分布式多媒體視訊信號(hào)處理系統(tǒng)在北京市軌道交通的應(yīng)用

梁海英 王征

摘 要：北京市軌道交通安保中心作為公交總隊(duì)調(diào)度指揮、應(yīng)急處理中心，對(duì)多媒體視訊信號(hào)處理技術(shù)有很高要求。文章通過(guò)比較集中式和分布式多媒體視訊信號(hào)處理系統(tǒng)，并結(jié)合安保中心的特點(diǎn)，分析采用分布式處理系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，指出分布式處理系統(tǒng)具有深化軟件功能，能夠使安保中心管理提升到一個(gè)全新的高度，真正做到數(shù)據(jù)信息化、信息自動(dòng)化、管控電腦化、決策智能化。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;分布式處理系統(tǒng);安保中心;信號(hào)處理

中圖分類號(hào)：U231.7

1 多媒體視訊信號(hào)處理系統(tǒng)

多媒體視訊信號(hào)處理系統(tǒng)主要包括集中式處理系統(tǒng)和分布式處理系統(tǒng)。

1.1 集中式處理系統(tǒng)

在常規(guī)指揮中心應(yīng)用場(chǎng)景里，集中式處理系統(tǒng)中的混合矩陣作為音視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換、切換、共享設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。在單個(gè)會(huì)場(chǎng)信號(hào)交互過(guò)程中，混合矩陣充分發(fā)揮了其接口豐富、信號(hào)無(wú)損、無(wú)延遲的特點(diǎn)，備受行業(yè)青睞。

隨著海量信號(hào)匯聚至指揮中心后，混合矩陣擴(kuò)容性差的特點(diǎn)逐漸顯露出來(lái)，有時(shí)不得不通過(guò)多臺(tái)混合矩陣級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模信號(hào)的切換，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，切換過(guò)程中受限較多。另外，在多會(huì)場(chǎng)、多品牌互聯(lián)互通時(shí)，混合矩陣只能通過(guò)光纖來(lái)打通矩陣之間的傳輸通道實(shí)現(xiàn)信號(hào)的異地互傳，且施工布線繁瑣。在此情況下，切換一路信號(hào)可能需要控制2臺(tái)甚至多臺(tái)混合矩陣，易用性差。

1.2 分布式處理系統(tǒng)

分布式處理系統(tǒng)基于云架構(gòu)設(shè)計(jì)，以網(wǎng)絡(luò)為核心，將海量前端音視頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)化后交由云端統(tǒng)一調(diào)配，用戶按需在云端調(diào)取音視頻信號(hào)進(jìn)行使用。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程利用了特有的編碼算法，實(shí)現(xiàn)畫(huà)面的無(wú)損、無(wú)延時(shí)傳輸。系統(tǒng)還具備坐席管理、可視化管控、多重備份等功能，可以實(shí)現(xiàn)全方位、高可靠的信號(hào)交互。利用綜合管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智慧化管理，將各種格式的視頻信號(hào)、音頻信號(hào)、控制信號(hào)等集成在一個(gè)管理平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)可控、可監(jiān)、可管?？蓴U(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)有利于后期部署和運(yùn)維。定制化設(shè)計(jì)的交互界面可針對(duì)不同的用戶做精細(xì)化權(quán)限分配，解決跨部門(mén)協(xié)作的難題。

1.3 安保中心多媒體視訊信號(hào)處理系統(tǒng)

北京市軌道交通安保中心（簡(jiǎn)稱“安保中心”）承擔(dān)公共交通系統(tǒng)的日常安全保衛(wèi)及戰(zhàn)時(shí)反恐防恐應(yīng)急處突業(yè)務(wù)。安保中心設(shè)置有指揮大廳、決策室、值班室、多功能廳、信息平臺(tái)及會(huì)商室等處所，各處所均有來(lái)自線路（地鐵、公交）、本地、市局等的多媒體視訊系統(tǒng)終端或子系統(tǒng)。安保中心在建設(shè)初期通過(guò)大量的前期調(diào)研，綜合對(duì)比2種處理系統(tǒng)的適用場(chǎng)景和應(yīng)用前景后，最終確定采用分布式處理系統(tǒng)，將安保中心所有的多媒體視訊系統(tǒng)的終端或子系統(tǒng)接入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，對(duì)不同類型的信號(hào)實(shí)現(xiàn)兼容采集，形成一套功能完善的可視化綜合管理平臺(tái)。

2 分布式處理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分布式處理技術(shù)

安保中心分布式處理系統(tǒng)采用分布式處理技術(shù)，它將所有音視頻、控制類信息，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化，并利用交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)的千兆網(wǎng)上進(jìn)行傳輸、控制、顯示、儲(chǔ)存、管理等。

