地铁全IP高清电视监控解决方案

2012-02-26华北电力大学能源动力与机械工程学院刘燕平

智能建筑与智慧城市 2012年7期

文│华北电力大学能源动力与机械工程学院刘燕平

地铁全IP高清电视监控解决方案

文│华北电力大学能源动力与机械工程学院刘燕平

1 前言

当前很多城市都在轰轰烈烈建设地铁，然而地铁从运营管理、治安管理都需要高清监控图像，但现在地铁电视监控基本上还是模拟监控，看不清细节。而高清电视监控技术已日益成熟，高清监控设备的成本也在逐渐下降，高清监控尤其适合在地铁人流密集的地方，既能看清宏观又能看清细节，将在今后的地铁监控中广泛应用。

2 高清电视监控标准

现在安全防范的高清电视监控参考我国广播电视标准，规定清晰度电视（SDTV）的分辨率为720×576像素（D1分辨率），而高清晰度电视（HDTV）的分辨率为1920×1080像素，准高清1280×720像素。

传统监控系统多以模拟摄像机及监视器的可分辨线数（TV Line）来表示，水平分辨率为480线、540线或580线的摄像机就宣称为高清，它是指摄像机在拍摄垂直黑白线条时，在水平方向相应垂直屏高的区间内所能分辨出的黑白线条数，在传统数模结合的监控系统里，模拟图像经数字编码CIF分辨率352×288=10.14万像素，4CIF分辨率704×576=40.55万像素，D1分辨率720×576=41.47万像素。

高清晰度电视（HDTV）的分辨率为1920×1080=207.36万像素，准高清1280×720=92.16万像素。

从上述可以看出，如果是100多万像素的数字摄像机是准高清，如果200多万像素的数字摄像机是高清数字摄像机，那么一台准高清数字摄像机相当于两台模拟标清摄像机，一台高清数字摄像机就相当于五台模拟标清摄像机。

能达到200万像素的摄像机，配套以1080p分辨率的显示设备及相应的传输通道，就可以形成一套可称之为高清的电视监控系统。

3 地铁高清电视监控架构

地铁电视监控特点：每个车站平均配置有60台左右监控摄像机，运营车站综合控制室和公安值班室由于空间小，运营控制室一般配置两台监视器，一台监控终端，公安值班室一般配置四台监视器，一台监控终端。每条地铁线路控制中心有12块左右大屏拼接电视墙，但常用显示监控图像有4块左右，剩余监视器显示其他信号，有3台监控终端，线路派出所12块监视器基本上显示监控图像，有3台监控终端。在每个车站进行图像存储，而运营控制室和公安值班人员也不是时时刻刻盯着监视器监控图像，还要做其他工作，所以监控图像主要起到的作用是事后调看监控录像，因此基本不需要无延时的监控图像，而且图像传输和控制延迟约200ms～300ms，对地铁运营和公安电视监控功能没有影响。但面对恐怖袭击，需要高清监控录像，系统有高可靠性、可用性、可维护性。监控终端通过软解码调看监控图像和录像回放，录像需要采用H.264编码压缩。所以面对上述特点，监控系统采用全IP监控方案是性价比最高的。如图1所示。

4 高清摄像机

现在前端数字摄像机有两种，一种是采用HD-SDI高清摄像机；另一种是IP高清摄像机，SDI接口是一种“数字分量串行接口”，而HD-SDI接口是一种广播级的高清数字输入和输出端口。其中HD表示高清信号，这个标准主要针对分辨率为1080p，帧率为25或者30，模数转换后的数据量为1.485Gbps。视频模数转换后不经过压缩的原始数据量是很大的，如果不经过压缩，如此大的数据量是IP网络根本无法承载的，同时如果直接存储这些数据，存储容量十分惊人。HD-SDI接口采用同轴电缆，以BNC接口作为线揽标准，有效距离为100m，但需要高级别的同轴电缆和BNC头才能基本保证视频效果。

