上海市地震局2種視頻系統(tǒng)的比較

張 勇， 王小明， 趙學(xué)志

(上海市地震局， 中國 上海 200062)

上海市地震局2種視頻系統(tǒng)的比較

張 勇， 王小明， 趙學(xué)志

(上海市地震局， 中國 上海 200062)

“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)是通過矩陣、多屏圖像控制器進行傳輸和顯示的，而新建成的上海市地震局防震減災(zāi)支撐系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)完全摒棄了這種視頻傳輸和顯示方式，而是使用比較先進的DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)。主要介紹上海市地震局這2種視頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，比較他們各自的優(yōu)缺點及局限性，提出更適合未來信息化發(fā)展需求的地震行業(yè)視頻系統(tǒng)。

多屏圖像控制器；分布式圖像控制系統(tǒng)；視頻系統(tǒng)

0 引言

地震行業(yè)的視頻系統(tǒng)包括應(yīng)急視頻會議、指揮車視頻[1]、救災(zāi)現(xiàn)場視頻、實時監(jiān)測波形、專題地圖等，這些視頻的快速傳輸、精確顯示對于地震行業(yè)來說至關(guān)重要，是快速、高效地開展地震應(yīng)急工作的基礎(chǔ)和強有力的支撐。因此，地震行業(yè)更需要先進的、信息化的視頻系統(tǒng)。

上海市地震局浦東監(jiān)測中心的“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)[2]是通過矩陣、多屏圖像控制器進行傳輸和顯示的。在運行了多年后，遇到的問題也越來越多，而在新建成的上海市地震局防震減災(zāi)支撐系統(tǒng)中，視頻子系統(tǒng)已經(jīng)不再使用原來的矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)，而是采用了DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)。

DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)摒棄了矩陣、多屏圖像控制器，大大提高了視頻的傳輸速度和顯示的靈活性，也提高了應(yīng)急工作效率，減輕地震帶來的影響和損失[3-4]。

本文將分別介紹2種視頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點及局限性，提出更適合未來信息化發(fā)展需求的地震行業(yè)視頻系統(tǒng)。

1 矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)

矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)[5]是采用PC架構(gòu)的主控機，由RGB采集卡、視頻采集卡和多屏圖形輸出卡組成，并將所有顯示視頻及視頻的控制集中在一條PCI總線進行運算處理。在系統(tǒng)中，必須通過RGB矩陣、視頻矩陣連接各種視頻信號，以實現(xiàn)視頻的傳輸及切換。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上海市地震局“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)視頻子系統(tǒng)基本使用多屏圖像控制器系統(tǒng)，通過RGB矩陣及視頻矩陣將各種視頻進行連接，并通過PCI總線進行運算處理，最后顯示到大屏幕上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 系統(tǒng)的局限性

矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)在視頻傳輸過程中全部以視頻流的形式存在，因此存在不少的局限性。

1)不易擴展。矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)需要根據(jù)屏幕規(guī)模及信號源數(shù)量定制信號處理板卡數(shù)目，增加信號源時需要大量地進行拉線，在接口不足時甚至需要加入龐大的矩陣，不能實現(xiàn)增加顯示設(shè)備這種功能。

2)無法跨樓層、區(qū)域。視頻信號在傳輸過程中會出現(xiàn)衰減情況，不能遠距離傳輸。最常用的DVI、HDMI信號傳輸?shù)淖畲缶嚯x在15 m左右，VGA信號為30 m左右，因此基本無法實現(xiàn)跨樓層的傳輸效果，更不能實現(xiàn)跨區(qū)域功能。

圖1 矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3)不易維護。矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)接口多、種類多、接線多，而且很多都是暗線，一旦出現(xiàn)故障，很難查到故障具體原因與位置，不利于后期的維護。

