淺談數(shù)字化視頻技術(shù)在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：隨著新技術(shù)的發(fā)展，高速公路機(jī)電系統(tǒng)的智能化程度越來越高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也經(jīng)歷了模擬監(jiān)控至數(shù)字監(jiān)控的階段發(fā)展。隨著用戶對(duì)視頻監(jiān)控的需求逐漸增加，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有更好的適用性。本文介紹了高速公路行業(yè)視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，列舉了目前常見的幾種數(shù)字視頻傳輸組網(wǎng)方式，并詳細(xì)分析了每種方式的特點(diǎn)和適用條件。通過與模擬監(jiān)控比較，闡述了數(shù)字監(jiān)控的優(yōu)勢和特點(diǎn)。最后針對(duì)應(yīng)用中的一些問題，提出了具體的措施和解決方法，并對(duì)高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：高速公；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)字視頻

一、研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高速公路機(jī)電系統(tǒng)的智能化程度也越來越高，目前我國大部分高速公路都設(shè)置有完善的道路監(jiān)控系統(tǒng)。完善的監(jiān)控系統(tǒng)在保障高速行車安全、道路暢通方面發(fā)揮著極其重要的作用。

閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）是高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，一個(gè)完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常由前端攝像機(jī)、視頻傳輸設(shè)備、視頻處理設(shè)備以及后端顯示設(shè)備等部分組成。高速公路視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了模擬至數(shù)字的幾個(gè)階段發(fā)展，隨著數(shù)字視頻壓縮技術(shù)日益成熟，多媒體技術(shù)被廣泛應(yīng)用，數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為主流。所謂的數(shù)字化視頻技術(shù)是指在視頻的傳輸、控制、存儲(chǔ)等方面均采用數(shù)字化處理，這樣既提高了圖像傳輸存儲(chǔ)的可靠性和穩(wěn)定性，也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)管理和擴(kuò)展性。

目前，各省市高速公路路網(wǎng)逐漸擴(kuò)大，不斷推進(jìn)路段聯(lián)網(wǎng)，各級(jí)管理部門對(duì)視頻圖像的需求顯著增加，對(duì)圖像的清晰度、傳輸距離、圖像信息等方面提出了更高的要求。面對(duì)新的需求，基于模擬信號(hào)傳輸?shù)腃CTV系統(tǒng)難以滿足行業(yè)內(nèi)對(duì)于視頻傳輸?shù)膽?yīng)用需求，而數(shù)字化閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)具有更好的適用性。

二、數(shù)字視頻傳輸方式

目前在高速公路行業(yè)采用數(shù)字化視頻解決方案主要有以下幾種方式：

1、數(shù)字非壓縮光端機(jī)

數(shù)字非壓縮光端機(jī)是高速公路機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種模式。由于在光纖中傳輸?shù)膱D像采用數(shù)字化方式傳輸，避免了受到非線性失真等因素的影響，并且可以采用復(fù)用技術(shù)，在一芯光纖中實(shí)現(xiàn)多路圖像的傳輸，增加了光纖的利用效率。在以模擬視頻矩陣為中心的監(jiān)控系統(tǒng)中有較好的適用性。但是伴隨近年來聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的加速發(fā)展，這種方式已很少使用了，主要是因?yàn)閿?shù)字非壓縮傳輸無法利用通信網(wǎng)，需要單獨(dú)建設(shè)傳輸網(wǎng)，成本較高且無法大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)。

2、數(shù)字非壓縮光平臺(tái)

由于光端機(jī)和矩陣組建的松散式視頻系統(tǒng)的整體性能不佳，且聯(lián)網(wǎng)特性差，因此廠家逐步推出了光端機(jī)接入、非壓縮數(shù)字視頻交換的視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架。通過信號(hào)PCM數(shù)字化處理，在已經(jīng)形成的模擬視頻傳輸信號(hào)上進(jìn)行數(shù)字化包裝，將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過光纖接入至平臺(tái)，通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行時(shí)隙交換，減少信號(hào)失真。

數(shù)字非壓縮光平臺(tái)結(jié)合了光纖通信及高速數(shù)字總線交換技術(shù)，去除了分配器、矩陣、疊加器等設(shè)備，減少了噪聲引入，保證了圖像質(zhì)量和延遲水平。但非壓縮平臺(tái)僅適用于模擬攝像機(jī)系統(tǒng)，不能無縫兼容高清業(yè)務(wù)。因?yàn)楦咔逡曨l技術(shù)只能走壓縮數(shù)字化的道路。非壓縮方式的數(shù)字編碼沒有統(tǒng)一格式，不同廠家的設(shè)備無法對(duì)接。且光纖占用較多，1芯光纖通常最多傳輸16路非壓縮數(shù)字視頻，為了提供足夠的視頻通道，需要占用大量主干光纖。因此非壓縮光平臺(tái)具有一定的局限性。

3、H.264編碼視頻綜合接入

隨著聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的發(fā)展趨勢，行業(yè)規(guī)范逐步強(qiáng)化，基于H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)的視頻綜合接入解決方案技術(shù)也已成熟，成為視頻傳輸?shù)囊粋€(gè)新方向。該方案使得數(shù)字視頻協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，圖像的網(wǎng)絡(luò)化傳輸更為靈活，組網(wǎng)也更為方便。由于高清數(shù)字視頻是基于IP技術(shù)的，隨著高清監(jiān)控的普及，在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用也更為廣泛。

三、數(shù)字視頻監(jiān)控組網(wǎng)方式

目前在高速公路行業(yè)針對(duì)數(shù)字監(jiān)控的視頻組網(wǎng)主要有以下幾種方式：

1、利用通信系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)

