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 山西省運城高速公路有限責任公司隨著我國高速公路建設的快速發(fā)展，其視頻監(jiān)控系統(tǒng)也經歷了模擬、數?；旌霞叭珨底值榷啻渭夹g變遷。來到近兩年，高清視頻監(jiān)控需求不斷被提出，特別是高速公路領域，對高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求更為強烈。然而，如何構建一個可以滿足實際應用需求的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也成為了建設方、設計單位及設備廠商需要面臨的全新挑戰(zhàn)。為此，本文將主要針對當前常用的幾種高清視頻監(jiān)控技術的特點進行分析，為構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)勢高速公路交警以及管理處經常會有這樣的抱怨：圖像不清楚，無法看清車牌和駕駛室里的情況；在交通事故后去查看錄像，卻看不

2、清詳實具體的事故情況，等等。這主要是因為當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到D1的標準（720576），而無法提供更高清晰度的視頻。因此，在高速公路應用領域對高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求更加迫切?！案咔濉钡母拍钆c標準最早是由廣播電視業(yè)提出的，其主要有三種標準：720P、1080i、1080P，其畫面寬高比定義為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是最高等級的高清視頻清晰度標準。表1是高清視頻與標清視頻在分辨率上的對比：視頻標準 水平分辨率 垂直分辨率

3、 D1 720 576 720P 1280 720 1080P 1920 1080 表1 高清視頻與標清視頻在分辨率上的對比從表格中可以看出，高清視頻在水平及垂直兩個方向上的分辨率均要大大高于標清視頻。而再通過圖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比對同一個監(jiān)控對象而言，采用現有的標清D1標準，單幅圖像約為40萬個像素點；采用720P標準，單幅圖像約為90萬個像素點，2倍于D1；而采用1080P的標準則有200萬個像素點，4倍于D1。因此，高清視頻可以得到監(jiān)控對象更多的細節(jié)情況，可有效解決現有標清監(jiān)控系統(tǒng)存在的看不清的

4、問題。從另一個方面來看，如現有標清攝像機已滿足了清晰度的要求，那么在采用高清攝像機時，我們可以采用更為廣角的鏡頭，對2倍或4倍于標清攝像機所監(jiān)控的范圍進行監(jiān)控，而得到與原有標清系統(tǒng)同樣的清晰度。也就是說，原來標清監(jiān)控系統(tǒng)需要安裝2個或4個攝像機來監(jiān)控的一片區(qū)域，而采用高清系統(tǒng)則只需要安裝一臺攝像機。二、高清視頻數字編碼高清視頻數字編碼可分為數字非壓縮編碼及數字壓縮編碼（IP網絡高清）兩種方案。兩種方案各有優(yōu)點，也有各自存在的問題，選擇哪種方案就要視項目的實際需求來定。數字非壓縮編碼，顧名思義就是對視頻進行數字采樣編碼，視頻信號不經過任何壓縮技術處理。數字非壓縮方案廣泛應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定義的高清視頻標準。這種方案的優(yōu)點是視頻質量非常高，同時實時性好、延時低。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，所需數據速率達1.5Gbps。而且數字非壓縮的高清視頻無法以TCP/IP的方案進行傳輸，所以在高速公路的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，如果采用數字非壓縮的方式，對光纖的需求非常大。另外存儲時還需要采用壓縮技術，否則視頻資料的存儲將占用極大的存儲容量。相對于數字非壓縮方式，數字壓縮編碼的高清視頻（也可稱為IP網絡高清視頻）是經過了壓縮處理的，其碼流有大幅度的降低，且通過TCP/IP網絡進行傳輸，在后期的存儲及發(fā)

6、布時也較非壓縮方式更為方便。在視頻監(jiān)控行業(yè)內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編碼是一個應用年代比較久的編碼形式，該標準由動態(tài)圖像專業(yè)組織（Moving Pictureures Experts Group即MPEG）于1994年推出。MPEG-2標準是針對標準數字電視和高清晰度電視在各種應用下的壓縮方案和系統(tǒng)層的詳細規(guī)定，編碼碼率從每秒3Mbps100Mbps，標準的正式規(guī)范在ISO/IEC13818中。MPEG-2特別適用于廣播級的數字電視的編碼和傳送，被認定為SDTV和HDTV的編碼標準。MPEG-2圖像

