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地铁高清电视监控系统设计解决方案分析


地铁高清电视监控系统设计解决方案分析
高清监控需求 近年, 高清电视监控技术已日益成熟, 高清摄像机尤其适合地铁人流密集场所的监控需 求,具有很好的应用前景,相信会在今后的地铁监控项目建设中得到广泛应用。 需求分析 高清视频监控近年来得以迅速发展,主要是为了解决在正常监控过程中“细节”看不清 的问题,有个别城市新建地铁采用高清电视监控,从运营管理和治安管理,都需要高清监

控 图像,从面对地铁恐怖袭击更需要高清监控图像,高清监控采用广电标准,分辨率为 1920 ×1080 像素,而现在高清电视监控技术已日益成熟,设备成本已大幅下降,高清摄像机尤 其适合在地铁人流密集地方监控, 既能看清宏观又能看清细节, 会在今后地铁监控广泛应用。 高清电视监控标准 我国规定标准清晰度电视(SDTV)的分辨率为 720×576 像素(D1 分辨率),而高清晰 度电视(HDTV)的分辨率为 1920×1080 像素,准高清 1280×720 像素; 1080i 分辨率为 1920 点 x1080 扫描线(隔行扫描方式); 720P 分辨率为 1280 点 x720 条扫描线(逐行扫描方式); 1080P 分辨率为 1920 点 x1080 扫描线(逐行扫描方式); 传统监控系统多以模拟摄像机及监视器的可分辨线数(TVLine)来表示,水平分辨率 480 线,540 线或 580 线的摄像机就宣称为高清,它是指摄像机在拍摄垂直黑白线条时,在 水平方向相应于垂直屏高的区间内所能分辨出的黑白线条数,在传统数模结合的监控系统 里, 模拟图像经数字编码 CIF 分辨率 352×288=10.14 万像素, 4CIF 分辨率 704×576=40.55 万像素,D1 分辨率 720×576=41.47 万像素。 高清晰度电视 (HDTV) 的分辨率为 1920×1080=207.36 万像素, 准高清 1280×720=92.16 万像素。 从上述可以看出如果是 100 多万像素数字摄像机, 是准高清, 如果 200 多万像素数字摄 像机,是高清数字摄像机。1 台准高清数字摄像机相当 2 台模拟高清摄像机,1 台高清数字 摄像机相当 5 台模拟高清摄像机。 能达到二百万像素的摄像机, 配套以 1080p 分辨率的显示设备及相应的传输通道, 就可 以形成一套可称之为高清的监控系统。 高清监控接口

