高速公路高清视频监控解决方案

浅析高速公路高清视频监控系统的构建张志山西省运城高速公路有限责任公司随着我国高速公路建设的快速发展，其视频监控系统也经历了模拟、数模混合及全数字等多次技术变迁。来到近两年，高清视频监控需求不断被提出，特别是高速公路领域，对高清视频监控系统的需求更为强烈。然而，如何构建一个可以满足实际应用需求的高清视频监控系统，也成为了建设方、设计单位及设备厂商需要面临的全新挑战。为此，本文将主要针对当前常用的几种高清视频监控技术的特点进行分析，为构建高速公路高清视频监控系统提供参考。一、高清视频的优势高速公路交警以及管理处经常会有这样的抱怨：图像不清楚，无法看清车牌和驾驶室里的情况；在交通事故后去查看录像，却看不清详实具体的事故情况，等等。这主要是因为当前的高速公路视频监控系统受制于原先的电视制式，图像清晰度最高只能达到D1的标准（720×576），而无法提供更高清晰度的视频。因此，在高速公路应用领域对高清视频监控系统的需求更加迫切。“高清”的概念与标准最早是由广播电视业提出的，其主要有三种标准：720P、1080i、1080P，其画面宽高比定义为16：9。720P即是1280×720分辨率，1080i与1080P是1920×1080分辨率，后缀“i”和“p”分别表示隔行扫描与逐行扫描。其中，1080P是最高等级的高清视频清晰度标准。表1是高清视频与标清视频在分辨率上的对比：视频标准水平分辨率垂直分辨率D1720576720P12807201080P19201080表1高清视频与标清视频在分辨率上的对比从表格中可以看出，高清视频在水平及垂直两个方向上的分辨率均要大大高于标清视频。而再通过图1，可直观地反映D1、720P及1080P视频单幅图像的尺寸。图1D1、720P、1080P视频单幅图像尺寸对比对同一个监控对象而言，采用现有的标清D1标准，单幅图像约为40万个像素点；采用720P标准，单幅图像约为90万个像素点，2倍于D1；而采用1080P的标准则有200万个像素点，4倍于D1。因此，高清视频可以得到监控对象更多的细节情况，可有效解决现有标清监控系统存在的看不清的问题。从另一个方面来看，如现有标清摄像机已满足了清晰度的要求，那么在采用高清摄像机时，我们可以采用更为广角的镜头，对2倍或4倍于标清摄像机所监控的范围进行监控，而得到与原有标清系统同样的清晰度。也就是说，原来标清监控系统需要安装2个或4个摄像机来监控的一片区域，而采用高清系统则只需要安装一台摄像机。二、高清视频数字编码高清视频数字编码可分为数字非压缩编码及数字压缩编码（IP网络高清）两种方案。两种方案各有优点，也有各自存在的问题，选择哪种方案就要视项目的实际需求来定。数字非压缩编码，顾名思义就是对视频进行数字采样编码，视频信号不经过任何压缩技术处理。数字非压缩方案广泛应用于广播电影电视行业，其接口普遍采用HD-SDI，可满足SMPTE定义的高清视频标准。这种方案的优点是视频质量非常高，同时实时性好、延时低。但非压缩的高清视频码流非常大，以30fps的速度传输1路1920×1080高清视频，所需数据速率达1.5Gbps。而且数字非压缩的高清视频无法以TCP/IP的方案进行传输，所以在高速公路的高清视频监控系统中，如果采用数字非压缩的方式，对光纤的需求非常大。另外存储时还需要采用压缩技术，否则视频资料的存储将占用极大的存储容量。相对于数字非压缩方式，数字压缩编码的高清视频（也可称为IP网络高清视频）是经过了压缩处理的，其码流有大幅度的降低，且通过TCP/IP网络进行传输，在后期的存储及发布时也较非压缩方式更为方便。在视频监控行业内最常用的高清视频编码格式有MPEG-2、MPEG-4、M-JPEG和H.264四种算法。1、MPEG-2编码MPEG-2编码是一个应用年代比较久的编码形式，该标准由动态图像专业组织（MovingPictureuresExpertsGroup即MPEG）于1994年推出。MPEG-2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从每秒3Mbps～100Mbps，标准的正式规范在ISO/IEC13818中。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果我们能将这些冗余信息去除，只保留少量非相关信息进行传输，就可以大大节省传输频带。而接收机利用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像。MPEG-2的压缩比并不高，对带宽的要求还是很严格。理论和实验证明，对于高清视频采用MPEG-2压缩格式，在带宽低于20Mbps时就会影响到动态清晰度。在高速公路这种监控场合，存在大量的高速运动的车辆，对带宽的要求就会更高。所以在高清视频监控系统中采用MPEG-2编码方式的非常少。MPEG-4编码运动图像专家组MPEG于1999年2月正式公布了MPEG-4（ISO/IEC14496）标准第一版本。同年年底MPEG-4第二版亦随即推出，且于2000年初正式成为国际标准。MPEG-4与MPEG-2有着很大的区别。MPEG-4不只是具体压缩算法，它还是针对数字电视、交互式绘图应用（影音合成内容）、交互式多媒体（、资料撷取与分散）等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。MPEG-4标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，从而建立起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。MPEG-4虽然在压缩性能上比MPEG-2要好，但并其出发点并不是针对高清视频。同时由于一些大厂商的利益之争，使得标准非常混乱，在实际应用中无法统一。在其推出后不久，H.264也被正式推出，所以在视频监控行业中，MPEG-4的应用受到了H.264的较大影响，并没有得到广泛的应用。