視頻傳輸及切換系統(tǒng)在犁式挖溝機(jī)上的應(yīng)用

齊紅波，夏寶瑩，張熠洲，邱華斌，汪林凡

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

目前國內(nèi)首臺(tái)VMP500 型深海犁式挖溝機(jī)（簡稱挖溝犁），用于水深500 m 以內(nèi)深海管纜挖溝作業(yè)。在挖溝犁水下作業(yè)時(shí)，一方面需通過一組水下攝像頭實(shí)時(shí)傳遞海底視頻到挖溝犁控制間、船舶駕駛臺(tái)、中控室以及ROV 機(jī)艙，供操作和指揮人員監(jiān)控；另一方面整套設(shè)備包含電腦以及避障聲吶、剖面聲吶、羅經(jīng)、高度計(jì)、深度計(jì)等水下儀器，需要屏幕監(jiān)控。由于配套的挖溝犁控制間空間有限，顯示幕墻最多只能安裝10 個(gè)19"液晶顯示屏，用于人機(jī)交互和水下監(jiān)控。因此該挖溝犁需要一套性能可靠的視頻傳輸及切換系統(tǒng)，用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)視頻遠(yuǎn)距離傳送至船舶駕駛臺(tái)、中控室、ROV 機(jī)艙和挖溝犁控制間內(nèi)各顯示屏顯示畫面自由切換。

1 犁式挖溝機(jī)視頻傳輸及切換系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 與陸上控制室視頻系統(tǒng)的區(qū)別

陸上控制系統(tǒng)一般不受空間限制，廠區(qū)作業(yè)端人眼可直接觀察。陸上過程控制及信號(hào)采集這部分視頻信號(hào)一般只需顯示在中控室電腦屏幕或幕墻，無需傳輸?shù)狡渌胤健S區(qū)攝像頭一般只用于安防監(jiān)控，其視頻信號(hào)由網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)處理。兩種視頻信號(hào)用途不同，沒有交叉點(diǎn)。因此一般在設(shè)計(jì)和使用上不用考慮復(fù)合，各自獨(dú)立使用。

挖溝犁深海挖溝作業(yè)時(shí)，攝像頭的作用相當(dāng)于人眼，能觀察和反饋施工過程。挖溝犁過程控制都需要結(jié)合攝像頭反饋的數(shù)據(jù)來調(diào)整。因此監(jiān)控視頻信號(hào)和攝像頭視頻信號(hào)需要結(jié)合在一起，共同顯示在幕墻上，供相關(guān)人員觀看。犁式挖溝機(jī)控制間如圖1 所示，控制間的10 臺(tái)液晶顯示器，分2 行5 列安裝。顯示器支持VGA、BNC、DVI、S-video 接口，且可以自動(dòng)檢測信號(hào)并予以顯示。

1.2 挖溝犁視頻傳輸和切換系統(tǒng)特點(diǎn)

挖溝犁的視頻傳輸及切換系統(tǒng)，涉及到的視頻信號(hào)分為復(fù)合視頻信號(hào)和VGA 模擬視頻信號(hào)。對(duì)應(yīng)的接口分別為BNC 和VGA。復(fù)合視頻信號(hào)（Composite Video Signal）是一種將視頻信號(hào)中的亮度信號(hào)、色度信號(hào)和同步信號(hào)復(fù)合傳輸而成，只需一根同軸電纜即可實(shí)現(xiàn)短距離視頻的傳輸。VGA 模擬視頻信號(hào)廣泛用于電腦及顯示設(shè)備。BNC 和VGA 接口設(shè)備成本低廉、使用簡單，相比于目前流行的HDMI、DP（Display Port）接口，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、兼容性好，更適用于某些水下儀器。

圖1 犁式挖溝機(jī)控制間示意

每臺(tái)顯示器都接一路復(fù)合視頻信號(hào)和一路模擬視頻信號(hào)。只要解決顯示信號(hào)源可靈活切換的問題，則可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視頻切換。遠(yuǎn)傳的視頻信號(hào)可通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成RJ45 接口的網(wǎng)線傳輸，在終端還原成同軸電纜或VGA 線，通過這種方式實(shí)現(xiàn)視頻傳輸。