2.2 H.264 編碼壓縮技術(shù)

分布式處理系統(tǒng)采用H.264編碼技術(shù)。H.264編碼技術(shù)是主流視頻編碼技術(shù)之一，它的編碼核心是采用預(yù)測(cè)編碼與變換編碼相結(jié)合的混合編碼結(jié)構(gòu)，提高了編碼效率。在保證相同圖像質(zhì)量的條件下，H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的2倍左右，碼流為一半左右，因此，能節(jié)約更多的帶寬資源，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率的要求。

H.264能輕松地在多種網(wǎng)絡(luò)中傳輸，具有網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn);提供在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的糾錯(cuò)工具，使其具有強(qiáng)容錯(cuò)力。H.264還支持一種新的流間傳送幀 ——SP幀，能在有類似內(nèi)容但有不同碼率的碼流間快速切換，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。能用較低的碼流實(shí)現(xiàn)較高的圖像質(zhì)量，其關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)不同大小和形狀的宏塊進(jìn)行分割，對(duì)高精度的亞像素進(jìn)行補(bǔ)償，并且增加了去塊濾波器，對(duì)于水平方向和垂直方向的塊邊緣是否存在于環(huán)路中，起到至關(guān)重要的作用。

2.3 圖像處理技術(shù)

分布式處理系統(tǒng)不僅通過(guò)H.264的分布式節(jié)點(diǎn)將先進(jìn)可靠的圖像編解器技術(shù)、多路信號(hào)切換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電視墻拼接等技術(shù)，作為視頻采集、畫(huà)面分割、預(yù)案調(diào)用等業(yè)務(wù)的核心技術(shù)，可拼接整個(gè)屏幕為一個(gè)完整的顯示區(qū)域，也可在屏幕上按照需求多窗口顯示不同的信號(hào)源，并可根據(jù)顯示方案分時(shí)段顯示不同信息。

分布式處理系統(tǒng)輸出節(jié)點(diǎn)支持對(duì)前端網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源的解碼，實(shí)時(shí)切換輸出及點(diǎn)播輸出。圖像處理系統(tǒng)主要應(yīng)用多屏處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將一個(gè)完整的圖像劃分成多個(gè)模塊，這些模塊再分配到不同的單元，多個(gè)顯示單元協(xié)同合作，最終完成一個(gè)超大屏幕動(dòng)態(tài)圖像的拼接顯示。系統(tǒng)通過(guò)最初的數(shù)模轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，全程采用數(shù)字化處理，保證信號(hào)無(wú)損?？蓪?shí)現(xiàn)信號(hào)源多種顯示功能，如拼接、開(kāi)窗、漫游、窗口重復(fù)疊加、窗口選擇性的縮小或者放大等大屏顯示功能。視頻采用基于低壓差分信號(hào)（LVDS）的接口技術(shù)，高清視頻不經(jīng)壓縮處理，最大程度還原視頻細(xì)節(jié)信息。支持無(wú)縫實(shí)時(shí)切換功能（圖像切換間隔無(wú)黑場(chǎng)出現(xiàn)），實(shí)現(xiàn)高清信號(hào)的無(wú)縫切換效果，并且通過(guò)專用控制軟件，用戶可以將想要顯示的圖文信息、影像信息、錄播視頻、數(shù)據(jù)處理等信息同時(shí)切換顯示。

2.4 IP 高清技術(shù)

高清IP監(jiān)控需要占用更大的數(shù)據(jù)量，因此，對(duì)編碼算法、編碼芯片、網(wǎng)絡(luò)承載質(zhì)量、存儲(chǔ)機(jī)制等有更高的要求。目前，采用最普遍的3種高清顯示格式分別是720P（1280×720，逐行），1080i（1920×1080，隔行），1080P（1920×1080，逐行）。高清攝像機(jī)的覆蓋場(chǎng)景非常廣泛，包括一些密集型監(jiān)控場(chǎng)所，如地鐵的進(jìn)出站口，扶梯的上下行口，安檢通道等。由于高清攝像頭的覆蓋范圍較廣，導(dǎo)致邊緣圖像可能出現(xiàn)視頻失真，因此，需對(duì)圖像進(jìn)行校正和分割處理。為了減少由于這一過(guò)程而產(chǎn)生的巨大的數(shù)據(jù)流，可以進(jìn)行圖像裁剪，實(shí)現(xiàn)對(duì)需求圖像的傳輸。

高清攝像機(jī)成像的關(guān)鍵是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和電荷耦合元件（CCD）傳感器，他們的主要區(qū)別是材料不同，前者在靈敏度及信噪處理上略差一些，不過(guò)，差距在逐漸減小。后者在圖像靈敏度和抗干擾能力上要差一些。高清信號(hào)的傳輸占用帶寬比較大，因此在選用場(chǎng)合上要綜合考慮。安保中心本地?cái)z像機(jī)數(shù)量較少，占用帶寬較小;地鐵站段上傳圖像在滿足應(yīng)急指揮的前提下，可以通過(guò)實(shí)時(shí)觀看路數(shù)進(jìn)行限制。

