全高清車載乘客信息系統平臺研制

林 錐 王立德 周潔瓊 王保華

(北京交通大學電氣工程學院 北京 100044)

1 全高清車載乘客信息系統

乘客信息系統(passenger information system，PIS)是在地鐵里為乘客提供各類資訊的服務系統，不僅在車廂內提供乘車須知、列車時刻表等文本信息，還可以播放股票信息、媒體新聞、賽事直播、廣告等實時動態信息，是一個集地鐵運營信息服務、多媒體實時資訊發布、廣播電視節目制作與播出、地鐵電視監控、地鐵設備監控于一體的綜合服務平臺［1］。隨著乘客服務水平的提高和多媒體技術的發展，全高清的車載系統已被提上日程。全高清是指1080P的顯示格式，指分辨率為1920×1080，P表示為逐行掃描(progressive scan)。全高清監控系統的顯示不僅給乘客提供高質量的畫面、高級的視聽享受，而且具有信息量大、視覺直觀、報警精確度高的優點;在火災、恐怖襲擊等緊急情況下，能提供更為詳細的信息，具有極高的安全保障能力。因此，全高清的車載PIS系統問世后，受到用戶和乘客的歡迎，成為今后發展的趨勢。

目前，國內相對先進的車載PIS是北京地鐵4號線用的產品，其中顯示系統(passenger information display system，PIDS)的分辨率最高是720P，視頻監控系統(closed circuit television，CCTV)采用 CIF(352 ×288)格式，而國際上的車載PIS已經采取全高清的顯示。從我國軌道交通事業發展需求出發，筆者以中央高校基本科研業務基金支持項目為基礎，同青島四方股份車輛廠合作，開展了全高清車載乘客信息系統關鍵技術的研究，經過刻苦攻關，掌握了全高清系統的關鍵核心技術。

2 全高清PIS系統平臺研制

2.1 整體概述

車載PIS是PIS的列車車載部分，主要功能見圖1～圖2［1-3］。車載PIS可以分為乘客信息顯示系統、列車廣播和列車視頻監控系統。

圖1 PIS系統結構

1)乘客信息顯示系統:通過客室內安裝的LCD彩色圖文顯示器和LED車站地圖閃光顯示屏，提供給乘客高質量的視頻信息和必要的旅行換乘信息。

2)列車廣播:提供司機室對講、司機對客室廣播、司機與乘客的對話、無線電廣播、報警廣播等功能。

圖2 車載PIS系統

3)列車視頻監控系統［4］:提供客室和司機室實時視頻顯示、視頻錄像存儲以及設備管理、外部連接、與地面進行無線對接的功能。

筆者以北京地鐵4號線PIS為基礎開展研究，通過整合CCTV、列車廣播、PIDS，在實驗室構建了全高清車載PIS平臺。在視頻傳輸方面，主要研究如何整合現有的乘客信息顯示系統和視頻監控系統的視頻部分［5］。采用無線傳輸網絡來接收視頻信息，經車載LCD控制器解碼后，在列車的所有LCD顯示屏上進行視頻實時播放，同時也可以利用列車車廂的預存視頻進行本地播放，見圖3。

圖3 車載PIS視頻傳輸結構

2.2 全高清視頻編解碼實現

地鐵車載設備環境比較復雜，其主要特征:一是振動較強，數據采集傳輸系統在物理連接上必須有很強的抗振動性;二是存在很強的電磁干擾，車載系統必須考慮電磁干擾因素;三是車載空間有限，車載系統設備必須是小型化設計，盡量節約空間;四是散熱難，而風扇是車載設備的易損品，所以車載設備必須采用低功耗無風扇的設計，這樣由發熱引起的問題就少，系統的可靠性就越高。因此，車載PIS系統服務器采用低功耗無風扇工控機解決方案。

