高速公路高清視頻監(jiān)控解決方案

1、高速公路高清視頻監(jiān)控解決方案張志 山西省運(yùn)城高速公路有限責(zé)任公司隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，其視頻監(jiān)控系統(tǒng)也經(jīng)歷了模擬、數(shù)?；旌霞叭珨?shù)字等多次技術(shù)變遷。來(lái)到近兩年，高清視頻監(jiān)控需求不斷被提出，特別是高速公路領(lǐng)域，對(duì)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求更為強(qiáng)烈。然而，如何構(gòu)建一個(gè)可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也成為了建設(shè)方、設(shè)計(jì)單位及設(shè)備廠商需要面臨的全新挑戰(zhàn)。為此，本文將主要針對(duì)當(dāng)前常用的幾種高清視頻監(jiān)控技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，為構(gòu)建高速公路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供參考。一、高清視頻的優(yōu)勢(shì)高速公路交警以及管理處經(jīng)常會(huì)有這樣的抱怨：圖像不清楚，無(wú)法看清車(chē)牌和駕駛室里的情況；在交通事故后去查看錄像，卻看不

2、清詳實(shí)具體的事故情況，等等。這主要是因?yàn)楫?dāng)前的高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)受制于原先的電視制式，圖像清晰度最高只能達(dá)到D1的標(biāo)準(zhǔn)（720576），而無(wú)法提供更高清晰度的視頻。因此，在高速公路應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咔逡曨l監(jiān)控系統(tǒng)的需求更加迫切?！案咔濉钡母拍钆c標(biāo)準(zhǔn)最早是由廣播電視業(yè)提出的，其主要有三種標(biāo)準(zhǔn)：720P、1080i、1080P，其畫(huà)面寬高比定義為16：9。720P即是1280720分辨率，1080i與1080P是19201080分辨率，后綴“i”和“p”分別表示隔行掃描與逐行掃描。其中，1080P是最高等級(jí)的高清視頻清晰度標(biāo)準(zhǔn)。表1是高清視頻與標(biāo)清視頻在分辨率上的對(duì)比：視頻標(biāo)準(zhǔn) 水平分辨率 垂直分辨率

3、 D1 720 576 720P 1280 720 1080P 1920 1080 表1 高清視頻與標(biāo)清視頻在分辨率上的對(duì)比從表格中可以看出，高清視頻在水平及垂直兩個(gè)方向上的分辨率均要大大高于標(biāo)清視頻。而再通過(guò)圖1，可直觀地反映D1、720P及1080P視頻單幅圖像的尺寸。圖1 D1、720P、1080P視頻單幅圖像尺寸對(duì)比對(duì)同一個(gè)監(jiān)控對(duì)象而言，采用現(xiàn)有的標(biāo)清D1標(biāo)準(zhǔn)，單幅圖像約為40萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)；采用720P標(biāo)準(zhǔn)，單幅圖像約為90萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，2倍于D1；而采用1080P的標(biāo)準(zhǔn)則有200萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，4倍于D1。因此，高清視頻可以得到監(jiān)控對(duì)象更多的細(xì)節(jié)情況，可有效解決現(xiàn)有標(biāo)清監(jiān)控系統(tǒng)存在的看不清的

4、問(wèn)題。從另一個(gè)方面來(lái)看，如現(xiàn)有標(biāo)清攝像機(jī)已滿足了清晰度的要求，那么在采用高清攝像機(jī)時(shí)，我們可以采用更為廣角的鏡頭，對(duì)2倍或4倍于標(biāo)清攝像機(jī)所監(jiān)控的范圍進(jìn)行監(jiān)控，而得到與原有標(biāo)清系統(tǒng)同樣的清晰度。也就是說(shuō)，原來(lái)標(biāo)清監(jiān)控系統(tǒng)需要安裝2個(gè)或4個(gè)攝像機(jī)來(lái)監(jiān)控的一片區(qū)域，而采用高清系統(tǒng)則只需要安裝一臺(tái)攝像機(jī)。二、高清視頻數(shù)字編碼高清視頻數(shù)字編碼可分為數(shù)字非壓縮編碼及數(shù)字壓縮編碼（IP網(wǎng)絡(luò)高清）兩種方案。兩種方案各有優(yōu)點(diǎn)，也有各自存在的問(wèn)題，選擇哪種方案就要視項(xiàng)目的實(shí)際需求來(lái)定。數(shù)字非壓縮編碼，顧名思義就是對(duì)視頻進(jìn)行數(shù)字采樣編碼，視頻信號(hào)不經(jīng)過(guò)任何壓縮技術(shù)處理。數(shù)字非壓縮方案廣泛應(yīng)用于廣播電影電視行業(yè)，其