3 分布式處理系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 簡(jiǎn)潔易用的架構(gòu)

分布式處理系統(tǒng)主要包含的硬件設(shè)備有輸入節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)和輸出節(jié)點(diǎn)3部分。系統(tǒng)集成有分配器、傳輸器、矩陣、多屏處理器、融合器等功能，利用網(wǎng)絡(luò)的便捷與自由度，節(jié)省了大量布線工作，最大程度地保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 人性化的操作

在每次切換前都可以對(duì)所切換視頻進(jìn)行預(yù)覽確認(rèn)，實(shí)時(shí)預(yù)覽到所管理的視頻源（信息源），同時(shí)具備檢索定位功能，支持迅速場(chǎng)景預(yù)設(shè)，流程化設(shè)計(jì)，提高了切換過(guò)程的準(zhǔn)確無(wú)誤。

3.3 極高的安全性

基于網(wǎng)絡(luò)的一種全新的系統(tǒng)構(gòu)建方式，不但在傳輸上能夠大大提高穩(wěn)定性，而且對(duì)于安全性而言，由于網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余備份的特性，即使其中某一段發(fā)生問(wèn)題，傳輸過(guò)程也不會(huì)產(chǎn)生影響。

3.4 超強(qiáng)的穩(wěn)定性

分布式處理系統(tǒng)雙服務(wù)器冗余實(shí)時(shí)運(yùn)行，所有節(jié)點(diǎn)熱插拔;整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算分散在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞或不正常只影響該路信號(hào)或該顯示單元的顯示，而不影響其他節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定工作。

3.5 靈活的維護(hù)擴(kuò)展性

每種輸入信號(hào)類型的節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)增加，也可隨時(shí)增加顯示墻、單個(gè)顯示設(shè)備甚至投影融合應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展能力強(qiáng)，如果有單點(diǎn)故障，簡(jiǎn)單置換一個(gè)節(jié)點(diǎn)只需幾秒鐘即可解決故障，維護(hù)方便快捷。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

安保中心為全力打造集“體系化、智能化、高效性、扁平化、標(biāo)準(zhǔn)化”為一體的公共交通行業(yè)防恐反恐、應(yīng)急處突及日常管控指揮體系，實(shí)現(xiàn)“第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)、第一時(shí)間掌控、第一時(shí)間處置”的總體目標(biāo)，建設(shè)北京市軌道交通重要的音視頻數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理中心，實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)應(yīng)用目標(biāo)。

（1）多方位調(diào)取軌道交通線路視頻。在日常工作、會(huì)議和應(yīng)急指揮中，各部門(mén)都可以通過(guò)分布式處理系統(tǒng)從數(shù)據(jù)機(jī)房調(diào)取經(jīng)過(guò)整合的線路視頻。

（2）視頻顯示共享。各部門(mén)所在會(huì)議室、指揮室、指揮大廳可通過(guò)分布式處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻顯示共享。

（3）異地匯報(bào)。各部門(mén)通過(guò)分布式處理系統(tǒng)顯示遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)聽(tīng)取匯報(bào)情況。

（4）視頻會(huì)議。通過(guò)分布式處理系統(tǒng)調(diào)取主會(huì)場(chǎng)視頻會(huì)議視頻信號(hào)，各個(gè)會(huì)議室可以同時(shí)成為分會(huì)場(chǎng)接收會(huì)議信息。

4.2 系統(tǒng)組成

安保中心分布式處理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在單一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上承載所有的多媒體信息，所有音視頻、圖形、圖像資源、控制指令均以網(wǎng)絡(luò)化傳輸，數(shù)據(jù)分散處理，達(dá)到負(fù)載均衡，具有網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、分散構(gòu)架、高拓展性等特點(diǎn)。

分布式處理系統(tǒng)主要由采集終端、信號(hào)輸入節(jié)點(diǎn)、分散式處理控制系統(tǒng)、信號(hào)輸出節(jié)點(diǎn)、顯示終端、智能化管理控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中硬件設(shè)備可靈活部署，只需網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，并且能夠在控制終端統(tǒng)一集中管控下協(xié)同工作。硬件設(shè)備通常是由一些獨(dú)立的輸入、輸出圖像處理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集群，在智能化管控系統(tǒng)的控制下，各節(jié)點(diǎn)間利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)分布式輸入節(jié)點(diǎn)，對(duì)遠(yuǎn)端多區(qū)域內(nèi)的視頻信號(hào)源進(jìn)行分布式編碼，信號(hào)可以統(tǒng)一接入到顯示終端。在顯示系統(tǒng)上可以實(shí)現(xiàn)靈活切換調(diào)用、制定預(yù)案、信號(hào)點(diǎn)播等功能。分布式節(jié)點(diǎn)之間互相獨(dú)立、互不干涉，保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)網(wǎng)線連接交換機(jī)，用戶可通過(guò)智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、圖像畫(huà)面、音頻音質(zhì)。