非压缩高清视频方案的传输主要通过 HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI 四种高清接口,非压 缩高清视频码流非常大,以 30fps 的速度传 1 路 1920x1080P 高清视频,所需数据速率达到 1.485Gbps,非压缩高清视频无法在 TCP/IP 网络传输,经过压缩编码大幅降低码流,可以在 TCP/IP 网络传输 1920x1080P 高清视频,采用 RJ45 接口。 DVI 接口: 全称 DigitalVisualInterface, 数字视频接口, 目前常见的 DVI 接口有两种, 分别是 DVI-Digital(DVI-D)与 DVI-Integrated(DVI-I),DVI-D 只能接收数字信号,而 DVI-I 则可以可同时兼容模拟和数字信号,也就是说 DVI-I 的兼容性更强。通常我们在显卡 的接口部分,看到的是 DVI-I 接口,而在显示器处,看到的则是 DVI-D 接口。 HDMI 接口:是英文“HighDefinitionMultimediaInterface”的一个缩写,意思是高清 晰度多媒体接口。 它是一种全数位化影像和声音传送接口, 可以传送无压缩的音频信号及视 频信号,最新的 HDMI1.3 规范最高带宽可以达到 4.95Gbps,实际视频信号传输带宽接近 4Gbps,而现在最高规格的高清视频格式 1080p 所需的带宽仅仅为 2.2Gbps,HDMI 源于 DVI 接口技术,这也就是为何 HDMI 接口和 DVI 接口能够通过转接头相互转换的原因,与 DVI 相 比,HDMI 可以传输数字音频信号,HDMI 完全向下兼容 DVI,它只需要一条 HDMI 线,HDMI 最远可传输 15 米。 第 2 页:地铁电视高清监控构成 HD-SDI 接口:SDI(serialdigitalinterface)接口是一种“数字分量串行接口”,而 HD-SDI 接口是一种广播级的高清数字输入和输出端口, 其中 HD 表示高清信号, 是根据 SMPTE (摄影与电视工程师协会) 202M, 1.485Gb/s 或者 1.485Gb/1.001Gb/s 的信号速率条件下 在 传输的接口规格,该规格规定了数据格式,信道编码方式,同轴电缆借口的信号规格,连接 器及电缆类型与光纤接口等。其最大的好处在于,HD-SDI 接口采用 75 欧姆同轴电缆传输视 频和音频信号,以 BNC 接口作为线揽标准。有效距离为 100 米。 YPbPr 接口:YPbPr 也叫色差分量接口,是逐行输入/输出高清晰数字电视专业接口,可 连接高清晰数字信号机顶盒、卫星接收机、影碟机、各种高清晰显示器/电视设备,采用的 是美国电子工业协会 EIA-770.2a 标准,把色度(C)信号里的蓝色差(b)、红色差(r)分 开发送,而 YPbPr 接口不是数字接口,仍然定义为是模拟接口,YPbPr 的接口可以使用同轴 电缆,可以用 BNC 头,也可以使用普通莲花头作为接口标准。 4 种接口比较分析 对以上 4 种接口比较和分析,发现 HD-SDI 接口是目前比较好的高清接口,同时 HD-SDI 接口也是目前广电行业标准的高清接口。 HD-SDI 以其较远的传输距离和较高的传输速率,更多地被使用到前端设备到传输设备, 或者前端设备到中心/控制设备上。例如 HD-SDI 摄像机到 HD-SDI 光端机/矩阵的连接。

在传输距离不是很远, 使用 HDMI 和 DVI 即能满足需求。 像支持 HDMI/DVI 的矩阵到监视 器/大屏幕拼接墙之间的连接; 显示终端一般都带有 YPbPr 接口, 虽然 YPbPr 传输速率较低, 但因其传输线的价格比较 便宜,传输的距离较长,在某些对传输速率要求不高的场合也还是有一定的应用。 地铁电视高清监控构成 地铁高清监控方案采用:HD-SDI 高清摄像机(数字高清非压缩视频)+IP 高清摄像机+ 同轴视频线缆(100 米以内)+HD-SDI 光端机+光纤(超过 100 米以外)+五类网线(配 IP 高清摄像机 100 米以内) +高清站台监视器 (站台监控图像画面合成) +高清监察亭监视器 (站 台监控图像画面合成)+高清编码器+高清视频矩阵+高清监视器+交换机+IPSAN 存储+视频管 理服务器+控制终端+上传控制中心。 前端摄像机设计 前端数字摄像机有两种:一种是采用 HD-SDI 高清摄像机,另一种 IP 高清摄像机。由于 SDI 接口不能直接传送压缩数字信号, HD-SDI 接口采用同轴电缆, BNC 接口作为线揽标准, 以 有效距离为 100M。 IP 就是网际协议,IP 高清摄像机除了具备一般传统摄像机所有的图像捕捉功能外,机 内还内置了数字化压缩控制器和基于 WEB 的操作系统, 使得视频数据经压缩加密后, 通过局 域网, Internet 或无线网络送至终端用户。 高清摄像机可以直接接入到 TCP/IP 的数字化 IP 网络中,通过互联网或者内部局域网进行视频和音频的传输。 IP 高清摄像机与 HD-SDI 高清摄像机,两者各有千秋,IP 高清摄像机优势在于 IP 网络 的开放性和管理软件的功能强大,设备接入只需一根网线即可使用,组网简单、系统开放性 好、扩容方便,更为经济,但图像和控制延迟约 200ms-300ms。而 HD-SDI 高清摄像机的优 势在于实时性好,本地上电视墙和监视器图像清晰度高,但组网稍微复杂,成本稍高,上传 远程控制中心图像和控制延迟约 200ms-300ms。 第 3 页:传输设计 传输设计 HD-SDI 高清摄像机传输设计 非压缩高清视频方案的传输主要通过 HD-SDI 接口: 75/BNC, 接口连接的同轴视频线缆, 广电标准传 100 米,如果超过 100 米,采用光纤,但需配 HD-SDI 光端机,HD-SDI 光端机还 可选带 1-3 路环出,多路的环出功能可为客户节省视频分配器数量减少用户付出的多余成 本, 因为一般同 1 路视频进高清视频矩阵, 1 路视频进视频编码器, 1 路进站台监视器。 同 同 高清视频矩阵视频输入接口具有光口,可以节省 1 台 HD-SDI 光端机。