通信系統(tǒng)可以提供一個(gè)安全可靠的傳輸平臺(tái)，具有多級(jí)保護(hù)能力，傳輸延時(shí)小，通信系統(tǒng)可以提供具備動(dòng)態(tài)帶寬分配的業(yè)務(wù)級(jí)保護(hù)，在圖像被大量調(diào)用時(shí)，不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)帶寬峰值而影響圖像傳輸。在組網(wǎng)時(shí)，前后端的編解碼設(shè)備需先接入交換機(jī)，再接入通信系統(tǒng)，增加了故障點(diǎn)。通信系統(tǒng)帶寬也是相對(duì)固定，STM-4等級(jí)的傳輸速率為622Mbps，實(shí)際可用帶寬更小一些，以8M高清圖像+2M存儲(chǔ)碼流計(jì)算，約可以傳輸40路左右的視頻。

2、利用以太網(wǎng)交換機(jī)獨(dú)立組網(wǎng)

以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)時(shí)交換機(jī)吞吐容量大，有效帶寬大，可滿足高清圖像傳輸需求，可同時(shí)接入多種業(yè)務(wù)，節(jié)約投資。因此在采用高清視頻或視頻路數(shù)較多的情況下，可以考慮采用千兆以太網(wǎng)或者萬兆以太網(wǎng)方式獨(dú)立組網(wǎng)。缺點(diǎn)是網(wǎng)管信息與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)混合傳輸，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁堵時(shí)，網(wǎng)管信息也無法發(fā)送。安全性相對(duì)較差，需要組建專網(wǎng)，或有防火墻等保護(hù)。

四、數(shù)字監(jiān)控的優(yōu)勢

傳統(tǒng)模式在應(yīng)用中存在以下問題：占用大量的光纖資源；系統(tǒng)復(fù)雜度高，故障點(diǎn)多；光端機(jī)產(chǎn)品本身網(wǎng)管能力較差。因此造成高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，增加了后期運(yùn)營維護(hù)管理的難度。尤其是對(duì)于高清視頻，由于高清信號(hào)頻率很高，模擬傳輸距離十分受限。數(shù)字視頻技術(shù)解決了這些問題，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、數(shù)字視頻設(shè)備的輸入輸出信號(hào)穩(wěn)定可靠，能夠避免模擬系統(tǒng)中非線性失真的影響。數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中不會(huì)逐步積累噪聲，保持信噪比基本不變，收端圖像質(zhì)量基本與發(fā)端一致，適合多環(huán)節(jié)和長距離的傳輸。符合高速公路聯(lián)網(wǎng)的特征需求。

2、數(shù)字技術(shù)與計(jì)算機(jī)配合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字監(jiān)控設(shè)備的自動(dòng)控制和操作，符合高速公路智能化發(fā)展的需求。數(shù)字視頻更方便進(jìn)行視頻處理，可實(shí)現(xiàn)大量圖像處理功能。且數(shù)字信息易于存貯和檢索，可以高效的檢索到所需信息，極大的提高了工作效率。

3、利用數(shù)字編碼技術(shù)使視頻傳輸帶寬明顯減少，通常為模擬視頻所占帶寬的1/4左右。而且利用數(shù)字編碼的方法，更有利于視頻的保密。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，改造及擴(kuò)容投資小。

五、應(yīng)用中的一些問題

1、數(shù)字視頻所需的傳輸帶寬

傳輸帶寬計(jì)算：碼率×攝像機(jī)的路數(shù)=最低網(wǎng)絡(luò)帶寬。如果要在有限的帶寬傳輸更多的視頻，控制碼率是直接的解決方法。但碼率直接和圖像質(zhì)量相關(guān)，要根據(jù)顯示和存儲(chǔ)需求合理的設(shè)置分辨率、幀率。確定了所需的傳輸帶寬，還需要考慮到交換機(jī)的處理能力和存儲(chǔ)設(shè)備的I/O性能，才能保證視頻圖像的流暢。

2、H.264編解碼設(shè)備的互編互解互控

H.264的數(shù)據(jù)壓縮算法雖然具有很高的壓縮比，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。由于標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性以及標(biāo)準(zhǔn)本身存在的可選項(xiàng)，各個(gè)廠家根據(jù)自己對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致H.264編碼算法的不同廠家芯片存在兼容性的問題。如果要各個(gè)廠家真正做到互編、互解、互控，還需要業(yè)主方進(jìn)行協(xié)議的統(tǒng)一制定和規(guī)范。

當(dāng)前的H.264編解碼芯片能力都局限在MainProfile@Level 3的SD標(biāo)清解碼層次上，目前在高速公路行業(yè)還是以標(biāo)準(zhǔn)清晰度的H.264方案為主，但隨著需求的提高和技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)過渡到H.264高清標(biāo)準(zhǔn)。

六、總結(jié)

高速公路行業(yè)的發(fā)展日新月異，新技術(shù)的應(yīng)用層出不窮。從模擬圖像到數(shù)字圖像，從復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)架到簡潔的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?shù)字化圖像技術(shù)的應(yīng)用為高速公路機(jī)電系統(tǒng)提供了更便捷的解決方案，成為行業(yè)視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展新的方向。

數(shù)字視頻監(jiān)控從標(biāo)清到高清，再到全高清，用戶的需求也越來越高。高清視頻技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的飛速發(fā)展，也大大提升了視頻監(jiān)控的應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)著基于視頻圖像的應(yīng)用技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為監(jiān)控系統(tǒng)帶來了更廣闊的發(fā)展空間。

作者簡介：李鳴玨（1985.8.26），男，北京， 本科，系統(tǒng)工程師，工程師，研究方向：智能交通.