4.3 安保中心配置

安保中心可視作北京市軌道交通安保工作的“大腦”，不僅要求有良好的“視野”、清晰的“聽(tīng)力”和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，更要有及時(shí)有效的信息反饋。安保中心建設(shè)大樓如圖2所示，設(shè)有3間決策室、1間值班室和10余間信息平臺(tái)及會(huì)商室用于日常運(yùn)營(yíng)和應(yīng)急指揮決策，數(shù)據(jù)機(jī)房用于數(shù)據(jù)的整合、處理，指揮大廳可滿足多崗位集中管理、協(xié)同工作的需要。

安保中心分布式處理系統(tǒng)共投入建設(shè)549個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，150個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，通過(guò)交換機(jī)接入專用網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)配置如圖3所示。視頻輸入節(jié)點(diǎn)通過(guò)視頻線纜與高清攝像機(jī)、PC等信號(hào)源連接，視頻輸出節(jié)點(diǎn)通過(guò)視頻線纜與小間距LED顯示系統(tǒng)、視頻會(huì)議終端等連接;輸入與輸出節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線、交換機(jī)形成一套完整的輸入輸出視頻處理系統(tǒng)。

4.3.1 指揮大廳

指揮大廳（圖4）配置424臺(tái)高清多媒體接口（HDMI）輸入節(jié)點(diǎn)， 6臺(tái)HDMI輸出節(jié)點(diǎn)，1套輸出節(jié)點(diǎn)箱供LED大屏使用。正對(duì)指揮大廳操作區(qū)安裝1臺(tái)主攝像機(jī)，同時(shí)配備1臺(tái)移動(dòng)部位攝像機(jī)做為輔助機(jī)位，完成會(huì)場(chǎng)全景及特寫(xiě)的圖像采集任務(wù)。安裝于大屏兩側(cè)及指揮大廳后墻的3臺(tái)攝像機(jī)，完成對(duì)會(huì)場(chǎng)全景的攝錄。

4.3.2 決策室（會(huì)議室）

決策室（圖5）配置39臺(tái)HDMI輸入節(jié)點(diǎn)，36臺(tái)HDMI輸出節(jié)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)1套可視化觸控操作端，部署在決策室的操作席。決策室內(nèi)建設(shè)1套液晶拼接顯示屏，可確保整個(gè)會(huì)議室人員觀看高清晰度的視頻圖像和高分辨率的計(jì)算機(jī)內(nèi)容，同時(shí)配置圖像拼接處理器，實(shí)現(xiàn)視頻圖像及計(jì)算機(jī)內(nèi)容整屏、分屏、跨屏及畫(huà)中畫(huà)等多種模式顯示。各會(huì)議室配置與決策室一致。為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的豐富化，正對(duì)決策室會(huì)議桌安裝1臺(tái)主攝像機(jī)，完成會(huì)場(chǎng)全景及特寫(xiě)的圖像采集任務(wù)。安裝于決策室兩側(cè)及后墻的3臺(tái)攝像機(jī)，完成對(duì)會(huì)場(chǎng)全景的攝錄，保證會(huì)場(chǎng)內(nèi)無(wú)死角，有助于后期編輯應(yīng)用。

4.3.3 值班室

值班室配置6臺(tái)HDMI輸入節(jié)點(diǎn)，14臺(tái)HDMI輸出節(jié)點(diǎn)。

4.3.4 信息平臺(tái)及會(huì)商室

信息平臺(tái)（圖6）及各會(huì)商室（圖7）共配置80臺(tái)HDMI輸入節(jié)點(diǎn)，94臺(tái)HDMI輸出節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

分布式多媒體視訊信號(hào)處理系統(tǒng)利用先進(jìn)成熟的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，建設(shè)安保中心的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，整合并集成已有數(shù)據(jù)源，形成安保中心數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理與應(yīng)用，使安保中心管理提升到一個(gè)全新的高度，真正做到了數(shù)據(jù)信息化、信息自動(dòng)化、管控電腦化、決策智能化;同時(shí)，為公安警務(wù)人員的情報(bào)分析、警務(wù)管理、安檢監(jiān)督以及車(chē)輛管控提供科學(xué)的支撐依據(jù)。

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收稿日期 2020-06-17

責(zé)任編輯 宗仁莉