有的 HD-SDI 高清摄像机还内置光纤接口, 如果接入有光口高清视频矩阵, 就不需 HD-SDI 光端机。 HD-SDI 光端机可以在光纤上传 1 路单向/双向 HD-SDI 信号,和 1-2 路反向数据,1-2 路反向/双向音频信号,不需单独敷设音频和控制线。 在地铁线路控制中心一般是音视频图像通过交换机和高清音视频解码器通过大屏幕图 像拼接处理器上电视墙,高清音视频解码器可以带 HDMI/DVI 输出接口,大屏幕图像拼接处 理器可以带 HDMI、DVI 输入输出接口,全高清 LED 液晶电视输入接口有 HDMI、DVI,那么交 换机到高清音视频解码器是超 5 类网线,高清音视频解码器到大屏幕图像拼接处理器采用 HDMI/DVI 线缆,不超过 15 米;如果超过 15 米,采用带有 HDMI、DVI 接口高清光端机。 IP 高清摄像机传输设计 采用 IP 高清摄像机,传输接口:RJ45,100M 以太网传输,供电形式:IP 高清摄像机还 可通过以太网 POE 供电,所有的连接线缆,只要一根超 5 类 4 对 UTP 即可。考虑到 POE 供电 交换机造价比较高,为了降低成本,采用单独的电源线 12VDC 集中供电,因 POE 供电是属于 锦上添花的东西,采用低电压供电电源线可以与 UTP 网线共管敷设,无需单独再铺设管路, 但超过 100 米需采用光纤配置光纤收发器。 输出传输设计 高清显示设备(液晶显示器,液晶电视,离子电视)带有 HDMI/DVI 接口。 高清视频矩阵接口支持 HD-SDI、HDMI、DVI。高清视频解码器接口输出支持 HDMI、DVI。 高清视频编码器可灵活支持配置 SDI、HDMI、DVI 高清视频输入卡,支持各种高清视频 输入接口,提供以太网电口、RS-485 串口、RS-232 串口等多种接口,还可以通过插卡方式 提供 SFP 接口和 EPON 接口,能够适应多种组网环境。 HDMI/DVI 支持 5Gbps 的数据传输率,最远可传输 15 米,高清视频矩阵到高清监视器如 果超过 15 米可采用 HDMI 高清视频光端机, 在远程控制中心,各个车站监控图像通过交换机经光纤上传到中心交换机。 第 4 页:视频综合平台设计 视频综合平台设计 视频综合平台集高清编解码器、高清数字矩阵、视频管理服务器、交换机、监控终端实 现了高清视频监控从采集、传输、编码、切换控制到显示应用。如果采用全 IP 高清摄像机, 本地就不需要高清数字矩阵,采用 IP 矩阵,所谓 IP 矩阵是控制终端控制软件根据摄 IP 高 清摄像机和视频编解码器及储存服务器 IP 地址节点显示矩阵内容,调用、切换视频监控图

