高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)高清改造關鍵問題分析

何鄭寧

(福建省高速公路有限責任公司三明管理分公司 福建三明 366100)

引 言

由于大部分的高速公路運營路段投資建設年份早，外場監(jiān)控點通常采用光纖級聯(lián)方式實現(xiàn)遠距離傳輸模擬視頻?，F(xiàn)今運行的模擬監(jiān)控系統(tǒng)存在著諸多亟需解決的問題:設備老化畫質差、系統(tǒng)不穩(wěn)定故障率高、配件不可維修、停產(chǎn)無備件更換、無法單一升級等。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的高清化已經(jīng)成為擺在運營管理者面前非跨越不可的一道坎。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的高清化需要統(tǒng)籌考慮，在圖像采集、傳輸、顯示、存儲、管理等各個環(huán)節(jié)的技術配置上達到全局協(xié)調匹配。若未對所有環(huán)節(jié)作出升級改造，其最終效果仍然微乎其微。

1 關鍵問題分析

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的高清改造工作并非簡單，將涉及監(jiān)控系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。高清改造需要一套整體性和系統(tǒng)性的解決方案，包括采集、傳輸、顯示、處理、存儲和管理等多個環(huán)節(jié)，在前端、中端和后端的各部分均需按高清標準配置。

(1)高清采集設備

1.1 分辨率

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本應用CCD模擬攝像機作為前端采集設備，最高分辨率通常在30－40萬像素間。高速公路管理人員只能掌握道路通行狀況，無法迅速看清車牌，并且在夜間受光線影響，導致實時監(jiān)控效果更不理想。

通常分辨率超過720P或者1080I的視頻被稱為高清視頻，可達到100萬像素分辨率;全高清視頻分辨率則達到1920×1080(1080P)，可獲得更加清晰的畫質，分辨率達到200萬像素或更高。

1.2 壓縮與非壓縮

高清圖像采集設備是高清監(jiān)控系統(tǒng)的前端組成部分之一，目前主要有兩種類別:HD－SDI攝像機和網(wǎng)絡攝像機。其中，HD－SDI攝像機遵循廣電高清標準，一般信號帶寬大于1.5G，視頻圖像的細節(jié)能無損失的呈現(xiàn)出來;網(wǎng)絡攝像機采用以太網(wǎng)接口，輸出經(jīng)過壓縮編碼的小帶寬(小于10M)網(wǎng)絡信號［1］。

(2)高清傳輸設備

高清傳輸設備的作用是將采集信號傳輸至集中管理站或監(jiān)控分中心。依據(jù)高清采集設備的不同，高清傳輸設備主要分為非壓縮傳輸?shù)腟DI高清光端機和編碼壓縮傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)光端機;另有HD－SDI視頻經(jīng)專業(yè)設備壓縮的傳輸設備，因整套應用方案具有設備非通用、不易擴容等缺點，不適用高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)。用非壓縮方式傳輸視頻具有無延時、無損高清、占用帶寬高、拓撲結構簡單、占用光纖資源多等特點;用編碼壓縮方式以太網(wǎng)傳輸視頻具有組網(wǎng)拓撲結構多樣、設備通用性好、改造擴容方便、聯(lián)網(wǎng)調用容易、建設成本低等特點。兩種傳輸設備各特點對比見(表1)。

表1 HD－SDI光端機與網(wǎng)絡光端機對比

(3)視頻顯示設備

此外，鳳凰新華印務運用數(shù)字和網(wǎng)絡技術，以科技的力量打造CCPP中國云出版印刷平臺，實現(xiàn)出版“零距離”、印刷“零差異”、發(fā)行“零庫存”、版權“零擔憂”，以及“鳳凰定制”等功能，大大簡化了以往繁復的業(yè)務處理過程，實現(xiàn)了面對專業(yè)出版客戶、大眾客戶的在線隨時隨地印刷服務。

視頻顯示設備包括3類:第一類是監(jiān)視器、背投組合屏;第二類是計算機顯示器;第三類是移動終端。

1.3 監(jiān)視器、背投組合屏

第一類設備的顯示方式在HD－SDI與傳統(tǒng)模擬視頻系統(tǒng)上類似，均通過視頻分配器、視頻矩陣和控制鍵盤等設備，實現(xiàn)視頻在監(jiān)視器和背投組合屏上的切換和控制功能;不同之處在于兩個系統(tǒng)信號所匹配的設備或接口。

