‧ HD-SDI 系統在軌道交通中的應用

來源:CPS中安網作者:張鵬

　　　　　
HD－SDI離安防已經越來越近，應用已經逐漸展開，軌道交通就是其中的典型應用。軌道交通，作為城市交通的一個重要工具，目前已經成為了一個重要的承載工具，為城市的發展注入了更大的活力。

應用背景
　　軌道交通系統在管理中有其典型的特點，如涉及的區域廣、網站數量較多；人流集中，相對固定的進出模式；涉及到運營、調度、防災、治安等多個重要相關系統進行管理。其主要監控區域包括進出站口、網站人員彙集區(購票、安檢、刷卡進出口等)、月臺彙集區，網站的重要位置(例如機房、設備間等)也需要規劃到監控區域中。各網站的圖像，涉及到多個系統、多個部門圖像公用；在控制中心，涉及到線路的行車、電力、防災調度員，以及總調度等，均需要即時視頻作為第一手參考資料。

　　因此，軌道交通對監控系統的要求，已經不再僅僅是要求看到，而是要看清。標清系統所能提供的畫面清晰度，已經開始出現升級瓶頸，這也是城市軌道交通系統建設中需要考慮到一個重要因素。

　　軌道交通監控對前段前端設備要求比較高，解析度均要求達到100萬畫素(720P)或者200萬畫素(1080P)的攝影機。目前在高清視頻應用中常見的有基於色差分量等方式的類比高清、基於HDMI/DVI等介面傳輸的數位高清、基於乙太網進行傳輸的數位高清、以及在廣播視頻領域已經成熟應用的基於SDI介面的數位高清的應用。綜合來看，前面兩種方式由於傳輸距離受到傳輸介質以及對通道的要求，其傳輸距離僅能滿足臨近設備之間的連接和傳輸，不適宜應用於安防視頻系統。

　　基於乙太網的高清視頻具備了較好的靈活性，已經在標清視頻應用中綻放出光彩，但在超過百萬畫素的應用中，由於視訊壓縮技術的限制，目前還無法將視頻的碼流壓縮到比較低的一個範疇。以一個200萬畫素的活動視頻圖像為例，其視頻碼率要求的應用經驗為6～8Mbps，甚至更高。而隨著解析度增大帶來的問題並不只是簡單的碼流數量疊加，編碼過程中由關鍵幀帶來的突發資料對傳輸網路的衝擊更大，在大量前端點同時運行的系統中，要完全控制突發資料帶來的影響幾乎無法實現；由於資料量的增大，單幀資料的分組數增加，在出現丟包的可能性增大；另外，基於乙太網的高清視頻的各廠家相容問題還沒有得到比較完善的實際互換方案。

　　SDI(Serial Digital Input,串列數位介面) 是 ITU-R BT.656 以及SMPTE(動圖像和電視工程師協會)提出的串列鏈路標準，通過75 歐姆同軸電纜來傳輸未壓縮的數位視訊。在專業演播室的廣泛應用，為高清視頻傳輸提供了另外一條道路。

　　SDI介面現今已經有SMPTE 259M(SD-SDI,資料率270 Mbps)、SMPTE 292M(HD-SDI, 數據率1.485Gbps)、SMPTE 424M(3G-SDI,資料率達到2.97 Gbps)等幾個標準。採用 SDI介面的系統中，沒有引入壓縮以及解壓縮的過程，傳輸過程中也不需要考慮圖像時間冗餘度，因此，無需進行視頻幀的緩衝，視頻可以即時傳送；攝影機感測器的信號能夠經過SDI介面，無任何損失的直接到達顯示單元。

　　與網路數位高清比較起來，基於SDI介面的高清視頻系統主要具備以下幾個優點：
● 不失真的可靠度—以未經壓縮的數位資料在同軸電纜上或者光纖上傳輸，不會失真;HD cctv所提供的未壓縮過的高清圖像，可提供智慧監控所需的最佳高清圖像來源。另外，SDI介面即使外延也不會帶來如同數位攝影機一般的網路外延問題，中心系統與前端系統是完全隔離的，不可能經過SDI介面產生網路入侵，安全性較網路系統更高。此外，由於視頻是即時傳送，不會出現類似網路系統一般的視頻中斷或者延遲帶來的視頻依舊顯示為原來狀況，避免帶來錯誤的資訊。