像,由于矩阵类型选择的是 IP,所以矩阵中的节点全是 IP 地址节点,即显示的是 IP 地址 之间的通讯。 有的厂家将高清编解码器、 高清数字矩阵、 交换机、 高清光端机集成 1 个机箱, 好处是体积小,扩容方便,减少控制设备之间线缆,可靠性高。高清编解码器主要功能是对 高清实时音视频信号进行 H.264 编码压缩,支持高清视频格式 1920×1080P@25fps 和 1920 ×1080P@30fps,并封装为 IP 数据包,通过 IP 网络传送到指定的目的地址。 所有监控的控制流都由视频管理服务器处理, 但是系统中音视频媒体流并不在视频管理 服务器上集中处理,高清编解码器采用全 IP 网络传输,支持点对点的单播和点对多点的组 播传输方式,高清编解码器集成 iSCSI 客户端模块,通过 IP 网络进行以分布式的交换和处 理。 音视频储存设计 车站采用 IPSAN 存储阵列, 高清编解码器可采用内嵌 iSCSI 协议, 直接对 IPSAN 进行写 入操作, 从而实现音视频数据的集中存储和管理, 避免了由于文件存储和流媒体服务器性能 瓶颈, 通过 iSCSI 块存储, 可以实现对紧急事件的即时回放, 大大提高事件的应急响应能力。 在控制中心备份 1 套 IPSAN 存储阵列,当某个车站 IPSAN 存储阵列瘫痪,由控制中心 IPSAN 存储阵列接管或储存报警、感兴趣信息。 控制中心配置 1 台存储数据管理服务器, 实现各个车站 IPSAN 存储阵列分布式部署, 控 制中心集中管理, 有效的解决了大规模监控面临的视频海量存储管理问题, 实现存储设备的 管理与物理位置无关, 所有存储设备相当于一个巨大的虚拟存储硬盘, 简化了存储设备的部 署和管理,完成存储空间管理:支持存储空间的动态分配及调整,提高存储空间的利用率。 完成存储计划管理:可对所有监控点制定存储计划,实现前端监控点视频存储的自动管理。 完成存储策略管理:可针对不同的监控区域采用不同管理策略,包括存储时长、RAID 等级、 是否支持快照等, 实现对存储空间的运营。 完成存储数管理: 支持视频数据高效存储、 检索、 下载、集中存储、重要信息的归档备份等功能。 独立磁盘冗余阵列: RAID5 是一种存储性能、 数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案, 通过奇偶校验信息提供冗余的存储能力。 它不对存储的数据进行备份, 而是把数据和相对应 的奇偶校验信息存储到组成 RAID5 的各个磁盘上, 并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存 储于不同的磁盘上。 RAID5 的一个磁盘数据发生损坏后, 当 利用剩下的数据和相应的奇偶校 验信息去恢复被损坏的数据。 车站客户端设计 车站运营一般配置 1 台 PC 监控控制终端,至少 4 台监视器,高清标准要求电视屏幕幅 型比为 16:9,而不是传统电视 4:3 的比例,这样更增加了观看的临场感和更符合人眼观 看的习惯。 车站公安一般配置 1 台 PC 监控控制终端, 至少 4 台监视器, 采用高清监视器 1920 ×1080P,带有高清视频输入接口:HD-SDI、HDMI、DVI-D、Y/Pb/Pr 视频接口。如果系统采

用全 IP 视频监控, 高清监视器通过 HDMI 或 DVI-D 接口与视频解码器相连, 通过客户端软件 界面和网络视频控制键盘灵活的调用、切换、控制多路监控视频图像到高清监视器,PC 监 控控制终端内置软件解码,支持多路视音频信号的软解码,使得用户可以直接在 PC 上对监 控内容进行实时查看、控制或历史回放监控图像,实现了 IP 矩阵功能。如果采用高清视频 矩阵,那么将高清视频矩阵通过 HDMI 或 DVI-D 接口与高清监视器相连,通过矩阵键盘或 PC 监控控制终端将监控图像在高清监视器显示。 在每个车站和控制中心配置视频管理服务器,其功能是监控平台的管理中心和控制中 心,授权用户可以在任意一台 PC 管理终端上完成全网的设备管理、资源调度、云台控制和 硬解码输出控制, 所有的控制指令由视频管理服务器集中处理和发送, 而视频流则可以不经 过视频管理服务器单独传输。 把视频管理服务器作为整个系统的控制和管理核心, 所有监控 的控制流都由视频管理服务器处理。 在站台上下行首, 为列车司机各配置 1 台观看本侧站台监控 2-4 台站台摄像机合成监控 图像比较大监视器,观察上下旅客和安全门工作状况。 在站台监察亭,为监察值班员配置 2 台监视器,观察站台两侧监控图像。 第 5 页:线路控制中心终端设计 线路控制中心终端设计 调度大厅设置 12-16 块大屏监视器组成拼接墙,通过大屏拼接器接入各个子系统信号, 共用电视墙, 上传 H.264 编码压缩 1920×1080P@30fps 监控图像通过视频解码器输入大屏拼 接器。 调度大厅设置 3-6 块 20 寸左右高清监视器和 3 台 PC 控制终端组成电视监控分控。 视频 解码器接收网络上的媒体流数据,并通过解码转换成视频数据,通过 VGA 或者 HDMI 接口输 出到电视墙的屏拼接器和高清监视器,通过客户端软件界面和视频控制键盘调用、切换、控 制多路监控视频图像到高清监视器,PC 控制终端通过软解码,使得直接在 PC 上对监控内容 进行实时查看、控制或历史回放监控图像。 控制中心监控终端稍多 3-6 台, 还有其它系统终端可能同时调用同一路图像, 需配置流 媒体服务器为本地或其它系统服务, 即本地或其它系统视频调用由本地流媒体服务器进行图 像获取及转发。 控制中心网管设计 一般小的监控系统,维护缺乏智能化管理,如果出现了问题,只能通过人工依次逐段去 排查,但对于地铁大规模监控系统,如果系统不具有系统智能管理手段是不可行的,其中系 统可维护性不符合要求的。

