數(shù)字視頻傳輸技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

　　摘　要　對數(shù)字圖像傳輸和模擬圖像傳輸技術(shù)進(jìn)行比較和探討。介紹了視頻壓縮技術(shù)和ATM 圖像傳輸技術(shù)在3 號線閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用,闡明了數(shù)字視頻傳輸技術(shù)的實(shí)時(shí)性、可靠性和先進(jìn)性,并提出建議。
關(guān)鍵詞　數(shù)字圖像處理,閉路電視圖像傳輸,ATM 寬帶異步傳輸模式
1 　引言
上海軌道交通3 號線(明珠線) 閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)能提供行車調(diào)度人員對站臺人流、列車開關(guān)門情況和站廳出入口等重要區(qū)域的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察、監(jiān)視和控制,以便對敏感事件進(jìn)行快速反應(yīng),確保軌道交通運(yùn)營中設(shè)備和乘客人身安全及消防應(yīng)急安全。各站圖像除由本站行車值班員監(jiān)視外,還傳送至控制中心,供CCR(中央控制中心) 調(diào)度人員(總調(diào)、列調(diào)和環(huán)調(diào)) 監(jiān)視,從而實(shí)現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
傳統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控系統(tǒng),圖像一般采用光纜或電纜傳輸,易受距離和線路的影響,且造價(jià)極高。近年來,隨著數(shù)字視頻壓縮技術(shù)和基于ATM 的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)的迅速發(fā)展,圖像傳輸也由模擬方式發(fā)展為數(shù)字傳輸,并廣泛應(yīng)用。上海軌道交通3 號線閉路電視監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)采用數(shù)字圖像遠(yuǎn)程傳輸,即ATM + H. 261 的方式。
2 　3 號線數(shù)字圖像遠(yuǎn)程傳輸?shù)奶攸c(diǎn)
2. 1 　不同的圖像傳輸方式的特點(diǎn)
軌道交通閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中車站數(shù)量多、圖像傳輸距離長,且必須將車站圖像信號不失真地傳輸至控制中心。在模擬傳輸過程中,視頻信號對傳輸距離和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加十分敏感,當(dāng)傳輸距離大于1 000 m 時(shí),信號易產(chǎn)生衰耗、畸變、群延時(shí),易受干擾和噪聲積累而使接收端圖像質(zhì)量下降。
上海軌道交通1 號線(地鐵1 號線) 圖像采用光纖傳輸方式,各車站的視頻信號經(jīng)調(diào)頻調(diào)制后合成為一路復(fù)合信號,經(jīng)光纖、光發(fā)送器、光接收器完成圖像實(shí)時(shí)傳輸; 每4 個(gè)車站為一組占用一根光纖,控制信號經(jīng)PCM 通道傳送。這種傳輸方式由于車站攝像機(jī)數(shù)量多,控制中心輸出監(jiān)視器數(shù)目較少,采用傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控方式以點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行圖像傳輸時(shí),大大增加了兩端的視頻調(diào)制和解調(diào)設(shè)備, 工程布線量極大,極不經(jīng)濟(jì),且浪費(fèi)大量的帶寬。
而采用數(shù)字方式傳輸視頻信號則能克服模擬閉路電視圖像傳輸?shù)木窒扌?其優(yōu)點(diǎn)是:
(1) 可以多次再生中繼,不會(huì)因距離的增加而引起噪聲的積累;
(2) 采用數(shù)字壓縮編碼技術(shù),使圖像信號在所需碼率以下,仍保持一定的圖像質(zhì)量;
(3) 采用數(shù)字的信道編碼技術(shù),信號不易受干擾;
(4) 可以采用大規(guī)模集成電路,制成的設(shè)備體積小、成本低、可靠性高,易于調(diào)試維修。

2. 2 　3 號線數(shù)字圖像遠(yuǎn)程傳輸?shù)奶攸c(diǎn)
3 號線數(shù)字圖像遠(yuǎn)程傳輸通過ATM 寬帶異步傳輸方式,將車站的攝像機(jī)視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字壓縮信號傳輸至控制中心。其所采用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是H. 261(ITU -T) 。控制中心根據(jù)各調(diào)度發(fā)出的控制切換信號將輸入的ATM 數(shù)字信號經(jīng)光纖傳輸分配到指定的8 臺監(jiān)視器上。由于視頻數(shù)據(jù)通信屬于實(shí)時(shí)傳輸,必須實(shí)時(shí)處理,如實(shí)時(shí)壓縮、解壓像傳輸時(shí)由于數(shù)碼率帶寬太高,必須盡量減少其速縮、傳輸和同步,故數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)率,并在重現(xiàn)時(shí)盡量保持圖像質(zhì)量,故必須對視頻時(shí)性、分布性和同步性的特點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)是視頻信號進(jìn)行壓縮。例如,可視電話的視頻信號不經(jīng)壓壓縮技術(shù)和ATM 圖像傳輸技術(shù)。縮,則需要140 MbitΠs 的速率,相當(dāng)于2 000 路數(shù)字
2. 2. 1 　視頻圖像編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)電話;如壓縮到64 kbitΠs 時(shí),只相當(dāng)于1 路數(shù)字電視頻圖像具有真實(shí)、生動(dòng)、直觀的特點(diǎn),但由于話。視頻信息量巨大,所占用的頻帶較寬,通常一路模目前常用的視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。擬彩色電視信號需占6 -8MHz 的模擬帶寬。在圖H. 261 是ITU -T 于1990 年通過的

