数字视频中的远程交通监控系统传输构成

   摘要：本文简要介绍数字视频远程交通监控系统的构成、视频信号的压缩，主要介绍远程交通监控中的视频传输。

    关键词：TCP／IP视频压缩 视频传输 远程监控 中图分类号U491.1 16

    建立完善的城市交通诱导系统，将多种高新技术运用于城市道路交通管理体系，将车辆、道路智能化，达到缓解道路拥堵、减少交通事故、节约能源等目的。研究表明，它能使道路能行能力提高2~3倍，停车次数减少30％，行车时间减少13％~45％，交通事故成倍降低。在这样一个复杂系统中，远程交通监控中数字视频处理尤为重要，特别是视频信号的传达室输。

    1 视频监控系统

    视频是在时间近似连续的图像序列。传统的模拟监控存在固有局限性，主要表现为只能点对点监控，无法联网，且系统安装、布线工程量极大；传输距离较远时，易产生衰耗、畸延时，图像质量下降，故传输距离有限。而“数字视频远程监控”系统以数字视频处理技术为核心，结合网络技术、多媒体技术、彻底克服传统模拟监控的缺点。系统由视频采集、视频传输、控制中心等组成。视频采集单元包括摄像头、电动三可三可变镜头、云台、解码器、防护罩；视频传输可采用有线、无线方式；控制中心单元包括控制主机、多画面处器、组合屏(电视墙)、彩色监视器、硬盘录像机、长延时录像机、视频打印机、视频服务器、相关处理软件等。其典型结构如图1。系统对图像实时性、传输速度、并行处理能力、存储容量等要求较高，支持光纤、数字微波、无线扩频、双纹线、电缆等传输介质，适用干DDN、ISDN、LAN、ATM、POTS等网络，集视频切换、云台控制、远程视频传输、地图布防报警、报警联动控制等功能于一身。

    基本流程：对城市道路的现场图像进行实时采集，经压缩编码处理后，可直接保存于硬盘，亦可通过有线、无线等方式，将视频信号磁往近端、远程监控中心及各监控现场云台、镜头、矩阵等监控设备，实现道路路况图像的实时监控，并对视频信号录像，以数字化方式存于硬盘，供相关部门分析、查询、取证等。(如图所示)

    2 视频传输

    视频信号信息量极其巨大。比如按PAL制编码90分钟影片，分辨率352*288、每像素24bit，数据量高达657180Mb。如此庞大的数据如不进行压缩处理，无论传输、存储都不可能。显然，运用数字信号处理技术，对视频信号压缩是数字信号处理技术，对视频信号压缩是数字视频远程监控首先解决的问题。

    2.1 视频压缩

    压缩就是从时域、空域两方面去除冗余信息，其理论基础是信息论①。目前，适合视频远程传输的图像压缩标准有H.261、MPEGI等。其核心都是离散余弦变换和运动补偿算法，通过减少每帧图像间空间上、时间上冗余度和相关性来减少数据量。H.261标准简称P*64，1990年12月由国际电报电话咨询委员会(CCIT)制定，适合64~384Kbps的低带宽下视频信号实时传输，但图像质量不理想。与MPEG~1不同，H.261传输屏幕区域更新信息，降低了码流速率，进而大幅降低数据流瞬时变化，是一种在带宽有障碍的信道上传输视频的理想方案；MPEGL是国际标准化组织(ISO)于1991年制定的1992年成为标准。采用帧内、帧间编码技术，应用运动补偿算法，对图像数据进行高达200倍压缩，解决了视频、音频的压缩、解压缩、同步问题。作为低端应用的视频、音频编解码标准，它主要针对信号在可接受的质量要求下编码成1.5Mbps数据流。感官上，图像细腻且流畅，是大多数视频监控可接受的标准。传输速率0.8~2Mbps时,MPEGL图像质量与录像机相当。可根据监控系统设计需求，选用不同压缩标准。