可通过视频管理服务器和存储数据管理服务器构成的管理平台对所有监控设备进行统 一管理,可管理带网管功能的设备如编码器、光端机、交换机、视频矩阵、服务器、IPSAN 磁盘阵列等,支持对设备的配置、故障、性能、告警等多方面的管理。将视频管理服务器和 存储数据管理服务器提供标准接口和 SDK 开发包,集成在网管服务器,通过 1 台 PC 网管终 端的友好软件界面显示全线设备运行状况。 网管服务器将电视监控系统告警信息向线路集中告警服务器上报。 网管服务器接收时钟系统中心母钟提供的标准时间信息, 校准本系统内所有需要时间信 息的设备。 系统针对不同的用户可以采用域管理、用户管理和云台控制优先级管理等。 地铁电视监控误区 视频图像存储不能一条地铁线将所有视频图像在控制中心存储,因为将各个车站 60 台 左右摄像机图像上传中心,带宽要求很高,需敷设专用通道,物理距离很远,视频传输节点 多,存储传输线路受到破坏因素很多,故障点不好排查,一条存储传输线路故障造成至少 1 个车站甚至一条地铁线所有监控图像存储瘫痪, 控制中心存储设备故障也将造成全线地铁电 视监控瘫痪,所以这种一条地铁线监控图像集中存储可靠性、可用性、可维护性很差,不能 对地铁运营管理和地铁公安治安和反恐起到较好保障。采用 H.264 压缩格式,在 1920× 1080p@30fps 存储和显示兼顾采用 4-6Mbps 码流,存储图像保留时间在 15 天,现在有的城 市地铁使用方,提出 6Mbps 码流,存储图像保留时间在 30 天,存储投资规模增加比较大, 实际没有必要。 车站运营综合控制室视频监视器至少有 4 台, 现在已有和在建一般不超过 2 台, 当发生 电梯和安全门事故,不能及时发现和指挥。 不要将电视监控与综合监控融合, 按理如果综合监控管理电视监控, 那么可以将电视监 控控制终端取消,但实际上不能取消,说明用了很大投资,完成一个相当不重要备份功能。 建议少用快球摄像机,误导业主和公安的对全覆盖无盲区要求,因为不能同时监控 360 度远近目标,看东看不了西,看近看不了远,而且操控人员没有耐心 20 分钟左右就控一个 快球和观看监控画面, 有可能将镜头对着很不重要监控区域。 快球摄像机只是对公共区域监 控一个辅助补充。 不要指望智能视频分析对地铁视频监控有多大帮助, 因为地铁人太多, 即便智能分析发 现一个遗留物,也会很快被人拿走,况且还需值班人员及时发现告警,但值班人员事情很多 很难及时出警。 结束语

地铁是人流密集区域是恐怖袭击主要目标, 采用高清摄像机可以在事件发生后提供现场 高清录像, 地铁运营和公安电视监控采用同一系统, 运营和公安部门的管理权限通过不同控 制终端和设备优先级控制,达到资源共享,采用全 IP 高清摄像机,组网简单,每个车站电 视监控相对独立,系统可靠性、可用性、可维护性更有保障


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