表1 　常用的視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)

“H. 261 3 64 kbitΠs 視聽業(yè)務(wù)用的視頻編解碼”標(biāo)準(zhǔn),其中P = 1 ,2 , ?,30 。它將圖像分解成非重疊的8 3 8 像素方塊,采用離散余弦變換的正交變換(DCT) 的方法,主要是通過減少每幀圖像時(shí)間上和空間上的冗余性和相關(guān)性信息來減少數(shù)據(jù)量。H. 261 適合在64～384 kbitΠs 的低帶寬下傳輸實(shí)時(shí)視頻圖像。
2. 2. 2 　ATM 異步傳輸模式
ATM 異步傳輸模式是由CCITT(ITU -T 前身) 提出的實(shí)現(xiàn)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B -ISDN) 的核心技術(shù)。它是分組交換和電路交換的結(jié)合,既有分組交換時(shí)線路利用率高的特點(diǎn),又具有電路交換時(shí)快速交換的優(yōu)點(diǎn)。
ATM 不僅用于復(fù)用,也可用于交換。ATM 傳送的信息以信元為單位,時(shí)隙安排非常靈活,帶寬可動(dòng)態(tài)分配。ATM 的工作方式是面向連接的, 采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用方式,帶寬將視當(dāng)前的要求在不同的用戶之間靈活分配,極大地提高了帶寬利用率; 同時(shí)能保障不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量,如肯定的延遲,信息丟失率等。
在遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)中,視頻業(yè)務(wù)需要高帶寬來保證圖像質(zhì)量,而ATM 技術(shù)完全能滿足通信系統(tǒng)對綜合業(yè)務(wù)承載以及服務(wù)質(zhì)量的要求。圖為ATM 允許對視頻用戶傳輸?shù)母鞣N業(yè)務(wù)按照CBR (固定比特率業(yè)務(wù)) 、VBR( 可變比特率業(yè)務(wù)) 、ABR (可用比特率業(yè)務(wù)) 以及UBR(未知比特率業(yè)務(wù)) 等進(jìn)行分類,對其服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行分別設(shè)定和控制,而實(shí)時(shí)的視頻非常適合CBR 的業(yè)務(wù)類型。ATM 的這些技術(shù)特性,滿足了其在軌道交通遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3 　3 號線遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)
3 號線共有19 個(gè)車站, 遠(yuǎn)程圖像傳輸采用ATM 異步傳輸方式,視頻壓縮方式為H. 261 標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用上海貝爾公司生產(chǎn)的基于DAS( 分布式ATM 變換) 技術(shù)的傳輸交換設(shè)備,主要由傳輸變換模式、視頻接入模塊和網(wǎng)管控制模塊組成。系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D詳見圖1 。
3. 1 　車站ATM 子系統(tǒng)
各車站分別設(shè)置DAS 機(jī)箱一個(gè), 其中包括4 塊視頻輸入模塊DAS 405 和一塊ATM 傳輸交換模塊DAS 414 , 詳見圖2 所示。
在車站,送往控制中心的模擬視頻(攝像機(jī)) 信號送入ATM 攝像機(jī)板DAS 405 的視頻輸入端,視頻接入模塊采用的是H. 261 編解碼設(shè)備。模擬視頻信號按H. 261 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并被壓縮,形成速率為64 kbitΠs 的碼流,然后這個(gè)視頻信號流被打包轉(zhuǎn)換為ATM 信號,接入ATM 傳輸交換網(wǎng)絡(luò)。其中板內(nèi)交換元件SE 提供通往ATM 底板的入口。控制信號通過RS 485 接口,經(jīng)解碼后可實(shí)現(xiàn)頻輸入模塊DAS 406 、網(wǎng)絡(luò)控制模塊DAS 420 和攝像機(jī)及云臺的遠(yuǎn)程控制。ATM 傳輸交換模塊DAS 414 。詳見圖3 所示。
3. 2 　控制中心ATM 系統(tǒng)
在控制中心設(shè)置DAS 機(jī)箱一個(gè),其中包括視