5、接口普遍采用HD-SDI，可滿足SMPTE定義的高清視頻標(biāo)準(zhǔn)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是視頻質(zhì)量非常高，同時(shí)實(shí)時(shí)性好、延時(shí)低。但非壓縮的高清視頻碼流非常大，以30fps的速度傳輸1路19201080高清視頻，所需數(shù)據(jù)速率達(dá)1.5Gbps。而且數(shù)字非壓縮的高清視頻無(wú)法以TCP/IP的方案進(jìn)行傳輸，所以在高速公路的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，如果采用數(shù)字非壓縮的方式，對(duì)光纖的需求非常大。另外存儲(chǔ)時(shí)還需要采用壓縮技術(shù)，否則視頻資料的存儲(chǔ)將占用極大的存儲(chǔ)容量。相對(duì)于數(shù)字非壓縮方式，數(shù)字壓縮編碼的高清視頻（也可稱為IP網(wǎng)絡(luò)高清視頻）是經(jīng)過(guò)了壓縮處理的，其碼流有大幅度的降低，且通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，在后期的存儲(chǔ)及發(fā)

6、布時(shí)也較非壓縮方式更為方便。在視頻監(jiān)控行業(yè)內(nèi)最常用的高清視頻編碼格式有MPEG-2、MPEG-4、M-JPEG和H.264四種算法。1、MPEG-2編碼MPEG-2編碼是一個(gè)應(yīng)用年代比較久的編碼形式，該標(biāo)準(zhǔn)由動(dòng)態(tài)圖像專業(yè)組織（Moving Pictureures Experts Group即MPEG）于1994年推出。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視和高清晰度電視在各種應(yīng)用下的壓縮方案和系統(tǒng)層的詳細(xì)規(guī)定，編碼碼率從每秒3Mbps100Mbps，標(biāo)準(zhǔn)的正式規(guī)范在ISO/IEC13818中。MPEG-2特別適用于廣播級(jí)的數(shù)字電視的編碼和傳送，被認(rèn)定為SDTV和HDTV的編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2圖像

7、壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性：空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息。如果我們能將這些冗余信息去除，只保留少量非相關(guān)信息進(jìn)行傳輸，就可以大大節(jié)省傳輸頻帶。而接收機(jī)利用這些非相關(guān)信息，按照一定的解碼算法，可以在保證一定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像。MPEG-2的壓縮比并不高，對(duì)帶寬的要求還是很?chē)?yán)格。理論和實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于高清視頻采用MPEG-2壓縮格式，在帶寬低于20Mbps時(shí)就會(huì)影響到動(dòng)態(tài)清晰度。在高速公路這種監(jiān)控場(chǎng)合，存在大量的高速運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛，對(duì)帶寬的要求就會(huì)更高。所以在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用MPEG-2編碼方式的非常少。MPEG-4編碼運(yùn)動(dòng)圖像專家組MPEG

8、 于1999年2月正式公布了MPEG-4（ISO/IEC14496）標(biāo)準(zhǔn)第一版本。同年年底MPEG-4第二版亦隨即推出，且于2000年初正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4與MPEG-2有著很大的區(qū)別。MPEG-4不只是具體壓縮算法，它還是針對(duì)數(shù)字電視、交互式繪圖應(yīng)用（影音合成內(nèi)容）、交互式多媒體（WWW、資料擷取與分散）等整合及壓縮技術(shù)的需求而制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)將眾多的多媒體應(yīng)用集成于一個(gè)完整的框架內(nèi)，旨在為多媒體通信及應(yīng)用環(huán)境提供標(biāo)準(zhǔn)的算法及工具，從而建立起一種能被多媒體傳輸、存儲(chǔ)、檢索等應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。MPEG-4雖然在壓縮性能上比MPEG-2要好，但并其出發(fā)點(diǎn)并

