應(yīng)用背景

　　軌道交通，作為城市交通的一個(gè)重要工具，目前已經(jīng)成為了一個(gè)重要的承載工具，為城市的發(fā)展注入了更大的活力。

　　軌道交通系統(tǒng)在管理中有其典型的特點(diǎn)，如涉及的區(qū)域廣、站點(diǎn)數(shù)量較多;人流集中，相對固定的進(jìn)出模式;涉及到運(yùn)營、調(diào)度、防災(zāi)、治安等多個(gè)重要相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行管理。其主要監(jiān)控區(qū)域包括進(jìn)出站口、站點(diǎn)人員匯集區(qū)(購票、安檢、刷卡進(jìn)出口等)、站臺(tái)匯集區(qū)，站點(diǎn)的重要位置(例如機(jī)房、設(shè)備間等)也需要規(guī)劃到監(jiān)控區(qū)域中。各站點(diǎn)的圖像，涉及到多個(gè)系統(tǒng)、多個(gè)部門圖像公用;在控制中心，涉及到線路的行車、電力、防災(zāi)調(diào)度員，以及總調(diào)度等，均需要實(shí)時(shí)視頻作為第一手參考資料。

　　因此，軌道交通對監(jiān)控系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不再僅僅是要求”看到”，而是要”看清”。標(biāo)清系統(tǒng)所能提供的畫面清晰度，已經(jīng)開始出現(xiàn)升級瓶頸，這也是城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)中需要考慮到一個(gè)重要因素。

　　前端圖像采集

　　軌道交通監(jiān)控對前段前端設(shè)備要求比較高，分辨率均要求達(dá)到100萬像素(720P)或者200萬像素(1080P)的攝像機(jī)。目前在高清視頻應(yīng)用中常見的有基于色差分量等方式的模擬高清、基于HDMI/DVI等接口傳輸?shù)臄?shù)字高清、基于以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)字高清、以及在廣播視頻領(lǐng)域已經(jīng)成熟應(yīng)用的基于SDI接口的數(shù)字高清的應(yīng)用。綜合來看，前面兩種方式由于傳輸距離受到傳輸介質(zhì)以及對信道的要求，其傳輸距離僅能滿足臨近設(shè)備之間的連接和傳輸，不適宜應(yīng)用于安防視頻系統(tǒng)。

　　基于以太網(wǎng)的高清視頻具備了較好的靈活性，已經(jīng)在標(biāo)清視頻應(yīng)用中綻放出光彩，但在超過百萬像素的應(yīng)用中，由于視頻壓縮技術(shù)的限制，目前還無法將視頻的碼流壓縮到比較低的一個(gè)范疇。以一個(gè)200萬像素的活動(dòng)視頻圖像為例，其視頻碼率要求的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為6～8Mbps，甚至更高。而隨著分辨率增大帶來的問題并不只是簡單的碼流數(shù)量疊加，編碼過程中由關(guān)鍵幀帶來的突發(fā)數(shù)據(jù)對傳輸網(wǎng)絡(luò)的沖擊更大，在大量前端點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)中，要完全控制突發(fā)數(shù)據(jù)帶來的影響幾乎無法實(shí)現(xiàn);由于數(shù)據(jù)量的增大，單幀數(shù)據(jù)的分組數(shù)增加，在出現(xiàn)丟包的可能性增大;另外，基于以太網(wǎng)的高清視頻的各廠家兼容問題還沒有得到比較完善的實(shí)際互換方案。

　　SDI(Serial Digital Input,串行數(shù)字接口) 是 ITU-R BT.656 以及SMPTE(動(dòng)圖像和電視工程師協(xié)會(huì))提出的串行鏈路標(biāo)準(zhǔn)，通過75 歐姆同軸電纜來傳輸未壓縮的數(shù)字視頻。在專業(yè)演播室的廣泛應(yīng)用，為高清視頻傳輸提供了另外一條道路。

　　SDI接口現(xiàn)今已經(jīng)有SMPTE 259M(SD-SDI,數(shù)據(jù)率270 Mbps)、SMPTE 292M(HD-SDI, 數(shù)據(jù)率1.485Gbps)、SMPTE 424M(3G-SDI,數(shù)據(jù)率達(dá)到2.97 Gbps)等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。采用 SDI接口的系統(tǒng)中，沒有引入壓縮以及解壓縮的過程，傳輸過程中也不需要考慮圖像時(shí)間冗余度，因此，無需進(jìn)行視頻幀的緩沖，視頻可以實(shí)時(shí)傳送;攝像機(jī)傳感器的信號能夠經(jīng)過SDI接口，無任何損失的直接到達(dá)顯示單元。

