高清時代來臨 地鐵視頻監(jiān)控解決方案分析

要實現(xiàn)真正意義上的高清數(shù)字視頻監(jiān)控，必須傳輸無損高清數(shù)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(shù)字視頻無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(shù)據(jù)輸入輸出。發(fā)送給每個站點的高清1080p的高清數(shù)字多媒體，以及每個站點的8路高清數(shù)字攝像頭傳入的高清監(jiān)控視頻圖像，都屬于高清數(shù)字信號。

在各個站點，接受并顯示控制中心傳輸來的高清數(shù)字多媒體信息。并傳回每個監(jiān)控點的高清數(shù)字視頻。

此地鐵系統(tǒng)共具有15個地鐵站點，每個地鐵站點8路高清圖像，共90路高清圖像?？刂品罩行?臺高清監(jiān)視器(電視墻)，可同時觀看15個站90路高清圖像中的任意8路。

整體規(guī)劃

真正意義的高清監(jiān)控是非壓縮實時傳輸、無時延顯示高清圖像信號。整個環(huán)節(jié)都要保持高清數(shù)字指標，因此對于各個環(huán)節(jié)的選擇有如下要求。

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

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

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

智能設備：如圖像識別等系統(tǒng)，應具有高清圖像的輸入接口，能進行高清視頻分析的能力。

傳輸難點及解決方案

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

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

傳輸系統(tǒng)

所示，每一路攝像機采用百萬高清數(shù)字攝像機，輸出12bit、746.496Mbps的1080p非壓縮數(shù)字圖像。共傳輸90路高清數(shù)字視頻。帶寬為90×746.496Mbps=67.18464Gbps。鑒于控制中心最大能同時觀看8路高清數(shù)字視頻，所以不必要同時傳輸90路，只需同時傳輸8路就足夠了。各個站點本地實時存儲本站點的8路高清視頻。這樣帶寬就降低到8×746.496Mbps=5.971968Gbps。采用節(jié)點式環(huán)形網(wǎng)光傳輸，占用1-5芯光纖。

高清多媒體傳輸采用節(jié)點時光傳輸，傳輸?shù)氖?080p×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(shù)據(jù)業(yè)務屬于低碼流數(shù)據(jù)，采用節(jié)點式環(huán)形網(wǎng)光傳輸，占用1-2芯光纖。因此，三方合起來一條8芯光纜就能滿足這個系統(tǒng)的要求。

傳輸難點及解決方案

HD-SDI攝像機輸出是高清數(shù)字非壓縮信號，當HD-SDI攝像機推入市場時，就經(jīng)常出現(xiàn)“傳輸距離太短”的質疑。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(shù)據(jù)傳輸，若傳輸距離長，就會出現(xiàn)3路數(shù)據(jù)不同步，引起重影、偏色等諸多問題。這種質疑嚴重影響了工程商在監(jiān)控系統(tǒng)中采用HD-SDI攝像機的熱情。

因此，部分制造商放棄無壓縮高清監(jiān)控，降低監(jiān)控質量，放棄實時性，而采用有損壓縮的百萬高清網(wǎng)絡攝像機使用網(wǎng)絡傳輸；而另一部分則著重研究傳輸問題，除了開發(fā)3G-SDI的產(chǎn)品用傳輸速率來增加傳輸距離外，同時也在HD-TX芯片上以FPGA設計架構采用無損壓縮技術降低帶寬，將距離增加到300米，同時也可藉由在同軸或UTP纜在線材質上128/168/192編織上對高頻損失的優(yōu)劣條件選用，來降低線路上的損失及延長高清HD-SDI的信號傳輸距離。

目前最普遍的是，HD-SDI通過轉Fiber的光端機轉換為光纖電纜傳送，同時為了能滿足多路的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?shù)氖欠菈嚎s高清數(shù)字視頻，一路1080p×60fps的高清數(shù)字視頻需占用2.97Gbps帶寬。光纖傳輸理論上傳輸帶寬沒有上限，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(shù)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路百萬高清數(shù)字攝像機的高清數(shù)字視頻。采用多芯單波長或者單芯多波長的光纜，即能完全滿足高清傳輸?shù)囊蟆?

節(jié)點式環(huán)形高清數(shù)字傳輸特點

本文中的某地鐵高清傳輸案例，主要有以下幾個特點：

采用單芯單波長光纖傳送多路RVF格式高清監(jiān)控視頻，解決了無損多路高清數(shù)字視頻監(jiān)控無法傳輸?shù)膯栴}。不僅降低布多條光纜的費用。而且在現(xiàn)有的光纜基礎上輕松升級，實現(xiàn)真正的高清數(shù)字視頻監(jiān)控。

環(huán)形光纖網(wǎng)絡的自愈功能，當某節(jié)點斷路時，光通路自動切換到另一種環(huán)形網(wǎng)絡拓撲。增強了系統(tǒng)的安全性。降低系統(tǒng)硬件的故障率。

各個站點采用高清數(shù)字視頻多業(yè)務交換平臺。平臺擁有8路10Gbps光傳輸通路，可動態(tài)插入和撤銷1-8路高清數(shù)字監(jiān)控視頻。1路高清數(shù)字視頻監(jiān)視，可監(jiān)視本地視頻，也可監(jiān)視光通道內(nèi)10Gbps高清數(shù)字視頻光傳輸流內(nèi)任意一路視頻。8路高清視頻存儲及回放，回放時，回放視頻插入10Gbps高清數(shù)字視頻光傳輸流。下行數(shù)據(jù)流經(jīng)解包、分配到各個終端，各終端的上行數(shù)據(jù)流經(jīng)封包插入數(shù)據(jù)流中，上報給中心服務端。

此平臺屬于動態(tài)交換平臺，可隨時增加和減少監(jiān)控攝像機的數(shù)量，可隨時增加和減少各種上下行數(shù)據(jù)，主機采用機箱插板式結構，擴容方便，可隨時在線動態(tài)增減板卡，不必讓系統(tǒng)下線。主機還備有1路高清視頻板卡，故障時會自動替換故障板卡。即保證了系統(tǒng)7×24小時在線，又提高了系統(tǒng)的安全性。