數(shù)字視頻中的遠(yuǎn)程交通監(jiān)控系統(tǒng)傳輸構(gòu)成

   摘要：本文簡(jiǎn)要介紹數(shù)字視頻遠(yuǎn)程交通監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成、視頻信號(hào)的壓縮，主要介紹遠(yuǎn)程交通監(jiān)控中的視頻傳輸。

    關(guān)鍵詞：TCP／IP視頻壓縮 視頻傳輸 遠(yuǎn)程監(jiān)控 中圖分類號(hào)U491.1 16

    建立完善的城市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，將多種高新技術(shù)運(yùn)用于城市道路交通管理體系，將車輛、道路智能化，達(dá)到緩解道路擁堵、減少交通事故、節(jié)約能源等目的。研究表明，它能使道路能行能力提高2~3倍，停車次數(shù)減少30％，行車時(shí)間減少13％~45％，交通事故成倍降低。在這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程交通監(jiān)控中數(shù)字視頻處理尤為重要，特別是視頻信號(hào)的傳達(dá)室輸。

    1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

    視頻是在時(shí)間近似連續(xù)的圖像序列。傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控存在固有局限性，主要表現(xiàn)為只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)控，無法聯(lián)網(wǎng)，且系統(tǒng)安裝、布線工程量極大；傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，易產(chǎn)生衰耗、畸延時(shí)，圖像質(zhì)量下降，故傳輸距離有限。而“數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控”系統(tǒng)以數(shù)字視頻處理技術(shù)為核心，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、徹底克服傳統(tǒng)模擬監(jiān)控的缺點(diǎn)。系統(tǒng)由視頻采集、視頻傳輸、控制中心等組成。視頻采集單元包括攝像頭、電動(dòng)三可三可變鏡頭、云臺(tái)、解碼器、防護(hù)罩；視頻傳輸可采用有線、無線方式；控制中心單元包括控制主機(jī)、多畫面處器、組合屏(電視墻)、彩色監(jiān)視器、硬盤錄像機(jī)、長(zhǎng)延時(shí)錄像機(jī)、視頻打印機(jī)、視頻服務(wù)器、相關(guān)處理軟件等。其典型結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)對(duì)圖像實(shí)時(shí)性、傳輸速度、并行處理能力、存儲(chǔ)容量等要求較高，支持光纖、數(shù)字微波、無線擴(kuò)頻、雙紋線、電纜等傳輸介質(zhì)，適用干DDN、ISDN、LAN、ATM、POTS等網(wǎng)絡(luò)，集視頻切換、云臺(tái)控制、遠(yuǎn)程視頻傳輸、地圖布防報(bào)警、報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制等功能于一身。

    基本流程：對(duì)城市道路的現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)壓縮編碼處理后，可直接保存于硬盤，亦可通過有線、無線等方式，將視頻信號(hào)磁往近端、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心及各監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)云臺(tái)、鏡頭、矩陣等監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)道路路況圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)視頻信號(hào)錄像，以數(shù)字化方式存于硬盤，供相關(guān)部門分析、查詢、取證等。(如圖所示)

    2 視頻傳輸

    視頻信號(hào)信息量極其巨大。比如按PAL制編碼90分鐘影片，分辨率352*288、每像素24bit，數(shù)據(jù)量高達(dá)657180Mb。如此龐大的數(shù)據(jù)如不進(jìn)行壓縮處理，無論傳輸、存儲(chǔ)都不可能。顯然，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)視頻信號(hào)壓縮是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)視頻信號(hào)壓縮是數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控首先解決的問題。

