地鐵全IP高清電視監(jiān)控解決方案

文│華北電力大學能源動力與機械工程學院 劉燕平

地鐵全IP高清電視監(jiān)控解決方案

文│華北電力大學能源動力與機械工程學院 劉燕平

1 前言

當前很多城市都在轟轟烈烈建設地鐵，然而地鐵從運營管理、治安管理都需要高清監(jiān)控圖像，但現(xiàn)在地鐵電視監(jiān)控基本上還是模擬監(jiān)控，看不清細節(jié)。而高清電視監(jiān)控技術已日益成熟，高清監(jiān)控設備的成本也在逐漸下降，高清監(jiān)控尤其適合在地鐵人流密集的地方，既能看清宏觀又能看清細節(jié)，將在今后的地鐵監(jiān)控中廣泛應用。

2 高清電視監(jiān)控標準

現(xiàn)在安全防范的高清電視監(jiān)控參考我國廣播電視標準，規(guī)定清晰度電視（SDTV）的分辨率為720×576像素（D1分辨率），而高清晰度電視（HDTV）的分辨率為1920×1080像素，準高清1280×720像素。

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)多以模擬攝像機及監(jiān)視器的可分辨線數(shù)（TV Line）來表示，水平分辨率為480線、540線或580線的攝像機就宣稱為高清，它是指攝像機在拍攝垂直黑白線條時，在水平方向相應垂直屏高的區(qū)間內(nèi)所能分辨出的黑白線條數(shù)，在傳統(tǒng)數(shù)模結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng)里，模擬圖像經(jīng)數(shù)字編碼CIF分辨率352×288=10.14萬像素，4CIF分辨率704×576=40.55萬像素，D1分辨率720×576=41.47萬像素。

高清晰度電視（HDTV）的分辨率為1920×1080=207.36萬像素，準高清1280×720=92.16萬像素。

從上述可以看出，如果是100多萬像素的數(shù)字攝像機是準高清，如果200多萬像素的數(shù)字攝像機是高清數(shù)字攝像機，那么一臺準高清數(shù)字攝像機相當于兩臺模擬標清攝像機，一臺高清數(shù)字攝像機就相當于五臺模擬標清攝像機。

能達到200萬像素的攝像機，配套以1080p分辨率的顯示設備及相應的傳輸通道，就可以形成一套可稱之為高清的電視監(jiān)控系統(tǒng)。

3 地鐵高清電視監(jiān)控架構(gòu)

地鐵電視監(jiān)控特點：每個車站平均配置有60臺左右監(jiān)控攝像機，運營車站綜合控制室和公安值班室由于空間小，運營控制室一般配置兩臺監(jiān)視器，一臺監(jiān)控終端，公安值班室一般配置四臺監(jiān)視器，一臺監(jiān)控終端。每條地鐵線路控制中心有12塊左右大屏拼接電視墻，但常用顯示監(jiān)控圖像有4塊左右，剩余監(jiān)視器顯示其他信號，有3臺監(jiān)控終端，線路派出所12塊監(jiān)視器基本上顯示監(jiān)控圖像，有3臺監(jiān)控終端。在每個車站進行圖像存儲，而運營控制室和公安值班人員也不是時時刻刻盯著監(jiān)視器監(jiān)控圖像，還要做其他工作，所以監(jiān)控圖像主要起到的作用是事后調(diào)看監(jiān)控錄像，因此基本不需要無延時的監(jiān)控圖像，而且圖像傳輸和控制延遲約200ms～300ms，對地鐵運營和公安電視監(jiān)控功能沒有影響。但面對恐怖襲擊，需要高清監(jiān)控錄像，系統(tǒng)有高可靠性、可用性、可維護性。監(jiān)控終端通過軟解碼調(diào)看監(jiān)控圖像和錄像回放，錄像需要采用H.264編碼壓縮。所以面對上述特點，監(jiān)控系統(tǒng)采用全IP監(jiān)控方案是性價比最高的。如圖1所示。