2 挖溝犁視頻傳輸和切換系統(tǒng)

2.1 視頻信號(hào)源及遠(yuǎn)傳視頻信號(hào)

挖溝犁視頻信號(hào)源匯總見表1，8 個(gè)水下攝像頭傳過來的復(fù)合視頻信號(hào)通過BNC 接口直接接至Video 矩陣切換器輸入端的第1～8 通道。2 路甲板KIOSK 視頻信號(hào)通過BNC 接口直接接至Video 矩陣切換器輸入端的第23 和第24 通道。主操、副操、服務(wù)器電腦分別接至VGA 矩陣切換器輸入端的第1～3 通道。

值得注意的是，聲吶電腦輸出2 路視頻信號(hào)，一路經(jīng)過VGA 視頻轉(zhuǎn)化器，一方面接至VGA 矩陣切換器輸入端的第4通道，同時(shí)轉(zhuǎn)成復(fù)合視頻信號(hào)接至Video 矩陣切換器輸入端的第12 通道；另一路接至VGA 矩陣切換器輸入端的第5 通道。

船舶駕駛臺(tái)、中控室視頻信號(hào)是通過RJ45 接口的CAT5e網(wǎng)線傳至挖溝犁控制間，再經(jīng)由復(fù)合視頻轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成BNC 接口的同軸電纜，最后分別接至Video 矩陣切換器的第15 和第16 通道。本系統(tǒng)共計(jì)有12 路信號(hào)需要遠(yuǎn)傳，既有復(fù)合視頻信號(hào)也有VGA 信號(hào)，見表2。

表1 挖溝犁視頻信號(hào)源匯總

表2 挖溝犁視頻遠(yuǎn)傳信號(hào)匯總

2.2 視頻切換設(shè)備

實(shí)現(xiàn)視頻切換的核心設(shè)備是視頻矩陣切換器。本系統(tǒng)處理的是模擬視頻信號(hào)和復(fù)合視頻信號(hào)，為傳統(tǒng)類型的矩陣切換器。本系統(tǒng)采用1 臺(tái)16×16 通道VGA 矩陣切換器和1 臺(tái)32×32 通道Video 矩陣切換器，見表3。兩者都可通過前端控制面板、配套軟件和RS232 串口服務(wù)器等3 種方式，實(shí)現(xiàn)任意輸入通道的視頻信號(hào)切換至任意輸出通道。2 個(gè)矩陣切換器的輸出第1～10通道依次接至第1～10 號(hào)顯示器。通過矩陣切換器通道的切換來實(shí)現(xiàn)任意畫面調(diào)取，并在顯示屏顯示。例如，1 號(hào)顯示屏要顯示主操電腦畫面，可以這樣操作:首先打開VGA 矩陣切換器的輸出第1 通道，然后切換輸出第1 通道對(duì)接輸入第1 通道。

2.3 視頻傳輸設(shè)備

用于將挖溝犁系統(tǒng)的視頻信號(hào)遠(yuǎn)傳至船舶駕駛臺(tái)、中控室和ROV 機(jī)艙。同軸電纜和VGA 線傳輸距離有限，而船舶駕駛臺(tái)和中控室距離挖溝犁控制間接近200 m，ROV 機(jī)艙距離挖溝犁控制間接近100 m；直接傳遞視頻信號(hào)將嚴(yán)重衰減，無法被終端完整識(shí)別。本系統(tǒng)采取的方法:視頻遠(yuǎn)距離傳輸通過復(fù)合視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸器和KVM 網(wǎng)線延長器實(shí)現(xiàn)，見表3。把傳輸線路轉(zhuǎn)成CAT5e 網(wǎng)線，分辨率為1024×768，傳輸距離可達(dá)300 m，經(jīng)實(shí)際評(píng)估，終端顯示效果清晰可辨，完全滿足實(shí)際需求。