2.2.1 司機室服務器全高清編解碼設計與實現

全高清編解碼需要更強大的圖像處理能力，而采用工控機作為視頻服務器［6］，在中央處理器(central processing unit，CPU)性能上存在計算能力嚴重不足的缺點，必須采用硬件加速技術，將視頻處理交給顯卡完成，從而達到降低CPU占有率的目的。筆者使用Unix視頻解碼和顯示接口函數(video decode and presentation API for Unix，VDPAU)，將視頻處理中計算量巨大的視頻解碼和視頻圖像補償及渲染交給圖形處理器(graphic processing unit，GPU)完成，使CPU 有更多的資源處理其他事務［7］。VDPAU編程軟件框圖見圖4，其主要特點是采用軟件驅動硬件的方式進行編解碼，具有很好的低CPU占有率，同時又具有軟件解碼的兼容性和靈活性，見文獻［8］。表1為使用VDPAU技術前后的實驗結果，可以看出，使用VDPAU大大降低了CPU的占有率，明顯提升了解碼顯示效果。

圖4 VDPAU編程軟件框圖

表1 使用VDPAU技術前后性能改進的對比結果［8］

2.2.2 客室嵌入式全高清編解碼設計與實現

由于攝像頭和LCD顯示終端分別涉及高清編碼和解碼，性能要求接近。筆者使用德州儀器公司DM368的多媒體視頻解決方案，在硬件上采用同一套CPU核心版，在嵌入式Linux上編寫不同的軟件，通過軟件驅動硬件編解碼器，分別實現了全高清解碼和全高清編碼輸出，有效地降低了成本和開發難度。DM368的最大優點是低功耗和雙核處理器編程，它在系統上整合了ARM9處理器和高清編解碼協處理器(the HD video imaging co-processor，HDVICP)，通過編寫 API函數，將視頻編碼、解碼等大數據處理任務交由協處理器來執行，ARM9只負責對協處理的控制，從而達到顯著優化系統性能的目的(見圖5)。

圖5 DM368解碼軟件框

采用嵌入式Linux雙核編程是軟件的最大特點，全高清編解碼性能測試統計見圖6。其中，ARM表示在ARM平均處理一幀需要的實際周期數，HDVICP表示協處理器解碼一幀需要的實際周期數，FPS(frames per second)表示在測試中達到的實際幀率。720P視頻格式下最高幀率可以達到68 FPS，1080P下最高幀率為35 FPS，而人眼可接受的最小幀率為10幀/s，電影幀率為24幀/s，因此本系統已經達到電影幀率效果。

圖6 DM368性能測試統計

3 總線傳輸接口設計與選擇

車載PIS系統可以分成列車級和車輛級兩個部分。在列車級系統，必須考慮列車車廂重聯和編組的特殊使用需求，以太網作為列車級總線的比較多見。在每個車廂設置一個CCTV編碼器和PIDS多媒體網關，通過以太網與司機室服務器連接。PIDS系統使用分屏器在車輛間傳輸，通過1個多媒體網關，將模擬信號傳輸至客室的4個LCD屏。CCTV系統使用類似方案，2個攝像頭將圖像信號通過電纜直接傳輸給編碼器，然后將編碼輸出給服務器。

列車車輛級總線的布線距離最長不超過30 m，在這樣短的距離里使用光纖是沒有優勢的。目前，PIS系統多采用基于雙絞線的VGA視頻平衡傳輸技術，該技術最早應用在S端子信號的長距離傳輸上。文獻［9］提出VGA傳輸函數的增益為

式中 r為絞線半徑，ω為信號頻率，ε為介電常數，μ為磁導系數，L為長度。

雖然雙絞線VGA傳輸方式具有對抗外部電磁干擾的能力，差動傳輸方式能很好地解決VGA串擾問題，但是實際應用中VGA信號傳輸全高清視頻也存在一些不可解決的問題。

1)模擬信號的相位偏移問題。VGA電纜傳輸模擬信號，從式(1)可知，模擬信號的相位偏移主要是線性的，不同頻率的信號產生不同的偏移，需要針對不同頻率進行校正。

2)線對之間的傳輸延時問題。VGA需要紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色，3對絞線的傳輸因為各自的延時不同，會導致還原后圖像的畫質劣化。

