淺談數字化視頻技術在高速公路機電系統中的應用

摘要：隨著新技術的發展，高速公路機電系統的智能化程度越來越高，視頻監控系統也經歷了模擬監控至數字監控的階段發展。隨著用戶對視頻監控的需求逐漸增加，數字視頻監控系統具有更好的適用性。本文介紹了高速公路行業視頻監控技術的發展，列舉了目前常見的幾種數字視頻傳輸組網方式，并詳細分析了每種方式的特點和適用條件。通過與模擬監控比較，闡述了數字監控的優勢和特點。最后針對應用中的一些問題，提出了具體的措施和解決方法，并對高速公路視頻監控系統的發展進行了展望。

關鍵詞：高速公；監控系統；數字視頻

一、研究背景

隨著科學技術的飛速發展，高速公路機電系統的智能化程度也越來越高，目前我國大部分高速公路都設置有完善的道路監控系統。完善的監控系統在保障高速行車安全、道路暢通方面發揮著極其重要的作用。

閉路電視監控系統（CCTV）是高速公路監控系統的重要組成部分，一個完善的視頻監控系統通常由前端攝像機、視頻傳輸設備、視頻處理設備以及后端顯示設備等部分組成。高速公路視頻監控技術經歷了模擬至數字的幾個階段發展，隨著數字視頻壓縮技術日益成熟，多媒體技術被廣泛應用，數字化監控技術已經成為主流。所謂的數字化視頻技術是指在視頻的傳輸、控制、存儲等方面均采用數字化處理，這樣既提高了圖像傳輸存儲的可靠性和穩定性，也增強了網絡管理和擴展性。

目前，各省市高速公路路網逐漸擴大，不斷推進路段聯網，各級管理部門對視頻圖像的需求顯著增加，對圖像的清晰度、傳輸距離、圖像信息等方面提出了更高的要求。面對新的需求，基于模擬信號傳輸的CCTV系統難以滿足行業內對于視頻傳輸的應用需求，而數字化閉路電視監控系統具有更好的適用性。

二、數字視頻傳輸方式

目前在高速公路行業采用數字化視頻解決方案主要有以下幾種方式：

1、數字非壓縮光端機

數字非壓縮光端機是高速公路機電系統中應用較多的一種模式。由于在光纖中傳輸的圖像采用數字化方式傳輸，避免了受到非線性失真等因素的影響，并且可以采用復用技術，在一芯光纖中實現多路圖像的傳輸，增加了光纖的利用效率。在以模擬視頻矩陣為中心的監控系統中有較好的適用性。但是伴隨近年來聯網監控的加速發展，這種方式已很少使用了，主要是因為數字非壓縮傳輸無法利用通信網，需要單獨建設傳輸網，成本較高且無法大規模聯網。

2、數字非壓縮光平臺

由于光端機和矩陣組建的松散式視頻系統的整體性能不佳，且聯網特性差，因此廠家逐步推出了光端機接入、非壓縮數字視頻交換的視頻監控系統框架。通過信號PCM數字化處理，在已經形成的模擬視頻傳輸信號上進行數字化包裝，將模擬視頻信號轉化為數字信號，通過光纖接入至平臺，通過時分復用技術進行時隙交換，減少信號失真。

數字非壓縮光平臺結合了光纖通信及高速數字總線交換技術，去除了分配器、矩陣、疊加器等設備，減少了噪聲引入，保證了圖像質量和延遲水平。但非壓縮平臺僅適用于模擬攝像機系統，不能無縫兼容高清業務。因為高清視頻技術只能走壓縮數字化的道路。非壓縮方式的數字編碼沒有統一格式，不同廠家的設備無法對接。且光纖占用較多，1芯光纖通常最多傳輸16路非壓縮數字視頻，為了提供足夠的視頻通道，需要占用大量主干光纖。因此非壓縮光平臺具有一定的局限性。

3、H.264編碼視頻綜合接入

隨著聯網監控的發展趨勢，行業規范逐步強化，基于H.264壓縮標準的視頻綜合接入解決方案技術也已成熟，成為視頻傳輸的一個新方向。該方案使得數字視頻協議標準化，圖像的網絡化傳輸更為靈活，組網也更為方便。由于高清數字視頻是基于IP技術的，隨著高清監控的普及，在高速公路機電系統中的應用也更為廣泛。