2 DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)

2.1 DVCS系統(tǒng)基本原理

為了解決矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)的局限性問題，DVCS系統(tǒng)應(yīng)運而生。DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)是將擁有不同編解碼功能的多臺處理器通過通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理控制下，協(xié)調(diào)完成大規(guī)模視頻信號處理任務(wù)的圖像控制系統(tǒng)。DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)是一種完全基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的圖像控制系統(tǒng)，由視頻輸入處理器、輸出處理器、控制服務(wù)器組成，所有處理器、服務(wù)器、控制端之間都通過同一網(wǎng)段的交換機進行連接，每一路信號均是獨立通道處理、獨立通道傳輸。

DVCS系統(tǒng)將各個視頻信號通過輸入轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，傳輸?shù)娇刂品?wù)器；再經(jīng)服務(wù)器按照需求進行軟拼接，并傳輸?shù)街付ǖ妮敵鲛D(zhuǎn)換器；最后由其解碼成視頻信號顯示到各顯示設(shè)備上。圖2為電腦信號aaa、視頻信號bbb通過系統(tǒng)編碼、按需拼接、解碼后，最終將所需視頻abb，ba顯示到大屏幕、顯示器的整個過程。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)，主要包括4個部分：視頻源、轉(zhuǎn)換處理器、視頻云、顯示終端。

1)視頻源：它可以是攝像頭信號、視頻會議畫面、DVD機，也可以是VGA的電腦信號和筆記本電腦信號，視頻系統(tǒng)中的任何一個視頻信號，都可以順利成為視頻源。

2)轉(zhuǎn)換處理器：根據(jù)功能，主要分為輸入處理器及輸出處理器。根據(jù)視頻源的不同接口，分為VGA口、DVI口、MDMI口、分量口，對應(yīng)不同的處理器，將視頻信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，傳輸?shù)揭曨l云。在顯示端，對應(yīng)的也有類似的不同接口的處理器從視頻云中攝取網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換成視頻信號。

圖2 DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程

3)視頻云：就是轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號的各視頻源，它以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的形式存在，形成了視頻云。視頻云由服務(wù)器及控制軟件進行控制，將需要顯示的視頻源切割、組合、疊加后輸送到需要的顯示終端上。

4)顯示終端：本系統(tǒng)的顯示終端非常多種，不僅僅是應(yīng)急大廳屏幕、顯示器，還可以是電視機、投影儀，比傳統(tǒng)的矩陣的方法更具多樣性。

任何一個視頻源，包括攝像頭、視頻會議、電腦信號，它們通過不同接口的處理器轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號接入到視頻云中，然后通過服務(wù)器及控制軟件，可以將視頻云中的視頻進行切割、組合、疊加，再通過處理器攝取視頻并顯示到任意一個顯示終端上?？梢钥吹?，此結(jié)構(gòu)清晰、簡單，對于新接手的運維人員，都能在第一時間了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便運維及擴展。

2.3 DVCS系統(tǒng)架設(shè)

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

因視頻全部依賴于網(wǎng)絡(luò)傳輸、控制，因此在視頻源、顯示端、控制端都需要有網(wǎng)絡(luò)交換機，通過交換機將它們進行連接，而且必須保證連接在同一個網(wǎng)絡(luò)中，互相可以連通。如若要實現(xiàn)跨樓層、跨區(qū)域的系統(tǒng)建設(shè)，不同樓層、區(qū)域也必須保證在同一個網(wǎng)絡(luò)中。實踐證明，在地震系統(tǒng)中，使用行業(yè)網(wǎng)是最適合該系統(tǒng)建設(shè)的。

2.3.2 硬件連接

硬件連接比矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)簡單很多，視頻源端將視頻接入到轉(zhuǎn)換器IN口，再將轉(zhuǎn)換器LAN口接入到網(wǎng)絡(luò)交換機。顯示端將轉(zhuǎn)換盒LAN口接入到網(wǎng)絡(luò)的交換機，再將OUT口接到顯示設(shè)備上。每一個視頻源都需要連接一個轉(zhuǎn)換器，顯示設(shè)備也是，如果是拼接大屏幕，有幾塊大屏幕就需要接幾個轉(zhuǎn)換器，連接拓撲結(jié)構(gòu)見圖3。

2.3.3 控制服務(wù)器

視頻控制端需要一臺接入到該網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器即可，服務(wù)器上安裝上相應(yīng)的控制軟件及配置軟件。

