高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　近幾年中國的鐵路建設進入了高速發(fā)展時期，為了保障鐵路的安全運營，視頻監(jiān)控得到了大量應用。同時，人們對圖像的要求也越來越高，從最開始的能看到圖像，到現(xiàn)在的要看到清晰的圖像，再到今后的能進行處理分析的高清晰圖像……等等。在數(shù)字監(jiān)控潮流下，對圖像清晰度的追求成為了視頻監(jiān)控一個重要的發(fā)展趨勢，高清攝像機及高清監(jiān)控系統(tǒng)的應用也逐漸被鐵路行業(yè)所重視。

　　什么是高清攝像機?什么樣的系統(tǒng)算是高清監(jiān)控系統(tǒng)呢?國際上，SMPTE(美國電影電視工程師協(xié)會)定義的兩個HDTV標準是SMPTE 296M和SMPTE 274M。SMPTE 296M(HDTV 720P)定義的主要參數(shù)有：分辨率為1280×720像素、16:9格式的高保真色彩，逐行掃描頻率25/30Hz。SMPTE 274M(HDTV 1080)則要求：分辨率為1920×1080像素、16:9格式的高保真色彩、使用25/30Hz和50/60Hz的隔行或逐行掃描頻率。符合SMPTE標準的攝像機表示遵從HDTV質量，并應提供HDTV的所有分辨率、色彩保真度和幀速率優(yōu)點。參考國際上HDTV高清電視的公認標準，針對目前國內對高清網(wǎng)絡攝像機的需求，高清網(wǎng)絡攝像機的定義為“錄像視頻分辨率達到或超過720P(1280×720，25fps)，水平解析度達到或超過700線的網(wǎng)絡攝像機”。而其它高分辨率的攝像機可稱為百萬像素網(wǎng)絡攝像機或MEGA IPC。從目前市場上發(fā)展趨勢上來看，HDTV的高清網(wǎng)絡攝像機能夠獲得后端高清LCD、PDP、DLP、高清監(jiān)視器等更好的支持，從而獲得比MEGE IPC更好的顯示效果，是未來的發(fā)展趨勢。而高清監(jiān)控系統(tǒng)是指其傳輸?shù)拿恳宦穲D像都能達到高清分辨率，且視頻采集、編碼、傳輸、瀏覽、錄像、回放等全面高清，并能夠支持前端HDTV高清網(wǎng)絡攝像機的監(jiān)控系統(tǒng)。

　　高清視頻監(jiān)控在鐵路行業(yè)的應用方案

　　在鐵路行業(yè)，高清監(jiān)控系統(tǒng)帶來的不僅是更清晰的圖像和更好的效果，也帶來了更大的系統(tǒng)性能需求、遠距離傳輸帶寬和存儲等問題。什么樣的高清系統(tǒng)才能適合鐵路行業(yè)多級調閱、遠距離傳輸、監(jiān)控規(guī)模大的行業(yè)特點呢?

　　如圖1所示，在整個傳統(tǒng)鐵路行業(yè)視頻監(jiān)控方案中，其中心是流媒體服務器，這種方式常見于車站監(jiān)控系統(tǒng)的架構中。前端的編碼器或者IPC輸出的單播流通過網(wǎng)絡傳輸?shù)椒职l(fā)/存儲服務器，由分發(fā)/存儲服務器實現(xiàn)單播轉多播、按需分發(fā)、按需存儲。整個數(shù)據(jù)流如圖1 所示。在全標清系統(tǒng)的情況下，該方案還能基本滿足多用戶操作的需求，但是如果此方案應用于高清系統(tǒng)，則流媒體分發(fā)方式的弊端將會凸顯出來：

　　1.服務器規(guī)模隨著監(jiān)控點數(shù)的增加成等比例上升，尤其是高清IPC想要得到較好的應用效果，輸出碼流一般在6M-8M，是傳統(tǒng)標清的3-4倍，分發(fā)/存儲服務器數(shù)量將會大增，并且必須增加服務器的檔次，因為服務器的性能成為了方案中的性能瓶頸。

　　2.系統(tǒng)存在著較多的局部故障點，當其中某臺分發(fā)/存儲服務器發(fā)生故障時，將會影響其所管理的多路視頻圖像的存儲和實時監(jiān)看，不符合交通行業(yè)對安防系統(tǒng)高可靠性的要求。雖然可以通過冗余服務器解決該問題，但是每個車站配置冗余服務器從成本角度考慮，現(xiàn)實工程中很少被實際采用。

　　3.前端IPC輸出單播流，造成存儲流和實時流占用同樣帶寬，如果為了得到高清系統(tǒng)帶來的良好圖像質量，那么磁盤陣列將會面臨較大的壓力，尤其是成本將會大幅提高;若是為了減小磁盤成本的壓力，增大存儲流壓縮比，又會大大降低高清監(jiān)控圖像的清晰度。