　　與網(wǎng)絡(luò)數(shù)字高清比較起來，基于SDI接口的高清視頻系統(tǒng)主要具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　● 不失真的可靠度——以未經(jīng)壓縮的數(shù)字資料在同軸電纜上或者光纖上傳輸，不會(huì)失真;HDcctv所提供的未壓縮過的高清圖像，可提供智能監(jiān)控所需的最佳高清圖像來源。另外，SDI接口即使外延也不會(huì)帶來如同數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般的網(wǎng)絡(luò)外延問題，中心系統(tǒng)與前端系統(tǒng)是完全隔離的，不可能經(jīng)過SDI接口產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)入侵，安全性較網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更高。此外，由于視頻是實(shí)時(shí)傳送，不會(huì)出現(xiàn)類似網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般的視頻中斷或者延遲帶來的視頻依舊顯示為原來狀況，避免帶來錯(cuò)誤的信息。

　　●高清等級的實(shí)時(shí)圖像——在傳輸過程中沒有產(chǎn)生壓縮與封包化的動(dòng)作，無需像數(shù)字系統(tǒng)一樣，需要進(jìn)行幀的緩沖才開始編碼和解碼;使得HDCCTV系統(tǒng)的圖像不會(huì)產(chǎn)生圖像延遲問題，可以與模擬系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行媲美，在要求實(shí)時(shí)監(jiān)控的場合具有網(wǎng)絡(luò)高清系統(tǒng)無法企及的優(yōu)勢。

　　●系統(tǒng)安裝方便——類似于傳統(tǒng)模擬CCTV系統(tǒng)，在允許的距離內(nèi)，更換攝像機(jī)和后端設(shè)備可以使用已有的同軸電纜線，直接從模擬升級到 FullHD的分辨率。比起轉(zhuǎn)換到IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，經(jīng)銷商/工程商不需再做額外的升級和學(xué)習(xí)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)知識(shí);基于SDI傳輸系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)音頻嵌入/解嵌，并可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場使用方便。[nextpage]

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

　　車站部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　針對發(fā)展中的軌道交通應(yīng)用，綜合了一些應(yīng)用中的特點(diǎn)，其主要使用用戶包括有：在車站控制室、在線路控制中心、治安管理系統(tǒng)中的用戶等。其中車站包括車站治安警務(wù)室、車站防災(zāi)等值班員均需要查看視頻;提供視頻圖像可進(jìn)行電視墻顯示;在線路控制中心的主要用途包括行車、電力、環(huán)控、防災(zāi)等各子系統(tǒng)調(diào)度員，以及控制中心的大屏顯示，并可提供錄像回放;作為治安系統(tǒng)的重點(diǎn)關(guān)注單位，軌道交通系統(tǒng)的各站點(diǎn)圖像應(yīng)該按照需要接入到派出所或者分局，滿足對重大事件的聯(lián)合應(yīng)急處置的需要。

　　車站系統(tǒng)主要完成對本車站管轄范圍內(nèi)的視頻信號的攝取、圖像顯示和存儲(chǔ)。按照車站的前端設(shè)置以及圖像應(yīng)用需求，車站的主要功能包含前端視頻接入、視頻傳輸、視頻分配、高清視頻切換矩陣、圖像上傳、以及本地監(jiān)控幾個(gè)部分構(gòu)成。

　　前端攝像機(jī)對攝像機(jī)感光器件直接輸出的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際距離的情況，經(jīng)75歐姆電纜或者光端機(jī)等進(jìn)行傳輸，SDI光端機(jī)、視頻分配器、SDI 高清視頻矩陣均內(nèi)置線路均衡電路，將經(jīng)過線纜傳輸?shù)母咚僖曨l信號進(jìn)行調(diào)理整形，整個(gè)過程可確保感光器件輸出的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)入后端，并到達(dá)切換矩陣進(jìn)行應(yīng)用控制，最終到達(dá)監(jiān)視器。在整個(gè)光端機(jī)傳輸、信號分配、高清視頻矩陣切換控制、聯(lián)網(wǎng)視頻傳輸?shù)冗^程中均采用高速串行數(shù)字信號進(jìn)行傳輸，在傳輸、交換過程中均不會(huì)帶來任何圖像損傷。