2.3.4 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置比較重要，先將服務(wù)器配置一個IP地址，然后打開配置軟件，為各轉(zhuǎn)換器配置一個ID及IP地址，并將轉(zhuǎn)換器的sever設(shè)置成服務(wù)器的IP地址。

2.3.5 系統(tǒng)使用

系統(tǒng)使用比較簡單，都是可視化的軟件，即將需要顯示的視頻源拖拽到各顯示終端上，并根據(jù)需求放大、縮小、疊加等等，故不再贅述。

圖3 DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)連接拓撲結(jié)構(gòu)

3 2種視頻系統(tǒng)的比較及DVCS系統(tǒng)的優(yōu)缺點

3.1 2種視頻系統(tǒng)的比較

矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)，所有信號的運算處理都基于PCI總線，而DVCS系統(tǒng)主要通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行處理顯示，這就造成2種系統(tǒng)在視頻源、顯示端等方面存在本質(zhì)上的區(qū)別(表1)。

表1 2種視頻系統(tǒng)的比較

3.2 DVCS系統(tǒng)解決的問題

1)易于擴展。DVCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，因此特別容易進行擴展。如果需要將一個信號源或顯示終端接入到此結(jié)構(gòu)中，只需要將它連接上一個轉(zhuǎn)換設(shè)備，并接入到網(wǎng)絡(luò)中即可完成。

2)可跨樓層、區(qū)域。DVCS系統(tǒng)通過將視頻信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號再進行傳輸，因此不受視頻信號衰減影響，而且無處不在的網(wǎng)絡(luò)給跨樓層、跨區(qū)域的實現(xiàn)提供了可靠的支持。

3)易于維護。一個信號源、視頻終端對應(yīng)一個顯示終端，而且不存在暗線，因此出現(xiàn)故障時就很容易地定位到故障設(shè)備、查明故障原因。

3.3 DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)的其他優(yōu)勢

矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)所有的視頻控制和傳輸都集中在一條PC總線上，因此受制于PCI總線帶寬的限制，信號處理顯示能力極為有限。當(dāng)連接的顯示屏數(shù)量比較大、視頻采集和顯示內(nèi)容比較多時，就會出現(xiàn)信號無法動態(tài)實時顯示的問題。如果再有GIS、SIG等超高分辨率信號時，這種問題就會更加明顯。正是由于傳統(tǒng)矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)存在上述諸多技術(shù)應(yīng)用弊端，全網(wǎng)絡(luò)化的DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)應(yīng)運出現(xiàn)。DVCS系統(tǒng)除了這個最主要的優(yōu)勢之外，還有如下優(yōu)勢：

1)全數(shù)字化。DVCS分布式圖像控制系統(tǒng)所有處理器、服務(wù)器、控制端之間都通過CAT5e/6類網(wǎng)線與數(shù)據(jù)交換機進行連接，所有視頻信號的采集、編碼、傳輸、解碼、顯示、控制全部采用網(wǎng)絡(luò)信號，因此信號從采集到傳輸沒有損失和干擾，使圖像完全保存高品質(zhì)高質(zhì)量，完全符合現(xiàn)代數(shù)字化的要求。

2)處理能力強。DVCS系統(tǒng)對信號的處理能力遠遠高于矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)，種類幾乎囊括了所有的視頻信號，包括模擬RGB、數(shù)字DVI、標(biāo)清視頻、高清視頻、超高分辨率信號等，所有視頻均可以在任意的顯示設(shè)備上進行任意大小、任意位置、任意疊加顯示。

3)支持音頻。DVCS控制系統(tǒng)還能支持音頻的傳輸，它的音頻處理器可以將音頻同步接入DVCS系統(tǒng)中，同樣可以支持數(shù)字音頻和模擬音頻，并且具有高保真音質(zhì)。

3.4 DVCS系統(tǒng)的缺點

1)成本高。DVCS系統(tǒng)每路視頻輸入和輸出都需要一個轉(zhuǎn)換器，因此相對來說成本比較高。

2)帶寬高。每個輸入輸出都需要百兆網(wǎng)絡(luò)支持(根據(jù)視頻的分辨率略有差別)，而大部分的系統(tǒng)都需要幾十個視頻輸入及輸出，因此對于網(wǎng)絡(luò)帶寬要求比較高。