4 高清攝像機

現(xiàn)在前端數(shù)字攝像機有兩種，一種是采用HD-SDI高清攝像機；另一種是IP高清攝像機，SDI接口是一種“數(shù)字分量串行接口”，而HD-SDI接口是一種廣播級的高清數(shù)字輸入和輸出端口。其中HD表示高清信號，這個標準主要針對分辨率為1080p，幀率為25或者30，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量為1.485Gbps。視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換后不經(jīng)過壓縮的原始數(shù)據(jù)量是很大的，如果不經(jīng)過壓縮，如此大的數(shù)據(jù)量是IP網(wǎng)絡根本無法承載的，同時如果直接存儲這些數(shù)據(jù)，存儲容量十分驚人。HD-SDI接口采用同軸電纜，以BNC接口作為線攬標準，有效距離為100m，但需要高級別的同軸電纜和BNC頭才能基本保證視頻效果。

IP就是網(wǎng)際協(xié)議，IP高清攝像機除了具備一般傳統(tǒng)攝像機所有的圖像捕捉功能外，機內(nèi)還內(nèi)置了數(shù)字化H.264壓縮控制器和基于Web的操作系統(tǒng)，通過局域網(wǎng)、Internet或無線網(wǎng)絡送至終端用戶，IP高清攝像機只需一根網(wǎng)線便可以直接接入到TCP/IP的數(shù)字化網(wǎng)絡中，通過互聯(lián)網(wǎng)或者內(nèi)部局域網(wǎng)進行視頻和音頻的傳輸，組網(wǎng)簡單，系統(tǒng)開放性好，擴容方便，但圖像和控制延遲約200ms～300ms，更為經(jīng)濟。而HD-SDI高清攝像機的優(yōu)勢在于實時性好，本地電視墻和監(jiān)視器圖像清晰度高，但組網(wǎng)稍微復雜，成本稍高。

5 IP高清傳輸

IP高清攝像機視頻流到交換機，交換機到控制終端，交換機到視頻解碼器，傳輸接口為RJ45，滿足100M的以太網(wǎng)傳輸，IP高清攝像機通過以太網(wǎng)POE供電，所有的連接線纜只要一根超5類4對UTP即可，但超過100m需要配置光纖收發(fā)器。交換機到IP SAN存儲采用RJ45接口，滿足1000M以太網(wǎng)傳輸。

高清視頻解碼器接口輸出支持HDMI、DVI、高清監(jiān)視器帶有HDMI/DVI的接口。

HDMI/DVI支持5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，HDMI/DVI線最遠可傳輸15m。超過15m采用帶有HDMI/DVI接口光端機通過光纖傳輸。

DVI接口：全稱Digital Visual Interface，即數(shù)字視頻接口，目前常見的DVI接口有兩種，分別是DVI-Digital（DVI-D）與DVIIntegrated（DVI-I）。DVI-D 只能接收數(shù)字信號，而DVI-I可以同時兼容模擬信號和數(shù)字信號，也就是說DVI-I的兼容性更強。通常我們在顯卡的接口部分，看到的是DVI-I接口，在顯示器處看到的則是DVI-D接口。

HDMI接口：是“High Definition Multimedia Interface”的縮寫，意思是高清晰度多媒體接口。它是一種全數(shù)位化影像和聲音傳送接口，可以傳送無壓縮的音頻信號及視頻信號，最新的HDMI1.3規(guī)定最高帶寬可以達到4.95Gbps，實際視頻信號傳輸帶寬接近4Gbps，而現(xiàn)在最高規(guī)格的高清視頻格式1080p所需的帶寬僅僅為2.2Gbps，HDMI源于DVI接口技術，這是為何HDMI接口和DVI接口能夠通過轉(zhuǎn)接頭相互轉(zhuǎn)換的原因，與DVI相比，HDMI可以傳輸數(shù)字音頻信號，HDMI完全向下兼容DVI，它只需要一條HDMI線，HDMI最遠可傳輸15m。

6 高清圖像存儲

車站采用IP SAN存儲陣列，配置一臺存儲數(shù)據(jù)管理服務器，采用iSCSI協(xié)議，直接對IP SAN進行數(shù)據(jù)塊寫入操作，從而實現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)文件的集中存儲和管理，通過iSCSI塊存儲，可以實現(xiàn)對緊急事件的即時回放，大大提高了事件的應急響應能力，通過交換機的組播技術來滿足大量用戶同時觀看視頻流的需求。