三、數字視頻監控組網方式

目前在高速公路行業針對數字監控的視頻組網主要有以下幾種方式：

1、利用通信系統進行組網

通信系統可以提供一個安全可靠的傳輸平臺，具有多級保護能力，傳輸延時小，通信系統可以提供具備動態帶寬分配的業務級保護，在圖像被大量調用時，不會因為出現帶寬峰值而影響圖像傳輸。在組網時，前后端的編解碼設備需先接入交換機，再接入通信系統，增加了故障點。通信系統帶寬也是相對固定，STM-4等級的傳輸速率為622Mbps，實際可用帶寬更小一些，以8M高清圖像+2M存儲碼流計算，約可以傳輸40路左右的視頻。

2、利用以太網交換機獨立組網

以太網交換機組網時交換機吞吐容量大，有效帶寬大，可滿足高清圖像傳輸需求，可同時接入多種業務，節約投資。因此在采用高清視頻或視頻路數較多的情況下，可以考慮采用千兆以太網或者萬兆以太網方式獨立組網。缺點是網管信息與業務數據混合傳輸，當網絡發生擁堵時，網管信息也無法發送。安全性相對較差，需要組建專網，或有防火墻等保護。

四、數字監控的優勢

傳統模式在應用中存在以下問題：占用大量的光纖資源；系統復雜度高，故障點多；光端機產品本身網管能力較差。因此造成高速公路視頻監控系統的構成復雜，增加了后期運營維護管理的難度。尤其是對于高清視頻，由于高清信號頻率很高，模擬傳輸距離十分受限。數字視頻技術解決了這些問題，具有以下優點：

1、數字視頻設備的輸入輸出信號穩定可靠，能夠避免模擬系統中非線性失真的影響。數字信號在傳輸過程中不會逐步積累噪聲，保持信噪比基本不變，收端圖像質量基本與發端一致，適合多環節和長距離的傳輸。符合高速公路聯網的特征需求。

2、數字技術與計算機配合，可以實現數字監控設備的自動控制和操作，符合高速公路智能化發展的需求。數字視頻更方便進行視頻處理，可實現大量圖像處理功能。且數字信息易于存貯和檢索，可以高效的檢索到所需信息，極大的提高了工作效率。

3、利用數字編碼技術使視頻傳輸帶寬明顯減少，通常為模擬視頻所占帶寬的1/4左右。而且利用數字編碼的方法，更有利于視頻的保密。系統具有良好的擴展性，改造及擴容投資小。

五、應用中的一些問題

1、數字視頻所需的傳輸帶寬

傳輸帶寬計算：碼率×攝像機的路數=最低網絡帶寬。如果要在有限的帶寬傳輸更多的視頻，控制碼率是直接的解決方法。但碼率直接和圖像質量相關，要根據顯示和存儲需求合理的設置分辨率、幀率。確定了所需的傳輸帶寬，還需要考慮到交換機的處理能力和存儲設備的I/O性能，才能保證視頻圖像的流暢。

2、H.264編解碼設備的互編互解互控

H.264的數據壓縮算法雖然具有很高的壓縮比，但實現復雜度高。由于標準的復雜性以及標準本身存在的可選項，各個廠家根據自己對標準的理解進行系統設計，導致H.264編碼算法的不同廠家芯片存在兼容性的問題。如果要各個廠家真正做到互編、互解、互控，還需要業主方進行協議的統一制定和規范。

當前的H.264編解碼芯片能力都局限在MainProfile@Level 3的SD標清解碼層次上，目前在高速公路行業還是以標準清晰度的H.264方案為主，但隨著需求的提高和技術的發展，將會過渡到H.264高清標準。

六、總結

高速公路行業的發展日新月異，新技術的應用層出不窮。從模擬圖像到數字圖像，從復雜的系統構架到簡潔的網絡拓撲。數字化圖像技術的應用為高速公路機電系統提供了更便捷的解決方案，成為行業視頻監控技術發展新的方向。

數字視頻監控從標清到高清，再到全高清，用戶的需求也越來越高。高清視頻技術在網絡時代的飛速發展，也大大提升了視頻監控的應用價值，推動著基于視頻圖像的應用技術的不斷創新，為監控系統帶來了更廣闊的發展空間。

作者簡介：李鳴玨（1985.8.26），男，北京， 本科，系統工程師，工程師，研究方向：智能交通.