　　整個(gè)過程一直采用高速數(shù)字信號，可以確保在采集、傳輸、處理一直到輸出給顯示設(shè)備，均不存在任何的視頻壓縮，可以確保信號無損失的直達(dá)顯示單元，圖像的清晰度不會(huì)受到切換或者傳輸?shù)挠绊?。采用這種方式，確保了圖像的品質(zhì)得到保障，避免了由于采用圖像壓縮帶來的細(xì)節(jié)損失，并且可以良好的保證圖像的實(shí)時(shí)性。

　　采用該方式構(gòu)建的系統(tǒng)，由于SDI接口具備相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，因此，在傳輸、分配、顯示過程中都可以采用標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測試，或者可直接采用具備SDI接口的監(jiān)視器進(jìn)行視頻查看，判定安裝使用過程中可能出現(xiàn)的問題。

　　在經(jīng)SDI光端機(jī)進(jìn)入機(jī)房后，采用視頻分配器將信號分為多路，一組給SDI矩陣使用，用于本地顯示以及實(shí)時(shí)上傳到上級治安系統(tǒng)(如派出所等); 另一組直接傳輸給SDI編碼器，進(jìn)行視頻圖像編碼，再經(jīng)由交換網(wǎng)絡(luò)，提供給后端平臺(tái)進(jìn)行本地存儲(chǔ)或者遠(yuǎn)程訪問使用。鑒于高清視頻的碼流較大，各站宜劃分子網(wǎng)，以屏蔽廣播數(shù)據(jù)包等無用數(shù)據(jù)。

　　此外，在每個(gè)車站的上、下行站臺(tái)列車駕駛室停車位置的一端，各需設(shè)置1臺(tái)監(jiān)視器，接收本側(cè)站臺(tái)高清攝像機(jī)的合成畫面供司機(jī)觀看乘客上下車情況。將站臺(tái)攝像機(jī)就近采用視頻分配器1分為2，一路采用畫面處理器進(jìn)行視頻分隔處理，將組合后的視頻送入站臺(tái)監(jiān)視器以兩畫面模式實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前站臺(tái)圖像情況，另一路傳輸?shù)秸军c(diǎn)機(jī)房或設(shè)備間。

　　車站本地視頻調(diào)用

　　站點(diǎn)本地的視頻應(yīng)用主要包括車站治安管理使用和車站控制室使用兩個(gè)用途。[nextpage]

　　根據(jù)治安管理的需要，在各車站通常設(shè)置有警務(wù)室或者派出所，負(fù)責(zé)及時(shí)處理站點(diǎn)上的緊急事務(wù)并維護(hù)車站治安。在本系統(tǒng)中，我們設(shè)置了警務(wù)室可直接接收高清視頻矩陣的SDI輸出，并可根據(jù)需要，采用畫面處理器進(jìn)行畫面組合，可以以單畫面或者4畫面模式查看。同時(shí)，考慮到警務(wù)系統(tǒng)的更高權(quán)限需要，在警務(wù)室值班員可同時(shí)配置一臺(tái)公安視頻終端，可操作本地高清視頻矩陣切換及控制或者錄像回放，允許使用相應(yīng)的用戶名和密碼登陸到系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。

　　在車站控制室，同樣設(shè)置多臺(tái)監(jiān)視器進(jìn)行顯示。車站控制室的值班員(如行車值班員、防災(zāi)值班員等)配置綜合視頻終端(將視頻部分融入ISCS系統(tǒng)等)，允許使用相應(yīng)的用戶名和密碼登陸到系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作，包括操作本地高清視頻矩陣切換及控制。

　　圖像存儲(chǔ)設(shè)備

　　類似于常規(guī)模擬系統(tǒng)，SDI系統(tǒng)也可以簡單的采用DVR方式進(jìn)行存儲(chǔ)，提供長時(shí)間的錄像存儲(chǔ)功能，經(jīng)過SDI接口DVR進(jìn)行編碼后，也可經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)方式提供視頻給后臺(tái)應(yīng)用。使用DVR進(jìn)行存儲(chǔ)仍不失為一種較為經(jīng)濟(jì)的解決方案。考慮到DVR的系統(tǒng)的文件可靠性問題，系統(tǒng)也可以采用SDI編碼器組進(jìn)行數(shù)字化，將采用IP SAN進(jìn)行錄像存儲(chǔ)，提供更高的寫入性能和文件可靠性，造價(jià)略高。