IP就是网际协议，IP高清摄像机除了具备一般传统摄像机所有的图像捕捉功能外，机内还内置了数字化H.264压缩控制器和基于Web的操作系统，通过局域网、Internet或无线网络送至终端用户，IP高清摄像机只需一根网线便可以直接接入到TCP/IP的数字化网络中，通过互联网或者内部局域网进行视频和音频的传输，组网简单，系统开放性好，扩容方便，但图像和控制延迟约200ms～300ms，更为经济。而HD-SDI高清摄像机的优势在于实时性好，本地电视墙和监视器图像清晰度高，但组网稍微复杂，成本稍高。

5 IP高清传输

IP高清摄像机视频流到交换机，交换机到控制终端，交换机到视频解码器，传输接口为RJ45，满足100M的以太网传输，IP高清摄像机通过以太网POE供电，所有的连接线缆只要一根超5类4对UTP即可，但超过100m需要配置光纤收发器。交换机到IP SAN存储采用RJ45接口，满足1000M以太网传输。

高清视频解码器接口输出支持HDMI、DVI、高清监视器带有HDMI/DVI的接口。

HDMI/DVI支持5Gbps的数据传输率，HDMI/DVI线最远可传输15m。超过15m采用带有HDMI/DVI接口光端机通过光纤传输。

DVI接口：全称Digital Visual Interface，即数字视频接口，目前常见的DVI接口有两种，分别是DVI-Digital（DVI-D）与DVIIntegrated（DVI-I）。DVI-D 只能接收数字信号，而DVI-I可以同时兼容模拟信号和数字信号，也就是说DVI-I的兼容性更强。通常我们在显卡的接口部分，看到的是DVI-I接口，在显示器处看到的则是DVI-D接口。

HDMI接口：是“High Definition Multimedia Interface”的缩写，意思是高清晰度多媒体接口。它是一种全数位化影像和声音传送接口，可以传送无压缩的音频信号及视频信号，最新的HDMI1.3规定最高带宽可以达到4.95Gbps，实际视频信号传输带宽接近4Gbps，而现在最高规格的高清视频格式1080p所需的带宽仅仅为2.2Gbps，HDMI源于DVI接口技术，这是为何HDMI接口和DVI接口能够通过转接头相互转换的原因，与DVI相比，HDMI可以传输数字音频信号，HDMI完全向下兼容DVI，它只需要一条HDMI线，HDMI最远可传输15m。

6 高清图像存储

车站采用IP SAN存储阵列，配置一台存储数据管理服务器，采用iSCSI协议，直接对IP SAN进行数据块写入操作，从而实现音视频数据文件的集中存储和管理，通过iSCSI块存储，可以实现对紧急事件的即时回放，大大提高了事件的应急响应能力，通过交换机的组播技术来满足大量用户同时观看视频流的需求。

在控制中心备份一套IP SAN存储阵列，当某个车站的IP SAN存储阵列瘫痪，由控制中心IP SAN存储阵列接管或储存报警。

控制中心和车站配置一台存储数据管理服务器，实现对控制中心和车站IP SAN存储阵列的管理，有效地解决了因大规模监控所面临的视频海量存储管理问题，完成存储计划管理，可对所有监控点制定存储计划，实现前端监控点视频存储的自动管理。完成存储策略管理，可针对不同的监控区域采用不同的管理策略，包括存储时长、RAID等级、是否支持快照等，实现对存储空间的运营。完成存储数据管理，支持视频数据高效存储、检索、下载、重要信息的归档备份等功能。

独立磁盘冗余阵列：RAID5是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案，通过奇偶校验信息提供冗余的存储能力。它不对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到RAID5的各个磁盘上。当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。

在地铁线路控制中心中，一般是音视频图像由交换机和高清音视频解码器通过大屏幕图像拼接处理器上电视墙，高清音视频解码器可以带HDMI/DVI输出接口，大屏幕图像拼接处理器可以带HDMI、DVI输入输出接口，全高清LED液晶电视输入接口有HDMI、DVI，交换机到高清音视频解码器采用超5类线缆，高清音视频解码器到大屏幕图像拼接处理器采用HDMI/DVI线缆，不超过15m，如果超过15m，采用带有HDMI、DVI接口的高清光端机。