    2.1 視頻壓縮

    壓縮就是從時(shí)域、空域兩方面去除冗余信息，其理論基礎(chǔ)是信息論①。目前，適合視頻遠(yuǎn)程傳輸?shù)膱D像壓縮標(biāo)準(zhǔn)有H.261、MPEGI等。其核心都是離散余弦變換和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，通過減少每幀圖像間空間上、時(shí)間上冗余度和相關(guān)性來減少數(shù)據(jù)量。H.261標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱P*64，1990年12月由國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCIT)制定，適合64~384Kbps的低帶寬下視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸，但圖像質(zhì)量不理想。與MPEG~1不同，H.261傳輸屏幕區(qū)域更新信息，降低了碼流速率，進(jìn)而大幅降低數(shù)據(jù)流瞬時(shí)變化，是一種在帶寬有障礙的信道上傳輸視頻的理想方案；MPEGL是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1991年制定的1992年成為標(biāo)準(zhǔn)。采用幀內(nèi)、幀間編碼技術(shù)，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高達(dá)200倍壓縮，解決了視頻、音頻的壓縮、解壓縮、同步問題。作為低端應(yīng)用的視頻、音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，它主要針對(duì)信號(hào)在可接受的質(zhì)量要求下編碼成1.5Mbps數(shù)據(jù)流。感官上，圖像細(xì)膩且流暢，是大多數(shù)視頻監(jiān)控可接受的標(biāo)準(zhǔn)。傳輸速率0.8~2Mbps時(shí),MPEGL圖像質(zhì)量與錄像機(jī)相當(dāng)�？筛鶕�(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，選用不同壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

    2.2 視頻傳輸

數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：
①實(shí)時(shí)性。視頻信號(hào)須實(shí)時(shí)處理，如實(shí)時(shí)壓縮、解壓縮、傳輸。
②同步性。盡管視頻信號(hào)具有分布性，但在用戶終端顯示須同步。
③分布性�，F(xiàn)場(chǎng)采集的圖像發(fā)送、接收、顯示的主機(jī)位于不同地點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)相連。

    視頻傳輸依賴的通信網(wǎng)絡(luò)包括LAN／WAN、ISDN、DDN、ATM、PSTN等，由于遠(yuǎn)程交通監(jiān)控及通信協(xié)議都不同，適合遠(yuǎn)程交通監(jiān)控的數(shù)字視頻傳輸要求標(biāo)準(zhǔn)也不同。目前，TCP／IP協(xié)議作為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于各種網(wǎng)絡(luò)。要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字視頻，自然也須遵守該協(xié)議。但該協(xié)議最初是為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)制定的，實(shí)時(shí)傳輸能力較差。此外，IP只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，不進(jìn)行檢錯(cuò)、糾錯(cuò)，因此會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失、失序現(xiàn)象。為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，將TCP用于IP數(shù)據(jù)的傳輸，提高接收端的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)能力，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)包丟失或錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)要求發(fā)端重新發(fā)送，但這樣會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費(fèi)。比如網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，雖能確保其到達(dá)目的地，但無法保證特定時(shí)間內(nèi)到達(dá)，通信鏈路可能存在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的時(shí)延。在城市交通監(jiān)控這樣的特殊場(chǎng)合，如此長(zhǎng)的時(shí)延顯然不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控需要。為確保傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、同步性，有關(guān)組織制定了實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP／RTCP。RTP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，RTCP實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸和服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)用時(shí)，RTP／RTCP用于音頻、視頻媒體，而TCP用于數(shù)據(jù)和控制信令傳輸。每個(gè)經(jīng)過RTP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中都有時(shí)間信息和相關(guān)序列號(hào)，這樣可使應(yīng)用程序混合音頻、視頻信息相關(guān)容易。由于應(yīng)用程序很容易確定視頻幀傳輸時(shí)需跳到的正確數(shù)據(jù)包號(hào)，因此同數(shù)據(jù)包相關(guān)的時(shí)間信息可平滑同步過程，確保傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、同步性。另外，視頻傳輸對(duì)延遲及延遲抖動(dòng)要求較高。所以，視頻傳輸既需一定帶寬，還要有較好的穩(wěn)定性，可伸縮性。目前我國(guó)建成公共組交換網(wǎng)(CHINAPAC)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)(ODN)、公共計(jì)算機(jī)網(wǎng)(CHINANET)、公共電話網(wǎng)(PSTN)及綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)、幀中繼(FR)網(wǎng)及仍在發(fā)展的ATM骨干網(wǎng)等。遍布各地的數(shù)字通信網(wǎng)，加上交管部門的通信專網(wǎng)，相互補(bǔ)充，構(gòu)成比較理想的城市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)視頻傳輸環(huán)境。