　　圖像存儲(chǔ)可由視頻部分的軟件來進(jìn)行管理并提供多用戶訪問等應(yīng)用。

　　顯示方式與上傳

　　系統(tǒng)中的顯示設(shè)備(包括控制中心、各車站、派出所、分局等)至高清解碼器之間的圖像信息傳送可采用多種方式，可采用SDI接口，也可以采用HDMI接口，以適應(yīng)多種顯示設(shè)備。

　　除了這種方式以外，由于在車站一級，已經(jīng)采用DVR或者編碼器進(jìn)行圖像編碼，也可以考慮經(jīng)過數(shù)字解碼器輸出上墻，以實(shí)現(xiàn)包括巡視、多畫面等等應(yīng)用功能。

　　每個(gè)站點(diǎn)的SDI高清視頻矩陣可支持多路視頻上傳，并接受聯(lián)網(wǎng)的控制信號。這個(gè)聯(lián)網(wǎng)方式接近模擬視頻矩陣方式，可同時(shí)上傳多路SDI高清視頻圖像到派出所。采用SDI光端機(jī)，可在一芯光線上完成1～8路視頻的上傳以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

　　上級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　站點(diǎn)級系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成本地的管理，包括圖像查看部分和控制部分均局限與本站點(diǎn)圖像。對于治安系統(tǒng)的派出所、分局，一級，或者線路的控制中心，需要查看多站點(diǎn)圖像，對多個(gè)站點(diǎn)圖像均需要進(jìn)行統(tǒng)一查看和控制。其結(jié)構(gòu)可按照圖2方式構(gòu)建。

　　對于上級系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)相對簡單，由于不涉及圖像直接接入，僅采用下級上傳視頻，同時(shí)錄像工作也已經(jīng)在站點(diǎn)完成，因此，上級設(shè)置矩陣，通過光端機(jī)接入下級圖像，采用矩陣聯(lián)網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)圖像查看。

　　此外，通過網(wǎng)絡(luò)方式也可接入前端的數(shù)字圖像，通過部署相應(yīng)的客戶端，可實(shí)現(xiàn)對前端圖像的查看和控制以及錄像回放。其結(jié)構(gòu)與車站系統(tǒng)類似，不再贅述。

　　與其他系統(tǒng)的接口

　　根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)構(gòu)建的系統(tǒng)包含了高清SDI實(shí)時(shí)視頻圖像系統(tǒng)，以及數(shù)字高清視頻應(yīng)用系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)都需要完成圖像的觀看。因此，勢必涉及到如何設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分的總體結(jié)構(gòu)問題。

　　在軌道交通系統(tǒng)中，ISCS系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)的靈活性，本身可以肩負(fù)著管理所有軌道系統(tǒng)包括行車等重大系統(tǒng)的任務(wù)，因此，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上可采用建立單獨(dú)視頻管理系統(tǒng)的方式，在ISCS系統(tǒng)中對視頻管理系統(tǒng)進(jìn)行接入整合的方式，以納入一體化管理。

　　本方案中所采用的矩陣切換控制、控制碼分配器等設(shè)備，均具備相應(yīng)的RS232/RS422接口或者以太網(wǎng)接口。其控制指令、協(xié)議、Demo控制程序等信息均可以統(tǒng)一提交以便進(jìn)行更進(jìn)一步的系統(tǒng)集成。INFINOVA的SDI矩陣也吸收了原有ARM矩陣系列的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方式，用戶可以直接將其視為一臺(tái)矩陣，根據(jù)唯一編號ID進(jìn)行調(diào)用。

　　結(jié)束語

　　采用該方式構(gòu)建的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)圖像的品質(zhì)得到保障，避免了由于采用圖像壓縮帶來的細(xì)節(jié)損失，并且可以在使用中保證圖像的實(shí)時(shí)性。在后臺(tái)可以借助于視頻管理軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對經(jīng)DVR或者編碼器進(jìn)行編碼的數(shù)字視頻部分進(jìn)行更方便的應(yīng)用。HDCCTV系統(tǒng)在保障了實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，提供了高清圖像的另外一種實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)秉承了模擬系統(tǒng)的通用性良好、安裝便捷的特性，在網(wǎng)絡(luò)高清面前，也具備自身的獨(dú)特優(yōu)勢。