9、不是針對(duì)高清視頻。同時(shí)由于一些大廠商的利益之爭(zhēng)，使得標(biāo)準(zhǔn)非常混亂，在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法統(tǒng)一。在其推出后不久，H.264也被正式推出，所以在視頻監(jiān)控行業(yè)中，MPEG-4的應(yīng)用受到了H.264的較大影響，并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。3、M-JPEG編碼M-JPEG（Motion- Join Photographic Experts Group）技術(shù)即運(yùn)動(dòng)靜止圖像（或逐幀）壓縮技術(shù)，廣泛應(yīng)用于非線性編輯領(lǐng)域可精確到幀編輯和多層圖像處理，把運(yùn)動(dòng)的視頻序列作為連續(xù)的靜止圖像來(lái)處理，這種壓縮方式單獨(dú)完整地壓縮每一幀，在編輯過(guò)程中可隨機(jī)存儲(chǔ)每一幀，可進(jìn)行精確到幀的編輯，此外M-JPEG的壓縮和解壓縮是對(duì)稱的，可由相同

10、的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。但M-JPEG只對(duì)幀內(nèi)的空間冗余進(jìn)行壓縮，不對(duì)幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮，故壓縮效率不高。此外，M-JPEG這種壓縮方式并不是一個(gè)完全統(tǒng)一的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的編解碼器和存儲(chǔ)方式并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定格式。因此，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域一般不采用M-JPEG編碼進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻流的傳輸、顯示，但由于其具有幀內(nèi)壓縮的特點(diǎn)，所以在部份監(jiān)控系統(tǒng)中有采用M-JPEG格式進(jìn)行抽幀錄像。4、H.264編碼H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動(dòng)圖像編碼專家組）的聯(lián)合視頻組（JVT：Joint Video Team）開(kāi)發(fā)的一種新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是ITU-T的H.2

11、64，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10 部分。其于2003年3月正式發(fā)布。H.264與MPEG-2最大的不同，在于MPEG-2是把全畫(huà)幅分割成相等的方塊，不管方塊內(nèi)是什么內(nèi)容逐個(gè)進(jìn)行壓縮。而H.264具有智能分析功能，它會(huì)先分析整個(gè)畫(huà)面中的運(yùn)動(dòng)部分，可對(duì)運(yùn)動(dòng)部分分配較多的資源，給相對(duì)靜態(tài)的部分分配較少的資源，這樣就可以有效地利用帶寬。在同等的圖像質(zhì)量情況下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比能比MPEG-2高23倍，比MPEG-4高1.52倍。不過(guò)，H.264解碼算法比MPEG-2和MPEG-4更復(fù)雜，其計(jì)算要求更高。針對(duì)高清視頻H.264的帶寬要求一般為8Mbps16Mbps，是目前高清視頻監(jiān)控

12、中采用最多的一種壓縮編碼方式。三、高清視頻數(shù)字接口的選擇不管是采用數(shù)字非壓縮編碼還是數(shù)字壓縮編碼，視頻最終還是需要在顯示設(shè)備上輸出。目前高清視頻數(shù)字接口主要有HDMI、DVI及HD-SDI三種。HDMI的英文全稱是“High Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒體接口。HDMI接口可以提供高達(dá)5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可以傳送無(wú)壓縮的音頻信號(hào)及高分辨率視頻信號(hào)。同時(shí)無(wú)需在信號(hào)傳送前進(jìn)行數(shù)/模或者模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可以保證最高質(zhì)量的影音信號(hào)傳送。現(xiàn)今大部份高清電視均采用HDMI接口，其最遠(yuǎn)傳輸距離為15米。DVI全稱為“Digital Visual Interface