    2.2 视频传输

数字视频远程监控的信号传输具有以下特点：
①实时性。视频信号须实时处理，如实时压缩、解压缩、传输。
②同步性。尽管视频信号具有分布性，但在用户终端显示须同步。
③分布性。现场采集的图像发送、接收、显示的主机位于不同地点，通过网络相连。

    视频传输依赖的通信网络包括LAN／WAN、ISDN、DDN、ATM、PSTN等，由于远程交通监控及通信协议都不同，适合远程交通监控的数字视频传输要求标准也不同。目前，TCP／IP协议作为事实上的标准，广泛用于各种网络。要通过网络传输数字视频，自然也须遵守该协议。但该协议最初是为非实时数据业务制定的，实时传输能力较差。此外，IP只负责数据传输，不进行检错、纠错，因此会发生数据丢失、失序现象。为保证数据可靠传输，将TCP用于IP数据的传输，提高接收端的检错、纠错能力，当检测到数据包丢失或错误时，会要求发端重新发送，但这样会导致传输时延和网络带宽的浪费。比如网络传输数据包时，虽能确保其到达目的地，但无法保证特定时间内到达，通信链路可能存在长达数小时的时延。在城市交通监控这样的特殊场合，如此长的时延显然不能满足实时监控需要。为确保传输数据实时性、同步性，有关组织制定了实时传输协议RTP／RTCP。RTP负责数据传输，RTCP实时监控数据传输和服务质量。应用时，RTP／RTCP用于音频、视频媒体，而TCP用于数据和控制信令传输。每个经过RTP传输的数据包中都有时间信息和相关序列号，这样可使应用程序混合音频、视频信息相关容易。由于应用程序很容易确定视频帧传输时需跳到的正确数据包号，因此同数据包相关的时间信息可平滑同步过程，确保传输数据实时性、同步性。另外，视频传输对延迟及延迟抖动要求较高。所以，视频传输既需一定带宽，还要有较好的稳定性，可伸缩性。目前我国建成公共组交换网(CHINAPAC)，数字数据网(ODN)、公共计算机网(CHINANET)、公共电话网(PSTN)及综合业务数字网(ISDN)、帧中继(FR)网及仍在发展的ATM骨干网等。遍布各地的数字通信网，加上交管部门的通信专网，相互补充，构成比较理想的城市交通诱导系统视频传输环境。

    2.2.1电话线方式

    利用现有电话线路进行数字视频传输主要采用XSDL技术，它提供一种直接接入的不中断服务。按照ITU G.902定义，接入网由业务节点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间一系列传输实体，如网络设施、传输设施等组成，是能为相关业务的实现提供所需传输能力的实施系统。实际上是本地局与用户设备间的信息传输实施系统，可部分或全部替代传统的用户本地线路，具有复用、交叉连续和传输等功能。原则上，接入网可实现SNI及UNI类型、数目没有限制。整个通信网分为传输网、交换网、接入网三部分。XSDL技术主要包括用于视频点播和视频广播的ASDL、用于电视会议或双向视频控制的HSDL。前者下行速率1.5~9Mbps，上行速率16~640Kbps，传输距离5.5KM，关键技术是高速信道的调制，可选用调制方式有正交幅度调制(QAM)、离散多频(DMT)调制、无载波幅度相位调制(CAP)；后者采用更先进的调制技术，所以对带宽的要求较少，且不需中继器，仅用两对双绞铜线传输双向对称数字信号。无中继传输距离3~5km，比传统PCM长一倍以上，其传输速率168kb／s，提供2048kb／s的E1业务。HDSL采用了若干编码和调制方式，如基带编码方式(PAM)、正交幅度调制(0AM)、无载波调幅调相(CAP)等，以提高传输质量，延长传输距离。目前，ADSL、HDSL技术均较成熟，使用亦多。此外，还有根据传输线质量和传输距离动态调整访问速度的自适应用户数字等。以上方式共同优点是采用普通电话实现数字视频的传输，可大大降低系统费用，是城市交管部门传输监控视频的可行性方案。