    2.2.1電話線方式

    利用現(xiàn)有電話線路進(jìn)行數(shù)字視頻傳輸主要采用XSDL技術(shù)，它提供一種直接接入的不中斷服務(wù)。按照ITU G.902定義，接入網(wǎng)由業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接口(SNI)和用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)之間一系列傳輸實(shí)體，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、傳輸設(shè)施等組成，是能為相關(guān)業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供所需傳輸能力的實(shí)施系統(tǒng)。實(shí)際上是本地局與用戶設(shè)備間的信息傳輸實(shí)施系統(tǒng)，可部分或全部替代傳統(tǒng)的用戶本地線路，具有復(fù)用、交叉連續(xù)和傳輸?shù)裙δ堋Ｔ瓌t上，接入網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)SNI及UNI類型、數(shù)目沒有限制。整個(gè)通信網(wǎng)分為傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)、接入網(wǎng)三部分。XSDL技術(shù)主要包括用于視頻點(diǎn)播和視頻廣播的ASDL、用于電視會(huì)議或雙向視頻控制的HSDL。前者下行速率1.5~9Mbps，上行速率16~640Kbps，傳輸距離5.5KM，關(guān)鍵技術(shù)是高速信道的調(diào)制，可選用調(diào)制方式有正交幅度調(diào)制(QAM)、離散多頻(DMT)調(diào)制、無載波幅度相位調(diào)制(CAP)；后者采用更先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，所以對(duì)帶寬的要求較少，且不需中繼器，僅用兩對(duì)雙絞銅線傳輸雙向?qū)ΨQ數(shù)字信號(hào)。無中繼傳輸距離3~5km，比傳統(tǒng)PCM長(zhǎng)一倍以上，其傳輸速率168kb／s，提供2048kb／s的E1業(yè)務(wù)。HDSL采用了若干編碼和調(diào)制方式，如基帶編碼方式(PAM)、正交幅度調(diào)制(0AM)、無載波調(diào)幅調(diào)相(CAP)等，以提高傳輸質(zhì)量，延長(zhǎng)傳輸距離。目前，ADSL、HDSL技術(shù)均較成熟，使用亦多。此外，還有根據(jù)傳輸線質(zhì)量和傳輸距離動(dòng)態(tài)調(diào)整訪問速度的自適應(yīng)用戶數(shù)字等。以上方式共同優(yōu)點(diǎn)是采用普通電話實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的傳輸，可大大降低系統(tǒng)費(fèi)用，是城市交管部門傳輸監(jiān)控視頻的可行性方案。

    2.2.2 DDN方式

    DDN是利用數(shù)字通道提供半永久性連接電路，以傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)為主的數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)。它主要提供中、高速率，高質(zhì)量點(diǎn)到及點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)字專用鏈路，以便向用戶提供租用線路業(yè)務(wù)。通信速率2.4-19.2Kbps、N X 64Kbps(N=1~32)，也可提供VPN業(yè)務(wù)。國(guó)內(nèi)電信部門已建成并開放ODN業(yè)務(wù)，通信帶寬64K-2.048M(E1)。如城市交通管理部門沒有自己的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，可向當(dāng)?shù)仉娦挪块T申請(qǐng)DDN業(yè)務(wù)。采用該方式時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求申請(qǐng)帶寬，視頻終端可采用G.703或V.35口將多媒體業(yè)務(wù)送DDN網(wǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是服務(wù)質(zhì)量有保證，但費(fèi)用較高，長(zhǎng)期使用存在局限性，可作為城市交管部門傳輸監(jiān)控視頻的過渡、應(yīng)急方案。