7 视频综合平台设计

视频综合平台集IP高清摄像机、存储管理服务器、交换机、监控终端，实现了高清视频监控从采集、编码、传输、切换控制到显示应用。采用IP矩阵，所谓IP矩阵是指控制终端控制软件根据IP高清摄像机和视频编解码器及储存服务器的IP地址节点显示矩阵内容，调用、切换视频监控图像，由于矩阵类型选择的是IP，所以矩阵中的节点全是IP地址节点，即显示的是IP地址之间的通信。IP摄像机对高清实时音视频信号进行H.264编码压缩，支持高清视频格式1920×1080p@25fps和1920×1080p@30fps，并封装为IP数据包，通过IP网络传送到指定的目的地址。车站交换机和中心流媒体服务器支持点对点的单播和点对多点的组播传输方式。

8 车站客户端设计

车站运营一般配置一台PC监控控制终端，至少两台监视器，高清标准要求电视屏幕比例为16：9，而不是传统电视4：3的比例，这样增加了观看者的临场感，更符合人眼观看的习惯。车站公安值班室一般配置一台PC监控控制终端和至少四台监视器，采用高清监视器1920×1080p，具有HD-SDI、HDMI、DVI-D、Y/Pb/Pr高清视频输入接口。如果系统采用全IP视频监控，高清监视器通过HDMI或DVI-D接口与视频解码器相连，通过客户端软件界面和网络视频控制键盘，灵活地调用、切换、控制多路监控视频图像到高清监视器，PC监控控制终端内置软件解码，支持多路视音频信号的软解码，使用户可以直接在PC上对监控内容进行实时查看、控制或历史回放监控图像，实现了IP矩阵功能。

在控制中心配置视频管理服务器，其功能是监控平台的管理中心和控制中心，授权用户可以在任意一台PC管理终端上完成全网的设备管理、资源调度、云台控制和硬解码输出控制，所有的控制指令由视频管理服务器集中处理和发送，而视频流则可以不经过视频管理服务器单独传输。把视频管理服务器作为整个系统的控制和管理核心，所有监控的控制流都由视频管理服务器处理。

在站台上下行首，为司机各配置一台监视器，监控本侧站台2～4台的摄像机合成监控图像，观察上下旅客和安全门工作状况。

9 线路控制中心终端设计

调度大厅设置12～16块大屏监视器组成拼接墙，通过大屏拼接器接入各个子系统信号，共用电视墙，上传H.264编码压缩1920×1080p@30 fps监控图像通过视频解码器输入大屏拼接器。

调度大厅设置3～6块20寸左右的高清监视器和三台PC控制终端组成电视监控分控。视频解码器接收网络上的媒体流数据，并通过解码转换成视频数据，通过VGA或者HDMI接口输出到电视墙和高清监视器，通过客户端软件界面和视频控制键盘调用、切换、控制多路监控视频图像到高清监视器，PC控制终端通过软解码，直接在PC上对监控内容进行实时查看、控制或历史回放监控图像。

控制中心监控终端稍多，还有其他系统终端可能同时调用同一路图像，需配置流媒体服务器为本地或其他系统服务，本地或其他系统视频调用由本地流媒体服务器进行图像获取及转发。

10 控制中心网管设计

一般小的监控系统的维护缺乏智能化管理，如果出现了问题，只能通过人工依次逐段去排查，但对于地铁大规模的监控系统，如果系统不具有系统智能管理手段则是不可行的，其中系统可维护性是不符合要求的。

可通过视频管理服务器和存储数据管理服务器构成的管理平台对所有监控设备进行统一管理，可管理带网管功能的设备，如视频编解码器、光端机、交换机、服务器、IP SAN磁盘阵列等，支持对设备的配置、故障、性能、告警等多方面的管理。将视频管理服务器和存储数据管理服务器提供给标准接口和SDK开发包，集成在网管服务器，通过一台PC网管终端的友好软件界面显示全线设备运行状况。

网管服务器将电视监控系统告警信息向线路集中告警服务器上报。网管服务器接收时钟系统中心母钟提供的标准时间信息，校准本系统内所有需要时间信息的设备。系统针对不同的用户可以采用域管理、用户管理和云台控制优先级管理等。