對于網(wǎng)絡高清系統(tǒng)而言，視頻信號的呈現(xiàn)需要一個關鍵部件——高清視頻解碼器，它能將監(jiān)控內網(wǎng)中來自前端的組播IP包進行解碼還原，基于網(wǎng)絡的高清視頻解碼器具有自適應能力，無論是DI、720P或1080P分辨率的視頻均可實現(xiàn)不同碼流的信號變換輸出。其輸出接口通常為HDMI、DVI等，可直接與高清監(jiān)視器或背投組合屏匹配。

1.4 計算機顯示器

第二類設備的顯示通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)。無論是高清或是標清視頻信號，經(jīng)過編碼壓縮后，均可在本地監(jiān)控網(wǎng)絡瀏覽訪問，通過配置通信傳輸網(wǎng)絡可實現(xiàn)遠程查看。其中，編碼壓縮工作主要由硬盤錄像機(DVR或NVR)完成，計算機通過錄像機客戶端軟件進行實時和歷史錄像瀏覽。

1.5 移動終端

第三類移動終端包括手持、移動辦公和車載互聯(lián)設備等。電信運營商大力推廣的4G網(wǎng)絡速率達到100Mbps，可承載視頻、圖像、傳遞資料等業(yè)務。通過在高速公路內部通信網(wǎng)絡和電信運營商之間布局防火墻等相關設備后，移動終端可不受地域限制地與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行移動互聯(lián)。由于目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)正處在高清化的轉型發(fā)展過程，移動智能化將在未來有廣闊的發(fā)展空間。

(4)視頻存儲設備

高速公路的視頻圖像要求實時存儲，且一般保存時限在半個月到一個月之間。長時間的存儲，對于存儲空間有著較高的要求，目前主要有兩種存儲方式:1、IP － SAN;2、NVR。

1.6 IP－SAN

IP－SAN是在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡上架構一個SAN存儲網(wǎng)絡，并把服務器與存儲硬件搭建聯(lián)系起來的存儲技術。IP－SAN利用第三方服務器將數(shù)據(jù)導入或導出，具有遠距離集中管理數(shù)據(jù)的“云存儲”特點，無容量限制，側重于大型聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲、管理、容災。IPSAN適用基于HD－SDI構建的全高清視頻系統(tǒng)，即由HD－SDI攝像機、光端機、分配器、矩陣、監(jiān)視器、編碼器和IP－SAN(或HD－SDI DVR)組成的數(shù)字高清方案，相對于傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)而言有著巨大的飛躍。

1.7 NVR

(5)視頻控制和管理

監(jiān)控管理平臺通常是基于B/S模式的架構，作為高清視頻系統(tǒng)的“總指揮”，它可對系統(tǒng)用戶、設備、實時瀏覽、回放查看、云臺掃描等實行統(tǒng)一管理。同時，在解碼視頻流批量切換輸出、協(xié)同數(shù)字硬盤錄像機智能視頻分析、視頻數(shù)據(jù)集中或分布式管理等諸多方面，對解決實際問題也能提供有力保障［2］。

2 高速公路某路段分中心視頻監(jiān)控系統(tǒng)高清改造案例

(1)概況

高速公路某路段分中心改造前外場隧道圖像都是通過級聯(lián)式光端機上傳至監(jiān)控分中心，分中心通過視頻矩陣實現(xiàn)對視頻圖像的管理。目前這套系統(tǒng)存在攝像機CCD老化導致視頻質量下降、級聯(lián)光端機已停產(chǎn)且維護不便(部分設備故障送修將導致整條鏈路圖像丟失)，嚴重影響分中心圖像的完好上傳率。

(2)改造方案

根據(jù)省監(jiān)控的相關技術規(guī)范，參照相關項目改造經(jīng)驗，此次隧道視頻改造選擇以點對點傳輸，外場監(jiān)控以高清級聯(lián)方式傳輸，共同構建基本網(wǎng)絡拓撲;以高性能三層網(wǎng)絡交換機為網(wǎng)絡核心，網(wǎng)絡硬盤錄像機為存儲核心方式建立起一套的高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造拓撲圖