7、壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性：空間相關性和時間相關性。這兩種相關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，只保留少量非相關信息進行傳輸，就可以大大節(jié)省傳輸頻帶。而接收機利用這些非相關信息，按照一定的解碼算法，可以在保證一定的圖像質量的前提下恢復原始圖像。MPEG-2的壓縮比并不高，對帶寬的要求還是很嚴格。理論和實驗證明，對于高清視頻采用MPEG-2壓縮格式，在帶寬低于20Mbps時就會影響到動態(tài)清晰度。在高速公路這種監(jiān)控場合，存在大量的高速運動的車輛，對帶寬的要求就會更高。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編碼運動圖像專家組MPEG

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

9、不是針對高清視頻。同時由于一些大廠商的利益之爭，使得標準非?；靵y，在實際應用中無法統(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的應用受到了H.264的較大影響，并沒有得到廣泛的應用。3、M-JPEG編碼M-JPEG（Motion- Join Photographic Experts Group）技術即運動靜止圖像（或逐幀）壓縮技術，廣泛應用于非線性編輯領域可精確到幀編輯和多層圖像處理，把運動的視頻序列作為連續(xù)的靜止圖像來處理，這種壓縮方式單獨完整地壓縮每一幀，在編輯過程中可隨機存儲每一幀，可進行精確到幀的編輯，此外M-JPEG的壓縮和解壓縮是對稱的，可由相同

10、的硬件和軟件實現。但M-JPEG只對幀內的空間冗余進行壓縮，不對幀間的時間冗余進行壓縮，故壓縮效率不高。此外，M-JPEG這種壓縮方式并不是一個完全統(tǒng)一的壓縮標準，不同廠家的編解碼器和存儲方式并沒有統(tǒng)一的規(guī)定格式。因此，在視頻監(jiān)控領域一般不采用M-JPEG編碼進行實時視頻流的傳輸、顯示，但由于其具有幀內壓縮的特點，所以在部份監(jiān)控系統(tǒng)中有采用M-JPEG格式進行抽幀錄像。4、H.264編碼H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動圖像編碼專家組）的聯合視頻組（JVT：Joint Video Team）開發(fā)的一種新的數字視頻編碼標準，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是把全畫幅分割成相等的方塊，不管方塊內是什么內容逐個進行壓縮。而H.264具有智能分析功能，它會先分析整個畫面中的運動部分，可對運動部分分配較多的資源，給相對靜態(tài)的部分分配較少的資源，這樣就可以有效地利用帶寬。在同等的圖像質量情況下，H.264的數據壓縮比能比MPEG-2高23倍，比MPEG-4高1.52倍。不過，H.264解碼算法比MPEG-2和MPEG-4更復雜，其計算要求更高。針對高清視頻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、高清視頻數字接口的選擇不管是采用數字非壓縮編碼還是數字壓縮編碼，視頻最終還是需要在顯示設備上輸出。目前高清視頻數字接口主要有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5Gbps的數據傳輸帶寬，可以傳送無壓縮的音頻信號及高分辨率視頻信號。同時無需在信號傳送前進行數/?；蛘吣?數轉換，可以保證最高質量的影音信號傳送?，F今大部份高清電視均采用HDMI接口，其最遠傳輸距離為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，數字顯示工作組）推出的接口標準。DVI有DVI-A、DVI-D和DVI-I三種不同的接口形式，目前應用主要以DVI-D為主，其能接收數字信號，不兼容模擬信號。DVI電纜的最大長度是不包括在規(guī)范內的，一般情況下顯示1920 1080分辨率所需視頻電纜長度可達5米。HD-SDI采用同軸電纜傳輸，以BNC接頭作為標準接口。其標準由SMPTE（美國電影電視工程師協會）進行定義，其中 SMTPE 292M標準定義了如何以1.4

14、85Gbps的速率，通過串行數字接口傳輸10比特1024級4：2：2抽樣格式的高清分量視頻。SMPTE 425M標準則支持10比特以及12比特的3Gbps數據流。HD-SDI傳輸距離可達100米，是目前高清接口中傳輸距離最遠的接口，已廣泛應用于廣播和視頻產品中。各接口的特性如表2所示： HD-SDI HDMI DVI 端口數量 1 1 1 傳輸格式 1080i，1080p，720p 1080i，1080p，720p 1080i，1080p，720p 信號傳輸模式 無損數字信號 無損數字信號無損數字信號同時音頻傳輸 支持 支持 不支持 傳輸帶寬 1.485Gbps 5Gbps 8Gbps 最遠傳

