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地铁高清视频监控系统传输解决方案


高清时代来临,高清数字图像在图像清晰度和细节方面也得到很大提升。监控系统后端的图像智能分析、图像智能处理 正需要这样的高质量图像源。与高质量的图像源相对应的是高传输码流,传输非压缩的 1080p × 60fps 的高清图像需要占 用 2.97Gbps 的带宽。对于一个监控系统,往往需要对多个点进行监控,实时传输各个点的数字高清视频时,带宽占用非 常大,基本无法传输。如何降低带宽,各个制造商大都采用有损压缩方法。比如采用 H.264 压缩算法的网络摄像机,使 用 100M 网络传输,传输码流为 32K~4Mbps。这样虽能大大降低高清图像传输占用的带宽,但是带来的负面影响是:1、 图像质量大大下降,图像模糊,细节看不清,监控系统后端图像处理及分析能力也会大打折扣;2、传输图像时延严重, 图像压缩速度取决于编解码系统速度和图像大小, 高清数字图像压缩需耗费大量时间;网络传输速度取决网络拓扑和带宽 情况,当网络堵塞时,基本无法传输。对实时传送已无意义。

要实现真正意义上的高清数字视频监控,必须传输无损高清数字视频。本文以某地铁的高清视频传输为例,对于 1080p 的高清数字视频无损传输解决方案做分析。

高清时代地铁监控需求分析

在控制中心端,有大量高码率的数据输入输出。发送给每个站点的高清 1080p 的高清数字多媒体,以及每个站点的 8 路高清数字摄像头传入的高清监控视频图像,都属于高清数字信号。

在各个站点,接受并显示控制中心传输来的高清数字多媒体信息。并传回每个监控点的高清数字视频。

此地铁系统共具有 15 个地铁站点,每个地铁站点 8 路高清图像,共 90 路高清图像。控制服务中心 8 台高清监视器 (电视墙),可同时观看 15 个站 90 路高清图像中的任意 8 路。

整体规划

真正意义的高清监控是非压缩实时传输、无时延显示高清图像信号。整个环节都要保持高清数字指标,因此对于各 个环节的选择有如下要求。

摄像机:传统摄像机采用 CMOS 的感光芯片,经过 ISP 处理,输出模拟 CVBS 信号,不满足高清要求。必须使用高 清 CMOS 的图像传感器,输出非压缩高清数字信号,如 SDI,HDMI 等。可选择不仅输出 SDI 非压缩高清数字信号,同 时还具有原始图像信息的 RVF(Raw Video Formats)非压缩视频格式的光接口输出的百万高清摄像机。

传输设备:高清数字视频信号由于码流很高,输出距离受到很大局限,比如 SDI 信号,在保持信号完整性,最大不 过 100 米。所以要求传输设备即要保持高清数字信号的无损传输,又要达到长距离的传输。采用传输码流达 3.125Gbps 的数字光传输设备, 在单芯单波长的光纤里能够无损传输不小于 40Km 的距离。 传输码流达 10Gbps 的数字光传输设备, 在单芯单波长的光纤里能够无损传输不小于 40Km 的距离。

传输线缆:非压缩高清数字图像信号经传统同轴电缆,双绞线等长距离传送方式已不可能。所以传输线缆必须是光 缆,一般 8 芯光缆基本能完成一般监控系统的需要。

智能设备:如图像识别等系统,应具有高清图像的输入接口,能进行高清视频分析的能力。

存储设备:如 DVR,必须具有 1 路或者多路高清数字视频输入接口,具有压缩存储高清数字视频功能,具有高清视 频的回放功能。

监视设备:一般的监控监视器都不支持高清数字视频,应提升到完全支持 1080p * 60fps 的高清格式显示。

传输系统

所示,每一路摄像机采用百万高清数字摄像机,输出 12bit、746.496Mbps 的 1080p 非压缩数字图像。共传输 90 路 高清数字视频。带宽为 90× 746.496Mbps = 67.18464Gbps。鉴于控制中心最大能同时观看 8 路高清数字视频,所以不必要 同时传输 90 路,只需同时传输 8 路就足够了。各个站点本地实时存储本站点的 8 路高清视频。这样带宽就降低到 8× 746.496Mbps = 5.971968Gbps。采用节点式环形网光传输,占用 1-5 芯光纤。