2.1 收費監(jiān)控

目前，保留原有標清攝像機和光端機等設備，只更換存儲設備為高標清混存DVR。因成本控制需要，收費監(jiān)控全面高清化計劃在下一次改造中實施。

2.2 外場監(jiān)控

本路段外場監(jiān)控包括樞紐互通、特殊路段和隧道口三個部分。將原有槍式遙控攝像機更換為網(wǎng)絡高清球機，級聯(lián)視頻光端機也更換為百兆光纖收發(fā)器。保留級聯(lián)傳輸方式，每條鏈路7－8臺球機，外場網(wǎng)絡高清球機劃分一個網(wǎng)段。距離分中心較遠或光衰耗較大的高清鏈路信號，在就近機房匯聚、錄像、回傳。

2.3 隧道監(jiān)控

新增光纜用于點對點視頻傳輸拓撲結構改造。隧道內固定攝像機更換為1080P高清網(wǎng)絡槍式攝像機，每臺攝像機直接通過百兆光纖收發(fā)器匯聚到隧道機房三層千兆交換機后上傳到分中心三層千兆核心交換機。

2.4 監(jiān)控分中心

所有隧道以太網(wǎng)上傳圖像都將接入監(jiān)控分中心端的一臺三層千兆核心交換機，并通過現(xiàn)有通信傳輸設備將分中心圖像上傳至省中心;為節(jié)約網(wǎng)絡資源，避免數(shù)據(jù)傳輸造成擁堵，分中心視頻以太網(wǎng)利用組播技術，實現(xiàn)實時視頻流和錄像回放流無壓力傳輸。

分中心配備H.264高清解碼器，將視頻輸出至監(jiān)視墻高清監(jiān)視器上。在分中心搭建視頻數(shù)據(jù)轉發(fā)服務器和防火墻，方便內網(wǎng)電腦實時瀏覽視頻、錄像回放和檢索。

用網(wǎng)絡硬盤錄像機(NVR)主要解決隧道視頻存儲問題，需先將高清攝像機碼率設置為6Mbps，再考慮滿足15天左右的存儲要求，進一步合理地配置NVR存儲容量。其中，每路高清15天內所占存儲空間可以估算為:6Mbps×3600秒×24小時×15天/8(單位轉換為MB)/1024(轉換為GB)/1024(轉換為TB)=0.927TB［3］。

通過收費站、隧道機房和監(jiān)控分中心的千兆以太網(wǎng)交換機，可以方便的組建成千兆視頻網(wǎng)，使高清數(shù)據(jù)的傳輸?shù)玫娇煽勘Ｕ?。視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過改造，整體依托于網(wǎng)絡，減少傳統(tǒng)設備的傳輸環(huán)節(jié)(矩陣和視頻分配器)。以交換機、網(wǎng)絡硬盤錄像機和高清解碼器為主的視頻監(jiān)控專網(wǎng)，在系統(tǒng)應用、維護管理和兼容擴容等方面對于傳統(tǒng)系統(tǒng)而言是一次質的飛躍。然而，在視頻通道的自愈保護、外場點對點傳輸?shù)确矫媸芟抻谕度氤杀?，導致系統(tǒng)的可靠性受到一定程度影響［4］。

3 結束語

高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)從“看得見、看得清、看得懂”一步一步走來，系統(tǒng)高清化、網(wǎng)絡化方面的成效有目共睹，基于IP技術的網(wǎng)絡高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高速公路已有諸多成功案例。但是，網(wǎng)絡高清視頻監(jiān)控依然存在帶寬占用高、存儲占用空間大、傳輸延時等問題需要解決。HD－SDI視頻系統(tǒng)則可以套用傳統(tǒng)模擬監(jiān)控視頻系統(tǒng)的構建方式輕松升級，在系統(tǒng)應用等級高，無改造成本壓力的領域較為適用。隨著安防技術的進步，高清化和網(wǎng)絡化階段的問題(編碼技術、網(wǎng)絡資源、硬件成本和智能化技術)將被逐一解決，高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展也將促進高速公路運營管理和出行服務水平進一步的提高。

［1］尉自斌，羅小榮，李立東.高速公路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案.中國交通信息化2012.10.

［2］張一心.高速公路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設探析［J］.中國安防，2014.08.

［3］李捷.福建泉州泉三高速公路高清視頻監(jiān)控實踐［J］.中國交通信息化，2014.05.

［4］高速公路監(jiān)控技術要求［J］.人民交通出版社，2012.1.