15、輸距離 100米 20米 5米 表2 HD-SDI、HDMI、DVI接口特性對比通過以上對高清視頻數字接口的介紹，可以發(fā)現在高速公路的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計中，前端高清視頻源應采用HD-SDI接口，其不但傳輸距離遠，而且其所使用的75同軸電纜在施工時也最為方便。而在監(jiān)控中心的輸出時，則需要考慮顯示設備的接口方式，一般采用HDMI或DVI接口。四、高清視頻的傳輸及存儲通過上述對高清視頻編碼、接口等的介紹后，我們進一步分析高清視頻的傳輸及存儲的解決方法。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。如果使用的是數字非壓縮編碼，單路

16、高清視頻的碼流將達到1.5Gbps（SMPTE 425M標準為3Gbps數據流），同時視頻流不具備TCP/IP傳輸模式。根據前面對高清視頻接口的分析，高清攝像機采用HD-SDI接口比較合理，所以一般是配置HD-SDI的視頻光端機通過光纖進行高清視頻的傳輸。如果使用的是數字壓縮編碼，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TCP/IP網絡進行傳輸。由于高清視頻是高碼流、持續(xù)的傳輸，所以對網絡的要求是非常高的。在高速公路的實際應用中，一般有通過SDH通信系統(tǒng)傳輸以及組建單獨的視頻傳輸網絡兩種方式。無論采用什么樣的網絡形式，都必須認真的規(guī)劃好

17、網絡帶寬的分配。2、高清視頻的存儲與傳輸一樣，高清視頻的存儲也要區(qū)分數字非壓縮還是壓縮編碼。在實際應用中，高清視頻的存儲均是存儲壓縮后的視頻，碼流則取決于采用的壓縮算法。兩者的區(qū)別在于，數字非壓縮的高清視頻可采用HD-SDI高清DVR存儲，也可以將非壓縮視頻先通過高清視頻編碼器編碼，然后通過NVR完成存儲。而數字壓縮的高清視頻則直接通過網絡由NVR完成存儲。不管采用何種方式，由于高清視頻高碼流的特點，對存儲設備的容量要求都非常高，需要仔細的進行容量計算。五、典型的高速公路高清視頻監(jiān)控解決方案從以上針對高清視頻監(jiān)控相關技術及視頻標準的介紹，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、足高速公路領域的視頻監(jiān)控需求，而以深圳市諾龍實業(yè)有限公司為首的一些視頻傳輸解決方案提供商也針對高速公路領域需求推出了全高清視頻監(jiān)控解決方案，主要有IP網絡高清視頻監(jiān)控解決方案、數字非壓縮高清視頻解決方案及IP與數字非壓縮混合高清解決方案。1、IP網絡高清視頻監(jiān)控解決方案該方案可采用深圳市諾龍實業(yè)有限公司的UTN綜合業(yè)務光傳輸網為骨干，將高清攝像機采集的圖像通過遠端業(yè)務接入設備ONU/OMU以星型、鏈式或環(huán)網的方式上傳至監(jiān)控室，而局端業(yè)務接收及交換設備OLT則完成各種業(yè)務的接入、匯聚及交換。另根據項目的實際需要可配置存儲、顯示等設備。該系統(tǒng)搭建架構如圖2。圖2 IP網絡高清視頻監(jiān)控解決方案該解決

19、方案具備以下特點：l 系統(tǒng)實現了全高清的視頻監(jiān)控，支持1080p、1080i和720p高清數字視頻編解碼功能，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)網結合TDM時隙控制技術，徹底解決了網絡阻塞的問題。保證了傳輸的實時性、可靠性和安全性；l UTN綜合業(yè)務光傳輸網可為每路視頻提供最高40M獨享帶寬，滿足1080p、1080i和720p高清數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個節(jié)點，96路高清、標清視頻接入；l 采用分布部署、集中管理存儲模式，支持NAS、IP-SAN和FC-SAN等多種存儲網絡；l 通過視頻綜合管理平臺，實現所有設備統(tǒng)一的配置、維護和管理，還具有用戶組和用戶級別管理、視頻的存儲、點播和發(fā)布以及矩陣切換等功能。2、數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，通過光端機將高清視頻實時傳輸至監(jiān)控室。在監(jiān)控室配置HD-SDI數字高清矩陣、HD-SDI高清DVR等設備。整個系統(tǒng)在結構上與傳統(tǒng)的CCTV系統(tǒng)完全一樣，但所有的視頻均為數字高清視頻。該系統(tǒng)搭建架構如圖3。圖3 數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：l 視頻信號是未經壓縮的格式在視頻線上傳輸，不存在網絡傳輸阻塞、丟包等問題,可靠度較高；l 傳輸延遲小，是實時監(jiān)控最好的方案；l 其安裝設定與操作與