● 高清等級的即時圖像—在傳輸過程中沒有產生壓縮與封包化的動作，無需像數位系統一樣，需要進行幀的緩衝才開始編碼和解碼；使得HDCCTV系統的圖像不會產生圖像延遲問題，可以與類比系統的反應時間進行媲美，在要求即時監控的場合具有網路高清系統無法企及的優勢。

● 系統安裝方便—類似於傳統類比CCTV系統，在允許的距離內，更換攝影機和後端設備可以使用已有的同軸電纜線，直接從類比升級到Full HD的解析度。比起轉換到IP網路監控，經銷商/工程商不需再做額外的升級和學習複雜的網路知識；基於SDI傳輸系統，還可以實現音訊嵌入/解嵌，並可支援資料傳輸，現場使用方便。

系統結構概述

車站部分系統結構
　　針對發展中的軌道交通應用，綜合了一些應用中的特點，其主要使用用戶包括有：在車站控制室、在線路控制中心、治安管理系統中的使用者等。其中車站包括車站治安警務室、車站防災等值班員均需要查看視頻；提供視頻圖像可進行電視牆顯示；在線路控制中心的主要用途包括行車、電力、環控、防災等各子系統調度員，以及控制中心的大屏顯示，並可提供錄影重播；作為治安系統的重點關注單位，軌道交通系統的各網站圖像應該按照需要接入到派出所或者分局，滿足對重大事件的聯合應急處置的需要。

　　車站系統主要完成對本車站管轄範圍內的視訊訊號的攝取、圖像顯示和存儲。按照車站的前端設置以及圖像應用需求，車站的主要功能包含前端視頻接入、視頻傳輸、視頻分配、高清視頻切換矩陣、圖像上傳、以及本地監控幾個部分構成。

　　前端攝影機對攝影機感光器件直接輸出的原始資料，根據實際距離的情況，經75歐姆電纜或者光端機等進行傳輸，SDI光端機、視頻分配器、SDI高清視頻矩陣均內置線路均衡電路，將經過線纜傳輸的高速視訊訊號進行調理整形，整個過程可確保感光器件輸出的圖像資料即時進入後端，並到達切換矩陣進行應用控制，最終到達監視器。

　　在整個光端機傳輸、信號分配、高清視頻矩陣切換控制、聯網視頻傳輸等過程中均採用高速串列數位信號進行傳輸，在傳輸、交換過程中均不會帶來任何圖像損傷。

　　整個過程一直採用高速數位信號，可以確保在採集、傳輸、處理一直到輸出給顯示裝置，均不存在任何的視訊壓縮，可以確保信號無損失的直達顯示單元，圖像的清晰度不會受到切換或者傳輸的影響。採用這種方式，確保了圖像的品質得到保障，避免了由於採用圖像壓縮帶來的細節損失，並且可以良好的保證圖像的即時性。

　　採用該方式構建的系統，由於SDI介面具備相應的標準，因此，在傳輸、分配、顯示過程中都可以採用標準測試設備進行實際測試，或者可直接採用具備SDI介面的監視器進行視頻查看，判定安裝使用過程中可能出現的問題。

　　在經SDI光端機進入機房後，採用視頻分配器將信號分為多路，一組給SDI矩陣使用，用於本地顯示以及即時上傳到上級治安系統(如派出所等)；另一組直接傳輸給SDI編碼器，進行視頻圖像編碼，再經由切換式網路，提供給後端平臺進行本機存放區或者遠端存取使用。鑒於高清視頻的碼流較大，各站宜劃分子網，以遮罩廣播資料包等無用資料。

　　此外，在每個車站的上、下行月臺列車駕駛室停車位置的一端，各需設置1台監視器，接收本側月臺高清攝影機的合成畫面供司機觀看乘客上下車情況。將月臺攝影機就近採用視頻分配器1分為2，一路採用畫面處理器進行視頻分隔處理，將組合後的視頻送入月臺監視器以兩畫面模式即時顯示當前月臺圖像情況，另一路傳輸到網站機房或設備間。

車站本地視頻調用
　　網站本地的視頻應用主要包括車站治安管理使用和車站控制室使用兩個用途。根據治安管理的需要，在各車站通常設置有警務室或者派出所，負責及時處理網站上的緊急事務並維護車站治安。在本系統中，我們設置了警務室可直接接收高清視頻矩陣的SDI輸出，並可根據需要，採用畫面處理器進行畫面組合，可以以單畫面或者4畫面模式查看。

