(biāo)清遠(yuǎn)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(jiān)控分中心/監(jiān)控中心的光匯聚交換設(shè)備聯(lián)接。監(jiān)控分中心/監(jiān)控中心的光匯聚交換設(shè)備一方面可以切換輸出標(biāo)清模擬視頻信號上電視墻進(jìn)行顯示，同時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(jù)需求直接把高清/標(biāo)清數(shù)字非壓縮視頻碼流通過上聯(lián)光口傳輸?shù)礁咭患壍谋O(jiān)控中心(如果有需求的話);同時，還可以把所有接入的高清/標(biāo)清監(jiān)控視頻信號進(jìn)行H.264壓縮，并輸出到磁盤陣列進(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(biāo)清遠(yuǎn)端光接入模塊”接入高清/標(biāo)清視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信號，并通過光纖以點(diǎn)對點(diǎn)、級聯(lián)或環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接接入收費(fèi)站/路段監(jiān)控中心的“光匯聚交換設(shè)備”;

收費(fèi)站/路段監(jiān)控中心交換輸出：光匯聚交換設(shè)備可以對所有輸入的高清/標(biāo)清數(shù)字非壓縮視頻進(jìn)行交換，并通過模擬輸出口輸出完全實(shí)時的、無損傷的標(biāo)清模擬視頻信號，通過VGA/DVI/HDMI/HD-SDI等接口輸出實(shí)時無損高清視頻，到電視墻進(jìn)行顯示;

收費(fèi)站/路段監(jiān)控中心環(huán)通輸出：光匯聚交換設(shè)備可以對所有輸入的高清/標(biāo)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(yīng)用。

多級聯(lián)網(wǎng)：光匯聚交換設(shè)備不但可以交換輸出高清/標(biāo)清視頻，還可以通過光纖直接與更高一級監(jiān)控中心的光匯聚交換設(shè)備連接，形成一個聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

壓縮視頻：在收費(fèi)站/路段監(jiān)控中心，所有接入的高清/標(biāo)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)入磁盤陣列中進(jìn)行存儲，并可以通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞〖壉O(jiān)控中心。

“光傳輸交換平臺模式”主要解決了如下問題：

(1)有效地保障了收費(fèi)站/路段分中心視頻信號的質(zhì)量，并為今后新業(yè)務(wù)的開展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。在整個聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，不管多少級，視頻都以高清/標(biāo)清數(shù)字非壓縮模式進(jìn)行傳輸和交換，只有標(biāo)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(tǒng)多么復(fù)雜、龐大，標(biāo)清視頻始終只進(jìn)行一次AD/DA轉(zhuǎn)換，高清則不需要AD/DA轉(zhuǎn)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，最大地簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，減少了眾多的中間環(huán)節(jié)，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。采用該系統(tǒng)后，收費(fèi)站/路段監(jiān)控中心機(jī)房的設(shè)備得到了極大地簡化，系統(tǒng)的聯(lián)接幾乎都是光纖，視頻電纜只在與電視墻聯(lián)接時才用得到。

(3)高清/標(biāo)清完全一體化設(shè)計，從標(biāo)清升級到高清，只需更換攝像機(jī)和遠(yuǎn)端光接入模塊，保證了系統(tǒng)的平滑升級能力。

(4)系統(tǒng)統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)由統(tǒng)一的“光傳輸交換管理軟件平臺”進(jìn)行統(tǒng)一管理，系統(tǒng)中的任何一個環(huán)節(jié)都可以在計網(wǎng)管系統(tǒng)中進(jìn)行反映。每路視頻的工作狀況、每條光纖的連接情況、每個設(shè)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(tǒng)支持，完全不占用SDH帶寬。

(6)高質(zhì)量、全實(shí)時視頻，完全不會出現(xiàn)丟幀、馬賽克、黑屏等現(xiàn)象。

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

小結(jié)

“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(xiàn)高清/標(biāo)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(jī)，但由于受到傳輸和交換系統(tǒng)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)行顯示時更加明顯。另外，該模式還會額外占用大量的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(rèn)為是一種特殊的“雙碼流系統(tǒng)”，一個碼流是無損傷、無延時的高清/標(biāo)清數(shù)字非壓縮視頻，另一個碼流是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損傷、無延時的高清/標(biāo)清數(shù)字非壓縮視頻，即有效保證了實(shí)時監(jiān)控視頻的質(zhì)量，同時也為今后的業(yè)務(wù)擴(kuò)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用集中壓縮的模式，每路壓縮的成本得以大大降低，系統(tǒng)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(jī)。