    2.2.3 ISDN方式

    ISDN是傳輸視頻信息的理想環(huán)境，專為多媒體通信而設(shè)計(jì)，可提供各種類型的信道，以傳輸不同速率與類型的數(shù)字信號(hào)，其信道可分為信息信道(包括B信道，H信道)與控制信道(D信道)。B信道帶寬為64Kbps，用于傳輸各種語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、位流圖像；H信道帶寬384Kbps或1536Kbps或1920Kbps，用于傳輸高速率數(shù)據(jù)或高位流圖像；D信道帶寬16Kbps，用干傳遞控制信號(hào)以控制B信道(H信道)的呼叫，也可用于傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)。ISDN用戶／網(wǎng)絡(luò)接口有基本速率接口(BRI)和基群速率接口(PRI)兩種。前者將現(xiàn)有電話網(wǎng)中的普通用戶作為ISDN的用戶賤而規(guī)定的接口，由2個(gè)B和一個(gè)D信道組成，成為2B D口，傳輸速率144Kbps；后者由30個(gè)B信道和一個(gè)D信道組成成為30B D口，傳輸速率2Mbps，相當(dāng)于一個(gè)EI口。此外，寬帶ISDN也可用于視頻傳輸，它采用的技術(shù)主要是光纖加上時(shí)分多路復(fù)用品(TDM)，能以高于150Mbit／s的速率傳輸視頻和其他數(shù)據(jù)。目前，采用該方案進(jìn)行遠(yuǎn)程交通監(jiān)控中的視頻傳輸存在諸多客觀局限。

    2.2.4 光纖信道

    光纖信道具有傳輸質(zhì)量高、信道穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。光通信端機(jī)包括PCM基群復(fù)接設(shè)備、二次群、三次群、四次群等跳群復(fù)接設(shè)備。其中，PCM基群復(fù)接設(shè)備向用戶提供符合G.703標(biāo)準(zhǔn)的64Kbps接口，可將低速率的視頻數(shù)據(jù)直接送入PCM終端進(jìn)行傳輸。而復(fù)接設(shè)備直接向用戶提供符合C.703標(biāo)準(zhǔn)的E1接口，其速率2.048Mbps傳輸信道帶寬，經(jīng)G.703／V.35，E1通信主干網(wǎng)的首選，光纖信道具有其他通信方式無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，代表通信信道的發(fā)展趨勢(shì)，也是未來遠(yuǎn)程交通監(jiān)控中視頻傳輸?shù)闹匾�方式�?BR>
    2.2.5無線信道

    無線信道主要是指數(shù)字微波和無線擴(kuò)頻信道，在許多的專用網(wǎng)中都有自己的數(shù)字微波網(wǎng)、一點(diǎn)多址或無線擴(kuò)頻接入信道，它們都可以提供64K~2.048Mbps的信道帶寬，而且通常以專幾的形式提供。這些專用網(wǎng)在建設(shè)規(guī)劃時(shí)，大都已預(yù)留出用作傳輸視頻圖像的專用信道，只要將視頻終端以G.703／V.35方式接入并與原來的數(shù)據(jù)、話音業(yè)務(wù)作無縫連接，即可實(shí)現(xiàn)多媒體通信。采用無線信道進(jìn)行遠(yuǎn)程交通監(jiān)控中視頻傳輸具有靈活機(jī)動(dòng)、簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)點(diǎn)，特別適合一些特殊場(chǎng)所的監(jiān)控，如突發(fā)事件、大型活動(dòng)等，不失為現(xiàn)有視頻傳輸方式的重要補(bǔ)充。

    2.2.3 VSAT衛(wèi)星線路

    衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)覆蓋地域廣，施工量少，是基他傳輸系統(tǒng)無法替代的，特別是移動(dòng)VSAT站，具有極好的機(jī)動(dòng)性，一般用戶可向衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司租用衛(wèi)星繞路，如將64Kbps串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為V.35接口建立視頻連接。采用衛(wèi)星線路進(jìn)行遠(yuǎn)程交通監(jiān)控中視頻傳輸方便快捷，機(jī)動(dòng)靈活，很適合一些特殊場(chǎng)所的監(jiān)控，但長(zhǎng)期使用費(fèi)用較高，存在一定局限性。

    3 結(jié)語(yǔ)

    有效的交通管理是各大城市面臨的共同難題。視頻交通監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)提供城市道路的路段車輛流量、路況信息等，記錄違章車輛，以便快速、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)交通指揮調(diào)度，達(dá)到充分利用現(xiàn)有道路資源，提高突發(fā)事故處理能力，為出行提供捷舒的交通服務(wù)。其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。