高清多媒体传输采用节点时光传输,传输的是 1080p× 60fps 的多媒体图像信息,故只需要 2.97Gbps 就足够。占用 1 芯光纤。

其它上下行数据业务属于低码流数据,采用节点式环形网光传输,占用 1-2 芯光纤。因此,三方合起来一条 8 芯光 缆就能满足这个系统的要求。

传输难点及解决方案

HD-SDI 摄像机输出是高清数字非压缩信号,当 HD-SDI 摄像机推入市场时,就经常出现“传输距离太短”的质疑。 如果采用 HDMI 传输也只有几十米,就算使用中继放大也只能最多达 100 米,而且 HDMI 是 3 路数据传输,若传输距离 长,就会出现 3 路数据不同步,引起重影、偏色等诸多问题。这种质疑严重影响了工程商在监控系统中采用 HD-SDI 摄 像机的热情。

因此,部分制造商放弃无压缩高清监控,降低监控质量,放弃实时性,而采用有损压缩的百万高清网络摄像机使用 网络传输;而另一部分则着重研究传输问题,除了开发 3G-SDI 的产品用传输速率来增加传输距离外,同时也在 HD-TX 芯片上以 FPGA 设计架构采用无损压缩技术降低带宽,将距离增加到 300 米,同时也可藉由在同轴或 UTP 缆在线材质 上 128/168/192 编织上对高频损失的优劣条件选用,来降低线路上的损失及延长高清 HD-SDI 的信号传输距离。

目前最普遍的是,HD-SDI 通过转 Fiber 的光端机转换为光纤电缆传送,同时为了能满足多路的 HD-SDI 信号的单向 或双向传送,光端机也有以 WDM/DWDM/CWDM 等多波长分频方式的传输,达成一路以上的 HD-SDI 光纤信号载送传 输要求,这可以让 HD-SDI 摄像机信号传输达到 20-80 公里。

由于传输的是非压缩高清数字视频,一路 1080p× 60fps 的高清数字视频需占用 2.97Gbps 带宽。光纤传输理论上传输 带宽没有上限,但是传输处理单元,包括光模块,收发器芯片等等,远远落后于光纤理论传输带宽。如今的万兆网的光 纤传输带宽也只是达到 10Gbps,像这样的 10Gbps 带宽也只能传输 3 路非压缩高清数字视频。

因此,必须在高清视频源头找解决方案。以无损降低高清数字视频源码流的方式来降低传输带宽。码流为 2.97Gbps 的 1080p 的高清视频,若采用 12Bit 的 RVF 格式,码流仅为 746.496Mbps,大大降低带宽。传输带宽为 10Gbps 的单芯 光纤,可以传输 10Gbps ÷746.496Mbps=13 路百万高清数字摄像机的高清数字视频。采用多芯单波长或者单芯多波长的 光缆,即能完全满足高清传输的要求。

节点式环形高清数字传输特点

本文中的某地铁高清传输案例,主要有以下几个特点:

采用单芯单波长光纤传送多路 RVF 格式高清监控视频,解决了无损多路高清数字视频监控无法传输的问题。不仅 降低布多条光缆的费用。而且在现有的光缆基础上轻松升级,实现真正的高清数字视频监控。

环形光纤网络的自愈功能,当某节点断路时,光通路自动切换到另一种环形网络拓扑。增强了系统的安全性。降低 系统硬件的故障率。

各个站点采用高清数字视频多业务交换平台。平台拥有 8 路 10Gbps 光传输通路,可动态插入和撤销 1-8 路高清数 字监控视频。1 路高清数字视频监视,可监视本地视频,也可监视光通道内 10Gbps 高清数字视频光传输流内任意一路视 频。8 路高清视频存储及回放,回放时,回放视频插入 10Gbps 高清数字视频光传输流。下行数据流经解包、分配到各个 终端,各终端的上行数据流经封包插入数据流中,上报给中心服务端。

此平台属于动态交换平台,可随时增加和减少监控摄像机的数量,可随时增加和减少各种上下行数据,主机采用机 箱插板式结构,扩容方便,可随时在线动态增减板卡,不必让系统下线。主机还备有 1 路高清视频板卡,故障时会自动 替换故障板卡。即保证了系统 7× 小时在线,又提高了系统的安全性。 24

本文由光之联科技 www.gzl400.com 汇总编写


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