　　4.大量的服務器及其設備機架不僅占據(jù)了大量設備的空間，不符合綠色環(huán)保的要求，更致命的是增加了系統(tǒng)的不可靠性，增多了故障點。當面對突發(fā)事件、出現(xiàn)多個熱點區(qū)域的時候，大規(guī)模突發(fā)的流量很容易導致整個服務器群的癱瘓。

　　在圖2中，則代表了目前比較先進的一種視頻監(jiān)控解決方案，它采用電信領域比較成熟的軟交換架構：NGN架構。管理服務器僅負責處理設備管理、信令分發(fā)、會話的建立，且不參與到實時的業(yè)務流之中(實時流和存儲流)。在圖2中，存儲流和實時流均是通過網(wǎng)絡直接傳輸?shù)酱疟P陣列、解碼器或監(jiān)控客戶端，如此解決了此前的服務性能和可靠性瓶頸的問題。當有多個用戶同時調閱同一路圖像實時視頻時，則通過網(wǎng)絡組播提供支持，如圖2中標號①的視頻流所示：解碼器和監(jiān)控客戶端同時調閱同一路圖像，此時因為前端IPC輸出的是組播流，則由網(wǎng)絡中的交換機提供類似碼流復制的功能，解決對前端IPC大規(guī)模同時調閱而帶來的性能和帶寬的沖擊問題。這種解決方案在高清系統(tǒng)中帶來了較多的優(yōu)點：

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　　1.監(jiān)控點數(shù)的規(guī)模和服務器數(shù)量不存在強相關性，視頻管理服務器僅參與會話的建立過程，而不參與視頻流的分發(fā)，因此系統(tǒng)不存在系統(tǒng)瓶頸問題。單臺視頻管理服務器可以滿足幾千路的標清、高清圖像監(jiān)控。

　　2.由于采用了先進的軟交換NGN(業(yè)務流和控制流相分離)架構，管理服務器發(fā)生故障不會中斷監(jiān)控實時流，存儲流也不受影響，保障了監(jiān)控數(shù)據(jù)仍然正常的記錄，從架構上極大地保證了系統(tǒng)的高可靠性，整個系統(tǒng)無局部故障點。

　　3.前端IPC通過輸出雙碼流(存儲流和實時流)，兩路視頻流可以單獨設置碼流大小，能夠最大限度地發(fā)揮高清監(jiān)控帶來的高清晰效果，同時，又能顯著降低存儲的代價，保障用戶的投資。

　　4.當出現(xiàn)突發(fā)事件或事故、出現(xiàn)多個熱點區(qū)域的時候，大規(guī)模突發(fā)的流量通過組播技術由交換機來進行復制、分發(fā)，從而輕松解決大規(guī)模多用戶的問題，滿足了公安和企業(yè)管理方在緊急情況下對高可靠性的調度要求。

　　上面所示場景主要應用于車站內監(jiān)控，它不可避免地面臨上級調度中心遠程共享調閱的問題。傳統(tǒng)的流媒體分發(fā)方案應該說能方便實現(xiàn)多級聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，而如果僅采用軟交換NGN架構，組播模式的方式在鐵路行業(yè)廣域網(wǎng)、低帶寬的情況下將遇到較大的麻煩，因此還必須對圖2進行一定的改進。

　　如圖3所示，傳統(tǒng)方案由于流媒體轉發(fā)的特性，天然具備支持多級的架構，此時車站內的流媒體服務器除了負責分發(fā)和存儲，還負責轉發(fā)的功能，這勢必又增加了服務器的性能壓力。但是這種方案解決了對鐵路廣域網(wǎng)無法實現(xiàn)組播、帶寬有限的問題。它將本車站內的視頻圖像轉發(fā)給上一級流媒體服務器，由上一級流媒體服務器完成分發(fā)功能，解決了多用戶同時調閱同一路圖像的問題。

　　而采用圖2的方式，由于鐵路多級監(jiān)控中，網(wǎng)絡往往無法開啟組播的功能，若采用前端IPC單播直接發(fā)送到上級平臺，必然會消耗有限的廣域網(wǎng)帶寬，同時也受限于IPC的分發(fā)能力。那么，如何對圖2的方式進行適當?shù)男薷?，使其能獲得高可靠性、大容量、高性能的特點，同時又能適應鐵路行業(yè)廣域網(wǎng)的共享調閱呢?

　　其實相應的解決辦法也很簡單，也就是借鑒傳統(tǒng)方案的經驗，在車站一級的監(jiān)控平臺上增加一臺媒體轉發(fā)服務器，便可解決上述問題，如圖4所示。但必須注意，此時在車站一級的監(jiān)控軟件平臺必需能同時支持前端視頻流單播、組播方式，且能夠根據(jù)不同的調閱需求實現(xiàn)自動單播/組播切換功能。這樣的解決方案才能適應未來高清系統(tǒng)在鐵路行業(yè)中的大規(guī)模應用，并能保證整個監(jiān)控系統(tǒng)高效可靠的運行。相信高清監(jiān)控系統(tǒng)必將在鐵路行業(yè)中得到更廣泛的應用，而如何應對高清監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)有解決方案的沖擊是值得大家共同重視的課題。