　　同時，考慮到警務系統的更高許可權需要，在警務室值班員可同時配置一台公安視頻終端，可操作本地高清視頻矩陣切換及控制或者錄影重播，允許使用相應的用戶名和密碼登陸到系統進行相關操作。

　　在車站控制室，同樣設置多台監視器進行顯示。車站控制室的值班員(如行車值班員、防災值班員等)配置綜合視頻終端(將視頻部分融入ISCS系統等)，允許使用相應的用戶名和密碼登陸到系統進行相關操作，包括操作本地高清視頻矩陣切換及控制。

圖像存放裝置
　　類似於常規類比系統，SDI系統也可以簡單的採用DVR方式進行存儲，提供長時間的錄影儲存功能，經過SDI介面DVR進行編碼後，也可經過網路方式提供視頻給後臺應用。使用DVR進行儲存仍不失為一種較為經濟的解決方案。考慮到DVR的系統的存檔可靠性問題，系統也可以採用SDI編碼器組進行數位化，將採用IP SAN進行錄影儲存，提供更高的寫入性能和存檔可靠性，造價略高。圖像儲存可由視頻部分的軟體來進行管理並提供多用戶訪問等應用。

顯示方式與上傳
　　系統中的顯示裝置(包括控制中心、各車站、派出所、分局等)至高清解碼器之間的圖像資訊傳送可採用多種方式，可採用SDI介面，也可以採用HDMI介面，以適應多種顯示裝置。

　　除了這種方式以外，由於在車站一級，已經採用DVR或者編碼器進行圖像編碼，也可以考慮經過數位解碼器輸出上牆，以實現包括巡視、多畫面等等應用功能。

　　每個網站的SDI高清視頻矩陣可支援多路視頻上傳，並接受聯網的控制信號。這個聯網方式接近類比視頻矩陣方式，可同時上傳多路SDI高清視頻圖像到派出所。採用SDI光端機，可在一芯光線上完成1～8路視頻的上傳以進行聯網。

上級系統結構

　　網站級系統的主要任務是完成本地的管理，包括圖像查看部分和控制部分均局限與本網站圖像。對於治安系統的派出所、分局，一級，或者線路的控制中心，需要查看多網站圖像，對多個網站圖像均需要進行統一查看和控制。其結構可按照圖2方式構建。

　　對於上級系統，其結構相對簡單，由於不涉及圖像直接接入，僅採用下級上傳視頻，同時錄影工作也已經在網站完成，因此，上級設置矩陣，通過光端機接入下級圖像，採用矩陣聯網方式實現圖像查看。

　　此外，通過網路方式也可接入前端的數位圖像，通過部署相應的用戶端，可實現對前端圖像的查看和控制以及錄影重播。其結構與車站系統類似，不再贅述。

與其他系統的介面
　　根據軌道交通系統的應用現狀，本設計構建的系統包含了高清SDI即時視頻圖像系統，以及數位高清視頻應用系統，兩個系統都需要完成圖像的觀看。因此，勢必涉及到如何設計視頻監控系統部分的總體結構問題。

　　在軌道交通系統中，ISCS系統由於其結構的靈活性，本身可以肩負著管理所有軌道系統包括行車等重大系統的任務，因此，系統的結構上可採用建立單獨視頻管理系統的方式，在ISCS系統中對視頻管理系統進行接入整合的方式，以納入一體化管理。

　　本方案中所採用的矩陣切換控制、控制碼分配器等設備，均具備相應的RS232/RS422介面或者乙太網介面。其控制指令、協定、Demo控制程式等資訊均可以統一提交以便進行更進一步的系統集成。INFINOVA的SDI矩陣也吸收了原有ARM矩陣系列的乙太網聯網方式，使用者可以直接將其視為一台矩陣，根據唯一編號ID進行調用。

　　採用該方式構建的系統，即時圖像的品質得到保障，避免了由於採用圖像壓縮帶來的細節損失，並且可以在使用中保證圖像的即時性。在後臺可以借助於視頻管理軟體平臺，實現對經DVR或者編碼器進行編碼的數位視訊部分進行更方便的應用。

　　HD CCTV系統在保障了即時性的基礎上，提供了高清圖像的另外一種實現方式。系統秉承了類比系統的通用性良好、安裝便捷的特性，在網路高清面前，也具備自身的獨特優勢。