13、”。它是1999年由Silicon Image、Intel、IBM、HP、NEC、Fujitsu等公司共同組成DDWG（Digital Display Working Group，數(shù)字顯示工作組）推出的接口標(biāo)準(zhǔn)。DVI有DVI-A、DVI-D和DVI-I三種不同的接口形式，目前應(yīng)用主要以DVI-D為主，其能接收數(shù)字信號(hào)，不兼容模擬信號(hào)。DVI電纜的最大長(zhǎng)度是不包括在規(guī)范內(nèi)的，一般情況下顯示1920 1080分辨率所需視頻電纜長(zhǎng)度可達(dá)5米。HD-SDI采用同軸電纜傳輸，以BNC接頭作為標(biāo)準(zhǔn)接口。其標(biāo)準(zhǔn)由SMPTE（美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì)）進(jìn)行定義，其中 SMTPE 292M標(biāo)準(zhǔn)定義了如何以1.4

14、85Gbps的速率，通過(guò)串行數(shù)字接口傳輸10比特1024級(jí)4：2：2抽樣格式的高清分量視頻。SMPTE 425M標(biāo)準(zhǔn)則支持10比特以及12比特的3Gbps數(shù)據(jù)流。HD-SDI傳輸距離可達(dá)100米，是目前高清接口中傳輸距離最遠(yuǎn)的接口，已廣泛應(yīng)用于廣播和視頻產(chǎn)品中。各接口的特性如表2所示： HD-SDI HDMI DVI 端口數(shù)量 1 1 1 傳輸格式 1080i，1080p，720p 1080i，1080p，720p 1080i，1080p，720p 信號(hào)傳輸模式 無(wú)損數(shù)字信號(hào) 無(wú)損數(shù)字信號(hào)無(wú)損數(shù)字信號(hào)同時(shí)音頻傳輸 支持 支持 不支持 傳輸帶寬 1.485Gbps 5Gbps 8Gbps 最遠(yuǎn)傳

15、輸距離 100米 20米 5米 表2 HD-SDI、HDMI、DVI接口特性對(duì)比通過(guò)以上對(duì)高清視頻數(shù)字接口的介紹，可以發(fā)現(xiàn)在高速公路的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，前端高清視頻源應(yīng)采用HD-SDI接口，其不但傳輸距離遠(yuǎn)，而且其所使用的75同軸電纜在施工時(shí)也最為方便。而在監(jiān)控中心的輸出時(shí)，則需要考慮顯示設(shè)備的接口方式，一般采用HDMI或DVI接口。四、高清視頻的傳輸及存儲(chǔ)通過(guò)上述對(duì)高清視頻編碼、接口等的介紹后，我們進(jìn)一步分析高清視頻的傳輸及存儲(chǔ)的解決方法。1、高清視頻傳輸高清視頻的傳輸取決于其采用的編碼方式是數(shù)字非壓縮還是壓縮編碼。這兩種高清視頻在碼流上有著極大的區(qū)別。如果使用的是數(shù)字非壓縮編碼，單路

16、高清視頻的碼流將達(dá)到1.5Gbps（SMPTE 425M標(biāo)準(zhǔn)為3Gbps數(shù)據(jù)流），同時(shí)視頻流不具備TCP/IP傳輸模式。根據(jù)前面對(duì)高清視頻接口的分析，高清攝像機(jī)采用HD-SDI接口比較合理，所以一般是配置HD-SDI的視頻光端機(jī)通過(guò)光纖進(jìn)行高清視頻的傳輸。如果使用的是數(shù)字壓縮編碼，那么視具體的壓縮算法，常用的H.264編碼后的高清視頻每一路需要8Mbps16Mbps的帶寬，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。由于高清視頻是高碼流、持續(xù)的傳輸，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求是非常高的。在高速公路的實(shí)際應(yīng)用中，一般有通過(guò)SDH通信系統(tǒng)傳輸以及組建單獨(dú)的視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)兩種方式。無(wú)論采用什么樣的網(wǎng)絡(luò)形式，都必須認(rèn)真的規(guī)劃好