在控制中心備份一套IP SAN存儲陣列，當某個車站的IP SAN存儲陣列癱瘓，由控制中心IP SAN存儲陣列接管或儲存報警。

控制中心和車站配置一臺存儲數(shù)據(jù)管理服務器，實現(xiàn)對控制中心和車站IP SAN存儲陣列的管理，有效地解決了因大規(guī)模監(jiān)控所面臨的視頻海量存儲管理問題，完成存儲計劃管理，可對所有監(jiān)控點制定存儲計劃，實現(xiàn)前端監(jiān)控點視頻存儲的自動管理。完成存儲策略管理，可針對不同的監(jiān)控區(qū)域采用不同的管理策略，包括存儲時長、RAID等級、是否支持快照等，實現(xiàn)對存儲空間的運營。完成存儲數(shù)據(jù)管理，支持視頻數(shù)據(jù)高效存儲、檢索、下載、重要信息的歸檔備份等功能。

獨立磁盤冗余陣列：RAID5是一種存儲性能、數(shù)據(jù)安全和存儲成本兼顧的存儲解決方案，通過奇偶校驗信息提供冗余的存儲能力。它不對存儲的數(shù)據(jù)進行備份，而是把數(shù)據(jù)和相對應的奇偶校驗信息存儲到RAID5的各個磁盤上。當RAID5的一個磁盤數(shù)據(jù)發(fā)生損壞后，利用剩下的數(shù)據(jù)和相應的奇偶校驗信息去恢復被損壞的數(shù)據(jù)。

在地鐵線路控制中心中，一般是音視頻圖像由交換機和高清音視頻解碼器通過大屏幕圖像拼接處理器上電視墻，高清音視頻解碼器可以帶HDMI/DVI輸出接口，大屏幕圖像拼接處理器可以帶HDMI、DVI輸入輸出接口，全高清LED液晶電視輸入接口有HDMI、DVI，交換機到高清音視頻解碼器采用超5類線纜，高清音視頻解碼器到大屏幕圖像拼接處理器采用HDMI/DVI線纜，不超過15m，如果超過15m，采用帶有HDMI、DVI接口的高清光端機。

7 視頻綜合平臺設計

視頻綜合平臺集IP高清攝像機、存儲管理服務器、交換機、監(jiān)控終端，實現(xiàn)了高清視頻監(jiān)控從采集、編碼、傳輸、切換控制到顯示應用。采用IP矩陣，所謂IP矩陣是指控制終端控制軟件根據(jù)IP高清攝像機和視頻編解碼器及儲存服務器的IP地址節(jié)點顯示矩陣內(nèi)容，調(diào)用、切換視頻監(jiān)控圖像，由于矩陣類型選擇的是IP，所以矩陣中的節(jié)點全是IP地址節(jié)點，即顯示的是IP地址之間的通信。IP攝像機對高清實時音視頻信號進行H.264編碼壓縮，支持高清視頻格式1920×1080p@25fps和1920×1080p@30fps，并封裝為IP數(shù)據(jù)包，通過IP網(wǎng)絡傳送到指定的目的地址。車站交換機和中心流媒體服務器支持點對點的單播和點對多點的組播傳輸方式。

8 車站客戶端設計

車站運營一般配置一臺PC監(jiān)控控制終端，至少兩臺監(jiān)視器，高清標準要求電視屏幕比例為16：9，而不是傳統(tǒng)電視4：3的比例，這樣增加了觀看者的臨場感，更符合人眼觀看的習慣。車站公安值班室一般配置一臺PC監(jiān)控控制終端和至少四臺監(jiān)視器，采用高清監(jiān)視器1920×1080p，具有HD-SDI、HDMI、DVI-D、Y/Pb/Pr高清視頻輸入接口。如果系統(tǒng)采用全IP視頻監(jiān)控，高清監(jiān)視器通過HDMI或DVI-D接口與視頻解碼器相連，通過客戶端軟件界面和網(wǎng)絡視頻控制鍵盤，靈活地調(diào)用、切換、控制多路監(jiān)控視頻圖像到高清監(jiān)視器，PC監(jiān)控控制終端內(nèi)置軟件解碼，支持多路視音頻信號的軟解碼，使用戶可以直接在PC上對監(jiān)控內(nèi)容進行實時查看、控制或歷史回放監(jiān)控圖像，實現(xiàn)了IP矩陣功能。