4 兩種系統(tǒng)結(jié)合的視頻系統(tǒng)

在實際的建設(shè)和運用中，DVCS系統(tǒng)較之于矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，但是它的高成本和高寬帶的要求也是需要特別考慮的。在網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠、經(jīng)費不足、多路輸入但只需同時一路輸出等的情況下，我們更建議在視頻輸入端使用2種視頻系統(tǒng)相結(jié)合、低成本的視頻系統(tǒng)，輸入端結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 兩種系統(tǒng)相結(jié)合的輸入端結(jié)構(gòu)

如圖4，在輸入端我們需要連接n臺電腦和m個視頻信號，但只需要輸出較少的電腦信號和視頻信號，如果單純使用DVCS系統(tǒng)，就需要使用n+m個轉(zhuǎn)換器，在n和m數(shù)量較大的情況下，就需要相應(yīng)的大數(shù)量的轉(zhuǎn)換設(shè)備，成本高，在運行時還需要較高的帶寬支持。因此，我們在輸入端的前半部分使用矩陣系統(tǒng)，在輸入端的后半部分使用DVCS系統(tǒng)，又能節(jié)省帶寬，還能節(jié)省成本，這樣的兩種相結(jié)合的系統(tǒng)更適合實際運用。

5 結(jié)束語

本文主要介紹了上海市地震局先后使用的2種視頻系統(tǒng)。通過對2種系統(tǒng)的比較，我們可以看到矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)因受制于一條總線，系統(tǒng)存在不少缺點。DVCS系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的矩陣、多屏圖像控制器系統(tǒng)架構(gòu)，操作更方便，對于今后視頻的維護更加方便，也更容易進行系統(tǒng)的擴展，對于推進應(yīng)急救援工作高效開展具有較大的現(xiàn)實意義。但在考慮成本和帶寬的情況下，建議在系統(tǒng)輸入端，使用矩陣、DVCS系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)，既節(jié)省了經(jīng)費，又可以節(jié)省帶寬，并最大程度地將先進的DVCS系統(tǒng)運用到地震視頻上，而且方便運維、擴展，更好地服務(wù)于地震工作，大大提高工作效率，加強地震工作能力，最大限度地減輕地震災(zāi)害帶來的損失。

[1] 徐年, 章熙海, 高飛, 等. 地震應(yīng)急指揮車現(xiàn)場應(yīng)急通信技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 智能計算機與應(yīng)用, 2015, 5(1): 5-8.

[2] 王小明, 李平, 蔡長青. 雙路點對點視頻會議系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 地震地磁觀測與研究, 2014, 35(5/6): 319-322.

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ComparationofTwoVideoSystemsUsedinShanghaiEarthquakeAgency

ZHANG Yong, WANG Xiao-ming, ZHAO Xue-zhi

(Shanghai Earthquake Agency, Shanghai 200062, China)

“The tenth five-year” video subsystem of the earthquake emergency command technology system transmits and displays through matrix and multiscreen image controller. While the video subsystem of the support system for earthquake prevention and disaster reduction newly built in Shanghai Earthquake Agency completely abandon the above method for video transmission and display. It uses a more advanced DVCS distributed video control system. This paper mainly introduces the structure of the two kinds of video system of the Shanghai Earthquake Agency, compares their respective advantages and disadvantages and limitations, put forwards the earthquake video system more suitable for the development needs of future information technology.

multiscreen image controller; distributed video control system; video system

張勇，王小明，趙學(xué)志. 上海市地震局2種視頻系統(tǒng)的比較[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(4):55-59，65.

2016-09-20

中國地震局地震應(yīng)急青年重點任務(wù)(CEA_EDEM-2016)

張 勇(1986—)，男，上海人，工程師，主要從事地震應(yīng)急工作.E-mail：zhangyong_1111@126.com

P315-392

A

1003-1375(2017)04-0055-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.010