17、網(wǎng)絡(luò)帶寬的分配。2、高清視頻的存儲(chǔ)與傳輸一樣，高清視頻的存儲(chǔ)也要區(qū)分?jǐn)?shù)字非壓縮還是壓縮編碼。在實(shí)際應(yīng)用中，高清視頻的存儲(chǔ)均是存儲(chǔ)壓縮后的視頻，碼流則取決于采用的壓縮算法。兩者的區(qū)別在于，數(shù)字非壓縮的高清視頻可采用HD-SDI高清DVR存儲(chǔ)，也可以將非壓縮視頻先通過(guò)高清視頻編碼器編碼，然后通過(guò)NVR完成存儲(chǔ)。而數(shù)字壓縮的高清視頻則直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)由NVR完成存儲(chǔ)。不管采用何種方式，由于高清視頻高碼流的特點(diǎn)，對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的容量要求都非常高，需要仔細(xì)的進(jìn)行容量計(jì)算。五、典型的高速公路高清視頻監(jiān)控解決方案從以上針對(duì)高清視頻監(jiān)控相關(guān)技術(shù)及視頻標(biāo)準(zhǔn)的介紹，可以讓我們更加深刻地了解到，高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地滿

18、足高速公路領(lǐng)域的視頻監(jiān)控需求，而以深圳市諾龍實(shí)業(yè)有限公司為首的一些視頻傳輸解決方案提供商也針對(duì)高速公路領(lǐng)域需求推出了全高清視頻監(jiān)控解決方案，主要有IP網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控解決方案、數(shù)字非壓縮高清視頻解決方案及IP與數(shù)字非壓縮混合高清解決方案。1、IP網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控解決方案該方案可采用深圳市諾龍實(shí)業(yè)有限公司的UTN綜合業(yè)務(wù)光傳輸網(wǎng)為骨干，將高清攝像機(jī)采集的圖像通過(guò)遠(yuǎn)端業(yè)務(wù)接入設(shè)備ONU/OMU以星型、鏈?zhǔn)交颦h(huán)網(wǎng)的方式上傳至監(jiān)控室，而局端業(yè)務(wù)接收及交換設(shè)備OLT則完成各種業(yè)務(wù)的接入、匯聚及交換。另根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要可配置存儲(chǔ)、顯示等設(shè)備。該系統(tǒng)搭建架構(gòu)如圖2。圖2 IP網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控解決方案該解決

19、方案具備以下特點(diǎn)：l 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全高清的視頻監(jiān)控，支持1080p、1080i和720p高清數(shù)字視頻編解碼功能，可提供HD-SDI、HDMI、DVI、YPbPr多種高清接口；l 傳輸采用1.25G光纖自愈環(huán)網(wǎng)結(jié)合TDM時(shí)隙控制技術(shù)，徹底解決了網(wǎng)絡(luò)阻塞的問(wèn)題。保證了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和安全性；l UTN綜合業(yè)務(wù)光傳輸網(wǎng)可為每路視頻提供最高40M獨(dú)享帶寬，滿足1080p、1080i和720p高清數(shù)字視頻傳輸帶寬需求；l 節(jié)約光纖資源，單纖最大可支持24個(gè)節(jié)點(diǎn)，96路高清、標(biāo)清視頻接入；l 采用分布部署、集中管理存儲(chǔ)模式，支持NAS、IP-SAN和FC-SAN等多種存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；l 通過(guò)視頻綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備統(tǒng)一的配置、維護(hù)和管理，還具有用戶組和用戶級(jí)別管理、視頻的存儲(chǔ)、點(diǎn)播和發(fā)布以及矩陣切換等功能。2、數(shù)字非壓縮高清視頻監(jiān)控解決方案該方案采用HD-SDI高清攝像機(jī)，通過(guò)光端機(jī)將高清視頻實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控室。在監(jiān)控室配置HD-SDI數(shù)字高清矩陣、HD-SDI高清DVR等設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的CCTV系統(tǒng)完全一樣，但所有的視頻均為數(shù)字高清視頻。該系統(tǒng)搭建架構(gòu)如圖3。圖3 數(shù)字非壓縮高清視頻監(jiān)控解決方案該解決方案具備以下特點(diǎn)：l 視頻信號(hào)是未經(jīng)壓縮的格式在視頻線上傳輸，不存在網(wǎng)絡(luò)傳輸阻塞、丟包等問(wèn)題,可靠度較高；l 傳輸延遲小，是實(shí)時(shí)監(jiān)控最好的方案；l 其安裝設(shè)定與操作與