2.4 其他關(guān)鍵設(shè)備

四分屏器最多組合任意4 個(gè)Video 矩陣切換器輸出端的復(fù)合視頻信號(hào)，形成屏中屏效果，并可輸出一路復(fù)合視頻信號(hào)，再接回至Video 矩陣切換器輸入端。本系統(tǒng)選用2 個(gè)四分屏器分別接至第31 和第32 通道。

視頻字符疊加器用于視頻畫面中疊加字符，形成標(biāo)識(shí)。例如，加入時(shí)間、坐標(biāo)、項(xiàng)目名稱等便于識(shí)別。輸入端接至Video 矩陣切換器輸出第22 通道。輸出端接至Video 矩陣切換器輸入第22 通道。在實(shí)際操作中，調(diào)取需要加字符的信號(hào)畫面來實(shí)現(xiàn)操作。

DVR（Digital Video Recorder，數(shù)字視頻錄像機(jī)）自帶8 個(gè)BNC 接口和1 個(gè)VGA 顯示接口，支持鍵盤鼠標(biāo)操作，可用于保存視頻。本系統(tǒng)給DVR 分配了4 條線，分別接至Video 矩陣切換器輸出端第11～14 通道，同時(shí)可采集4 路視頻信號(hào)。需要調(diào)取哪個(gè)通道的信號(hào)就打開相應(yīng)通道，線路自動(dòng)匹配。DVR 輸出1路VGA 模擬視頻信號(hào)接至VGA 矩陣切換器的輸入端第6 通道。在DVR 的顯示畫面可查看正在錄制的視頻畫面。

表3 控制間視頻系統(tǒng)設(shè)備匯總

3 挖溝犁視頻轉(zhuǎn)換和視頻切換系統(tǒng)線路連接和初始設(shè)置

接口眾多導(dǎo)致線路復(fù)雜。為便于接線，將控制間內(nèi)電腦和表3 中設(shè)備裝在靠近顯示幕墻的同一個(gè)EIA 19"機(jī)柜中。該機(jī)柜殼體移去正面封板，露出安裝在內(nèi)的電腦和視頻設(shè)備操作面板。另外，為實(shí)現(xiàn)查找線路問題時(shí)有序可循，一種簡單有效的線路標(biāo)識(shí)顯得格外重要。本視頻系統(tǒng)中子設(shè)備平時(shí)不需要重復(fù)組態(tài)設(shè)置，上電即可工作。需要顯示的視頻畫面可通過視頻矩陣切換器調(diào)取。結(jié)合實(shí)際工作常用到的視頻監(jiān)控畫面，這里給出平時(shí)默認(rèn)視頻矩陣切換器的通道設(shè)置，即顯示器幕墻開機(jī)顯示畫面，見表4。

1 號(hào)和2 號(hào)顯示器顯示主操、副操電腦的操作界面，用于監(jiān)控挖溝犁系統(tǒng)數(shù)據(jù)。3 號(hào)顯示器分配給服務(wù)器。4 號(hào)和5 號(hào)分配給聲吶電腦，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控水下聲吶、高度計(jì)、深度計(jì)、羅經(jīng)等水下儀器。6 號(hào)顯示器分配給DVR。7 號(hào)顯示器分配給視頻字符疊加器。8 號(hào)分配給四分屏器，默認(rèn)打開第31 通道四分屏器。9 號(hào)顯示器分配給甲板KIOSK 的視頻信號(hào)源。10 號(hào)顯示器分配給駕駛臺(tái)傳輸過來的視頻信號(hào)源。

表4 默認(rèn)顯示器幕墻顯示畫面

4 結(jié)束語

本視頻系統(tǒng)在深海作業(yè)時(shí)，集成了電腦視頻、攝像頭視頻和遠(yuǎn)傳視頻，可以做到任意切換。使用簡單快捷，線路可靠性好，維護(hù)也很方便。在日常使用和維保時(shí)，應(yīng)該注意兩點(diǎn)。

（1）各單元設(shè)備依次上電，切勿同時(shí)上電，避免電流沖擊，損害設(shè)備；

（2）復(fù)合視頻信號(hào)采用的同軸電纜BNC 接頭，插拔過程中要留意，避免造成接頭損壞。