在控制中心配置視頻管理服務器，其功能是監(jiān)控平臺的管理中心和控制中心，授權(quán)用戶可以在任意一臺PC管理終端上完成全網(wǎng)的設備管理、資源調(diào)度、云臺控制和硬解碼輸出控制，所有的控制指令由視頻管理服務器集中處理和發(fā)送，而視頻流則可以不經(jīng)過視頻管理服務器單獨傳輸。把視頻管理服務器作為整個系統(tǒng)的控制和管理核心，所有監(jiān)控的控制流都由視頻管理服務器處理。

在站臺上下行首，為司機各配置一臺監(jiān)視器，監(jiān)控本側(cè)站臺2～4臺的攝像機合成監(jiān)控圖像，觀察上下旅客和安全門工作狀況。

9 線路控制中心終端設計

調(diào)度大廳設置12～16塊大屏監(jiān)視器組成拼接墻，通過大屏拼接器接入各個子系統(tǒng)信號，共用電視墻，上傳H.264編碼壓縮1920×1080p@30 fps監(jiān)控圖像通過視頻解碼器輸入大屏拼接器。

調(diào)度大廳設置3～6塊20寸左右的高清監(jiān)視器和三臺PC控制終端組成電視監(jiān)控分控。視頻解碼器接收網(wǎng)絡上的媒體流數(shù)據(jù)，并通過解碼轉(zhuǎn)換成視頻數(shù)據(jù)，通過VGA或者HDMI接口輸出到電視墻和高清監(jiān)視器，通過客戶端軟件界面和視頻控制鍵盤調(diào)用、切換、控制多路監(jiān)控視頻圖像到高清監(jiān)視器，PC控制終端通過軟解碼，直接在PC上對監(jiān)控內(nèi)容進行實時查看、控制或歷史回放監(jiān)控圖像。

控制中心監(jiān)控終端稍多，還有其他系統(tǒng)終端可能同時調(diào)用同一路圖像，需配置流媒體服務器為本地或其他系統(tǒng)服務，本地或其他系統(tǒng)視頻調(diào)用由本地流媒體服務器進行圖像獲取及轉(zhuǎn)發(fā)。

10 控制中心網(wǎng)管設計

一般小的監(jiān)控系統(tǒng)的維護缺乏智能化管理，如果出現(xiàn)了問題，只能通過人工依次逐段去排查，但對于地鐵大規(guī)模的監(jiān)控系統(tǒng)，如果系統(tǒng)不具有系統(tǒng)智能管理手段則是不可行的，其中系統(tǒng)可維護性是不符合要求的。

可通過視頻管理服務器和存儲數(shù)據(jù)管理服務器構(gòu)成的管理平臺對所有監(jiān)控設備進行統(tǒng)一管理，可管理帶網(wǎng)管功能的設備，如視頻編解碼器、光端機、交換機、服務器、IP SAN磁盤陣列等，支持對設備的配置、故障、性能、告警等多方面的管理。將視頻管理服務器和存儲數(shù)據(jù)管理服務器提供給標準接口和SDK開發(fā)包，集成在網(wǎng)管服務器，通過一臺PC網(wǎng)管終端的友好軟件界面顯示全線設備運行狀況。

網(wǎng)管服務器將電視監(jiān)控系統(tǒng)告警信息向線路集中告警服務器上報。網(wǎng)管服務器接收時鐘系統(tǒng)中心母鐘提供的標準時間信息，校準本系統(tǒng)內(nèi)所有需要時間信息的設備。系統(tǒng)針對不同的用戶可以采用域管理、用戶管理和云臺控制優(yōu)先級管理等。

11 結(jié)束語

地鐵的人流密集區(qū)域采用全IP高清攝像機，組網(wǎng)簡單，使每個車站電視監(jiān)控相對獨立，系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護性更有保障。