圖1 　3 號線圖像傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?BR>
圖2 　3 號線監(jiān)控系統(tǒng)車站網(wǎng)點(diǎn)配置圖
　　(1) ATM 信元流經(jīng)DAS 406 監(jiān)視器板上的SE 交換元件從復(fù)用狀態(tài)分解還原,ATM 信元被解包成壓縮視頻信號。此壓縮視頻信號流被實(shí)時(shí)解開, 被轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號。監(jiān)視器板DAS 406 的功能是與攝像機(jī)板DAS 405 配合,共同進(jìn)行ATM 網(wǎng)絡(luò)上的視頻信號傳輸?shù)摹?BR>(2) 傳輸交換模塊DAS 414 是系統(tǒng)的核心,它 能實(shí)現(xiàn)ATM 信元在雙向光纖155 MbitΠs SONETΠ SDH 線路上的插入和引出,并提供各種數(shù)字接口, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部連接以及節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)。使用一個(gè)STM -1 環(huán)網(wǎng)即可滿足傳輸帶寬的需要。ATM 接口在系統(tǒng)底板處提供一個(gè)雙向、連續(xù)的信元流。所有的控制、監(jiān)控和配置均通過ATM 反向通路由所謂的“ForeMe”ATM 信元執(zhí)行,無需額外的控制總線接口。議處理功能、信令功能和網(wǎng)絡(luò)管理功能等各項(xiàng)功傳輸交換模塊可實(shí)現(xiàn)交換功能、連接功能、監(jiān)能。視統(tǒng)計(jì)功能、流量控制功能、擁塞控制功能、高層協(xié)

圖3 　3 號線監(jiān)控系統(tǒng)控制中心網(wǎng)點(diǎn)配置圖
　　CCR 各位調(diào)度員通過控制鍵盤發(fā)出控制信號, 串行控制流經(jīng)RS 485 接口送入所選車站的目標(biāo)攝像機(jī)工作板上的攝像機(jī)控制接口,經(jīng)解碼后控制目標(biāo)攝橡機(jī)及云臺;在控制中心,視頻碼流經(jīng)過視頻輸出模塊被還原,并被轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號,通過監(jiān)視器輸出,從而實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)及云臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
3. 3 　ATM 網(wǎng)管控制系統(tǒng)
ATM 綜合傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)配置和狀態(tài)監(jiān)視由網(wǎng)管控制臺實(shí)現(xiàn)。外部網(wǎng)管接口使AAL5ΠIPΠOSIΠCMIP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)控制板DAS 420 是一個(gè)以PC 機(jī)為基礎(chǔ)的平臺,通過DAS 420 的ATM 底板接口可傳送和接收ATM 信元及AAL5 適配層的幀,來直接實(shí)施網(wǎng)絡(luò)的接入。基于Windows 的網(wǎng)管軟件與其共同完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)管理和狀態(tài)監(jiān)視。系統(tǒng)還提供電子地圖,供控制人員任意調(diào)看各車站的攝像機(jī)畫面顯示在指定的監(jiān)視器上,進(jìn)行圖像自動(dòng)循環(huán)掃描及模擬控制鍵盤對遠(yuǎn)程攝像機(jī)進(jìn)行遙控。
4 　結(jié)論和建議
(1) 采用ATM 進(jìn)行數(shù)字視頻傳輸,充分發(fā)揮了其按需分配帶寬、按需連接的特點(diǎn),只有控制中心調(diào)看圖像時(shí),才占用傳輸帶寬。因此,視頻傳輸所需的帶寬僅與控制中心監(jiān)視器的數(shù)量有關(guān),而與攝像機(jī)數(shù)目無關(guān)。即大量的攝像機(jī)信號并不消耗帶寬,在保證圖像質(zhì)量的情況下,能大大節(jié)省帶寬資源,并為今后系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級留有較多的余量。
(2) 由于采用數(shù)字視頻壓縮技術(shù),模擬視頻信號經(jīng)壓縮后速率大大降低,極大地提高了頻帶寬度利用率,而且能夠同時(shí)保持實(shí)時(shí)電視監(jiān)視系統(tǒng)的低等待時(shí)間和高質(zhì)量。由于3 號線采用的H. 261 標(biāo)準(zhǔn)屬第一代視頻壓縮算法,適于在64～384 kbitΠs 的低帶寬下實(shí)時(shí)圖像傳輸,圖像質(zhì)量有待提高; 而新一代的MPEG-2 壓縮標(biāo)準(zhǔn)能保證在幾乎感覺不到質(zhì)量損失的情況下, 將視頻傳輸速率降低到4 MbitΠs , 具有出色的圖像品質(zhì)。MPEG-2 可以在保證在ATM 上傳送的大型、高速視頻流完整性的同時(shí),消除技術(shù)障礙。未來的上海軌道交通5 號線(莘閔線) 數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)即采用MPEG-2 壓縮標(biāo)準(zhǔn)。
(3)ATM 結(jié)構(gòu)簡單靈活,支持各種帶寬通信網(wǎng)絡(luò),能把網(wǎng)絡(luò)中所有的信息集中到幾個(gè)中央控制室。通過不同網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)囊曨l、音頻和數(shù)據(jù),對系統(tǒng)各個(gè)部分資源進(jìn)行控制和管理, 實(shí)現(xiàn)資源共享。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　畢厚杰編著. 多媒體信息的傳輸與處理. 北京:人民郵電出版社,1999