3)信號衰減的問題。這是VGA信號最主要的問題，見圖7。從式(1)可以得出結論，信號的衰減與電纜的長度和頻率的開方成正比。工業上可以接受的衰減為－3 dB，全高清帶寬為177 MHz，衰減遠超過－10 dB。信號衰減使畫面產生拖尾、重影的現象，嚴重影響了全高清畫面的表現。

圖7 VGA視頻線纜長度與信號衰減

因此，全高清車載PIS系統不能采用傳統的VGA接口和分屏器接口方式。本系統采用以太網和DVI的接口，不再使用分屏器。在客室的每個LCD后都自帶一個嵌入式解碼模塊，視頻解碼后通過DVI接口直接送給顯示器顯示，有效地解決了傳輸衰減問題，達到了無色彩偏差的效果。

4 全高清視頻帶寬測試

全高清設計車載視攝像頭和LCD顯示終端的瓶頸就是車載網絡帶寬，而編解碼的效率決定了網絡容量［8］。單路高清視頻編碼測試效率見表2，可以得出結論:在目前常用的視頻格式中，H264的效率最高，一路1080P、25幀/s的視頻平均碼率大約為8.6 Mbit/s。為了體現一般性，本設計設乘客信息顯示系統廣播1080 P視頻的碼流為9.5 Mbit/s，而CCTV系統全高清攝像頭在實驗中的監控視頻碼率為3.2 Mbit/s，16路、1080P視頻的碼流為51.2 Mbit/s，尚未超過百兆帶寬的負荷，達到了設計帶寬的要求。采用無線電視廣播接收器來模擬司機室接收北京電視臺全高清視頻信號編碼廣播，可在遠端模擬客室解碼顯示實驗結果，如圖8所示。

表2 不同編碼格式下全高清視頻碼率測試結果

5 結語

筆者圍繞全高清地鐵車載PIS的研制，對關鍵技術中的全高清視頻編解碼服務器和嵌入式編解碼實現進行了詳細介紹，并對PIS傳輸和接口方式進行了研究和設計實現。對全高清地鐵車載PIS信號衰減和帶寬占用問題進行了論證，并在北京地鐵現場裝車和調試，驗證了其控制功能和性能。

圖8 車載PIS視頻傳輸實驗結果

［1］張娟麗，趙守國，呂曉軍，等.鐵路旅客信息系統的發展及應用研究［J］.鐵路計算機應用，2010，19(10):26-28.

［2］陳棟.地鐵乘客信息系統中無線局域網的研究與實現［D］.北京:北京交通大學，2006:12-20.

［3］關杰.城市軌道交通旅客信息系統研究［J］.沈陽工程學院學報:自然科學版，2008，4(4):370-372.

［4］任廣杰，朱啟東，曹寧.高清視頻監控中的若干關鍵技術分析［J］.電信科學，2011，2(1):121-123.

［5］樊承澤，陳蜀宇，楊新華.基于網絡計算機的流媒體播放器的研究與實現［J］.計算機技術與發展，2010，20(4):196-197.

［6］張海濱，李揮，吳曄，等.嵌入式高清播放器的設計與實現［J］.計算機工程與設計，2010，31(13):84-85.

［7］Stevens R W.Unix network programming［M］.北京:清華大學出版社，2002:1-395.

［8］Zhou Jieqiong，Wang Lide，Lin Zhui.Vehicle HD broadcast video decoder design based on GPU ［C］//ISME 2011(ISTP).Beijing，2011:390-395.

［9］朱弘強，朱惠強，郡吉.基于雙絞線傳輸的視頻監控系統［J］.計算機工程，2008，34(1):34-37.