    2.2.2 DDN方式

    DDN是利用数字通道提供半永久性连接电路，以传输数据信号为主的数字传输网络。它主要提供中、高速率，高质量点到及点到多点的数字专用链路，以便向用户提供租用线路业务。通信速率2.4-19.2Kbps、N X 64Kbps(N=1~32)，也可提供VPN业务。国内电信部门已建成并开放ODN业务，通信带宽64K-2.048M(E1)。如城市交通管理部门没有自己的远程数据通信网，可向当地电信部门申请DDN业务。采用该方式时，可根据实际需求申请带宽，视频终端可采用G.703或V.35口将多媒体业务送DDN网。其优点是服务质量有保证，但费用较高，长期使用存在局限性，可作为城市交管部门传输监控视频的过渡、应急方案。

    2.2.3 ISDN方式

    ISDN是传输视频信息的理想环境，专为多媒体通信而设计，可提供各种类型的信道，以传输不同速率与类型的数字信号，其信道可分为信息信道(包括B信道，H信道)与控制信道(D信道)。B信道带宽为64Kbps，用于传输各种语音、数据、位流图像；H信道带宽384Kbps或1536Kbps或1920Kbps，用于传输高速率数据或高位流图像；D信道带宽16Kbps，用干传递控制信号以控制B信道(H信道)的呼叫，也可用于传输低速数据。ISDN用户／网络接口有基本速率接口(BRI)和基群速率接口(PRI)两种。前者将现有电话网中的普通用户作为ISDN的用户贱而规定的接口，由2个B和一个D信道组成，成为2B D口，传输速率144Kbps；后者由30个B信道和一个D信道组成成为30B D口，传输速率2Mbps，相当于一个EI口。此外，宽带ISDN也可用于视频传输，它采用的技术主要是光纤加上时分多路复用品(TDM)，能以高于150Mbit／s的速率传输视频和其他数据。目前，采用该方案进行远程交通监控中的视频传输存在诸多客观局限。

    2.2.4 光纤信道

    光纤信道具有传输质量高、信道稳定等优点。光通信端机包括PCM基群复接设备、二次群、三次群、四次群等跳群复接设备。其中，PCM基群复接设备向用户提供符合G.703标准的64Kbps接口，可将低速率的视频数据直接送入PCM终端进行传输。而复接设备直接向用户提供符合C.703标准的E1接口，其速率2.048Mbps传输信道带宽，经G.703／V.35，E1通信主干网的首选，光纤信道具有其他通信方式无可比拟的优点，代表通信信道的发展趋势，也是未来远程交通监控中视频传输的重要方式。

    2.2.5无线信道

    无线信道主要是指数字微波和无线扩频信道，在许多的专用网中都有自己的数字微波网、一点多址或无线扩频接入信道，它们都可以提供64K~2.048Mbps的信道带宽，而且通常以专几的形式提供。这些专用网在建设规划时，大都已预留出用作传输视频图像的专用信道，只要将视频终端以G.703／V.35方式接入并与原来的数据、话音业务作无缝连接，即可实现多媒体通信。采用无线信道进行远程交通监控中视频传输具有灵活机动、简便快捷等优点，特别适合一些特殊场所的监控，如突发事件、大型活动等，不失为现有视频传输方式的重要补充。

    2.2.3 VSAT卫星线路

    卫星传输系统覆盖地域广，施工量少，是基他传输系统无法替代的，特别是移动VSAT站，具有极好的机动性，一般用户可向卫星运营公司租用卫星绕路，如将64Kbps串行数据转换为V.35接口建立视频连接。采用卫星线路进行远程交通监控中视频传输方便快捷，机动灵活，很适合一些特殊场所的监控，但长期使用费用较高，存在一定局限性。

    3 结语

    有效的交通管理是各大城市面临的共同难题。视频交通监控系统能及时提供城市道路的路段车辆流量、路况信息等，记录违章车辆，以便快速、准确实现交通指挥调度，达到充分利用现有道路资源，提高突发事故处理能力，为出行提供捷舒的交通服务。其数字化、网络化发展已成为必然趋势。