3、M-JPEG编码M-JPEG（Motion-JoinPhotographicExpertsGroup）技术即运动静止图像（或逐帧）压缩技术，广泛应用于非线性编辑领域可精确到帧编辑和多层图像处理，把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩方式单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧的编辑，此外M-JPEG的压缩和解压缩是对称的，可由相同的硬件和软件实现。但M-JPEG只对帧内的空间冗余进行压缩，不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高。此外，M-JPEG这种压缩方式并不是一个完全统一的压缩标准，不同厂家的编解码器和存储方式并没有统一的规定格式。因此，在视频监控领域一般不采用M-JPEG编码进行实时视频流的传输、显示，但由于其具有帧内压缩的特点，所以在部份监控系统中有采用M-JPEG格式进行抽帧录像。4、H.264编码H.264是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像编码专家组）的联合视频组（JVT：JointVideoTeam）开发的一种新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。其于2003年3月正式发布。H.264与MPEG-2最大的不同，在于MPEG-2是把全画幅分割成相等的方块，不管方块内是什么内容逐个进行压缩。而H.264具有智能分析功能，它会先分析整个画面中的运动部分，可对运动部分分配较多的资源，给相对静态的部分分配较少的资源，这样就可以有效地利用带宽。在同等的图像质量情况下，H.264的数据压缩比能比MPEG-2高2～3倍，比MPEG-4高1.5～2倍。不过，H.264解码算法比MPEG-2和MPEG-4更复杂，其计算要求更高。针对高清视频H.264的带宽要求一般为8Mbps～16Mbps，是目前高清视频监控中采用最多的一种压缩编码方式。三、高清视频数字接口的选择不管是采用数字非压缩编码还是数字压缩编码，视频最终还是需要在显示设备上输出。目前高清视频数字接口主要有HDMI、DVI及HD-SDI三种。HDMI的英文全称是“HighDefinitionMultimedia”，中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。现今大部份高清电视均采用HDMI接口，其最远传输距离为15米。DVI全称为“DigitalVisualInterface”。它是1999年由SiliconImage、Intel、IBM、HP、NEC、Fujitsu等公司共同组成DDWG（DigitalDisplayWorkingGroup，数字显示工作组）推出的接口标准。DVI有DVI-A、DVI-D和DVI-I三种不同的接口形式，目前应用主要以DVI-D为主，其能接收数字信号，不兼容模拟信号。DVI电缆的最大长度是不包括在规范内的，一般情况下显示1920×1080分辨率所需视频电缆长度可达5米。HD-SDI采用同轴电缆传输，以BNC接头作为标准接口。其标准由SMPTE（美国电影电视工程师协会）进行定义，其中SMTPE292M标准定义了如何以1.485Gbps的速率，通过串行数字接口传输10比特1024级4：2：2抽样格式的高清分量视频。SMPTE425M标准则支持10比特以及12比特的3Gbps数据流。HD-SDI传输距离可达100米，是目前高清接口中传输距离最远的接口，已广泛应用于广播和视频产品中。各接口的特性如表2所示：HD-SDIHDMIDVI端口数量111传输格式1080i，1080p，720p1080i，1080p，720p1080i，1080p，720p信号传输模式无损数字信号无损数字信号无损数字信号同时音频传输支持支持不支持传输带宽1.485Gbps5Gbps8Gbps最远传输距离100米20米5米表2HD-SDI、HDMI、DVI接口特性对比通过以上对高清视频数字接口的介绍，可以发现在高速公路的高清视频监控系统设计中，前端高清视频源应采用HD-SDI接口，其不但传输距离远，而且其所使用的75Ω同轴电缆在施工时也最为方便。而在监控中心的输出时，则需要考虑显示设备的接口方式，一般采用HDMI或DVI接口。四、高清视频的传输及存储通过上述对高清视频编码、接口等的介绍后，我们进一步分析高清视频的传输及存储的解决方法。1、高清视频传输高清视频的传输取决于其采用的编码方式是数字非压缩还是压缩编码。这两种高清视频在码流上有着极大的区别。如果使用的是数字非压缩编码，单路高清视频的码流将达到1.5Gbps（SMPTE425M标准为3Gbps数据流），同时视频流不具备TCP/IP传输模式。根据前面对高清视频接口的分析，高清摄像机采用HD-SDI接口比较合理，所以一般是配置HD-SDI的视频光端机通过光纤进行高清视频的传输。如果使用的是数字压缩编码，那么视具体的压缩算法，常用的H.264编码后的高清视频每一路需要8Mbps～16Mbps的带宽，通过TCP/IP网络进行传输。由于高清视频是高码流、持续的传输，所以对网络的要求是非常高的。在高速公路的实际应用中，一般有通过SDH通信系统传输以及组建单独的视频传输网络两种方式。无论采用什么样的网络形式，都必须认真的规划好网络带宽的分配。2、高清视频的存储与传输一样，高清视频的存储也要区分数字非压缩还是压缩编码。在实际应用中，高清视频的存储均是存储压缩后的视频，码流则取决于采用的压缩算法。两者的区别在于，数字非压缩的高清视频可采用HD-SDI高清DVR存储，也可以将非压缩视频先通过高清视频编码器编码，然后通过NVR完成存储。而数字压缩的高清视频则直接通过网络由NVR完成存储。不管采用何种方式，由于高清视频高码流的特点，对存储设备的容量要求都非常高，需要仔细的进行容量计算。五、典型的高速公路高清视频监控解决方案从以上针