数字视频传输技术在城市轨道交通中的应用
摘 要 对数字图像传输和模拟图像传输技术进行比较和探讨。介绍了视频压缩技术和ATM 图像传输技术在3 号线闭路电视监控系统的应用,阐明了数字视频传输技术的实时性、可靠性和先进性,并提出建议。
关键词 数字图像处理,闭路电视图像传输,ATM 宽带异步传输模式
1 引言
上海轨道交通3 号线(明珠线) 闭路电视监控系统能提供行车调度人员对站台人流、列车开关门情况和站厅出入口等重要区域的图像进行实时观察、监视和控制,以便对敏感事件进行快速反应,确保轨道交通运营中设备和乘客人身安全及消防应急安全。各站图像除由本站行车值班员监视外,还传送至控制中心,供CCR(中央控制中心) 调度人员(总调、列调和环调) 监视,从而实现图像的远程监控。
传统的远距离监控系统,图像一般采用光缆或电缆传输,易受距离和线路的影响,且造价极高。近年来,随着数字视频压缩技术和基于ATM 的宽带综合业务数据网的迅速发展,图像传输也由模拟方式发展为数字传输,并广泛应用。上海轨道交通3 号线闭路电视监控图像传输系统采用数字图像远程传输,即ATM + H. 261 的方式。
2 3 号线数字图像远程传输的特点
2. 1 不同的图像传输方式的特点
轨道交通闭路电视监控系统中车站数量多、图像传输距离长,且必须将车站图像信号不失真地传输至控制中心。在模拟传输过程中,视频信号对传输距离和转换环节的增加十分敏感,当传输距离大于1 000 m 时,信号易产生衰耗、畸变、群延时,易受干扰和噪声积累而使接收端图像质量下降。
上海轨道交通1 号线(地铁1 号线) 图像采用光纤传输方式,各车站的视频信号经调频调制后合成为一路复合信号,经光纤、光发送器、光接收器完成图像实时传输; 每4 个车站为一组占用一根光纤,控制信号经PCM 通道传送。这种传输方式由于车站摄像机数量多,控制中心输出监视器数目较少,采用传统模拟视频监控方式以点对点进行图像传输时,大大增加了两端的视频调制和解调设备, 工程布线量极大,极不经济,且浪费大量的带宽。
而采用数字方式传输视频信号则能克服模拟闭路电视图像传输的局限性,其优点是:
(1) 可以多次再生中继,不会因距离的增加而引起噪声的积累;
(2) 采用数字压缩编码技术,使图像信号在所需码率以下,仍保持一定的图像质量;
(3) 采用数字的信道编码技术,信号不易受干扰;
(4) 可以采用大规模集成电路,制成的设备体积小、成本低、可靠性高,易于调试维修。
2. 2 3 号线数字图像远程传输的特点
3 号线数字图像远程传输通过ATM 宽带异步传输方式,将车站的摄像机视频信号转化成数字压缩信号传输至控制中心。其所采用的视频压缩标准是H. 261(ITU -T) 。控制中心根据各调度发出的控制切换信号将输入的ATM 数字信号经光纤传输分配到指定的8 台监视器上。由于视频数据通信属于实时传输,必须实时处理,如实时压缩、解压像传输时由于数码率带宽太高,必须尽量减少其速缩、传输和同步,故数字视频远程监控系统具有实率,并在重现时尽量保持图像质量,故必须对视频时性、分布性和同步性的特点。其关键技术是视频信号进行压缩。例如,可视电话的视频信号不经压压缩技术和ATM 图像传输技术。缩,则需要140 MbitΠs 的速率,相当于2 000 路数字
2. 2. 1 视频图像编码压缩标准电话;如压缩到64 kbitΠs 时,只相当于1 路数字电视频图像具有真实、生动、直观的特点,但由于话。视频信息量巨大,所占用的频带较宽,通常一路模目前常用的视频编码压缩标准如表1 所示。拟彩色电视信号需占6 -8MHz 的模拟带宽。在图H. 261 是ITU -T 于1990 年通过的
表1 常用的视频编码压缩标准
“H. 261 3 64 kbitΠs 视听业务用的视频编解码”标准,其中P = 1 ,2 , ?,30 。它将图像分解成非重叠的8 3 8 像素方块,采用离散余弦变换的正交变换(DCT) 的方法,主要是通过减少每帧图像时间上和空间上的冗余性和相关性信息来减少数据量。H. 261 适合在64～384 kbitΠs 的低带宽下传输实时视频图像。
2. 2. 2 ATM 异步传输模式
ATM 异步传输模式是由CCITT(ITU -T 前身) 提出的实现宽带综合业务数字网(B -ISDN) 的核心技术。它是分组交换和电路交换的结合,既有分组交换时线路利用率高的特点,又具有电路交换时快速交换的优点。
ATM 不仅用于复用,也可用于交换。ATM 传送的信息以信元为单位,时隙安排非常灵活,带宽可动态分配。ATM 的工作方式是面向连接的, 采用统计复用方式,带宽将视当前的要求在不同的用户之间灵活分配,极大地提高了带宽利用率; 同时能保障不同业务的服务质量,如肯定的延迟,信息丢失率等。
在远程图像监控系统中,视频业务需要高带宽来保证图像质量,而ATM 技术完全能满足通信系统对综合业务承载以及服务质量的要求。图为ATM 允许对视频用户传输的各种业务按照CBR (固定比特率业务) 、VBR( 可变比特率业务) 、ABR (可用比特率业务) 以及UBR(未知比特率业务) 等进行分类,对其服务质量进行分别设定和控制,而实时的视频非常适合CBR 的业务类型。ATM 的这些技术特性,满足了其在轨道交通远程图像监控系统中的应用。
3 3 号线远程图像传输系统
3 号线共有19 个车站, 远程图像传输采用ATM 异步传输方式,视频压缩方式为H. 261 标准。系统采用上海贝尔公司生产的基于DAS( 分布式ATM 变换) 技术的传输交换设备,主要由传输变换模式、视频接入模块和网管控制模块组成。系统传输网络拓扑图详见图1 。
3. 1 车站ATM 子系统
各车站分别设置DAS 机箱一个, 其中包括4 块视频输入模块DAS 405 和一块ATM 传输交换模块DAS 414 , 详见图2 所示。
在车站,送往控制中心的模拟视频(摄像机) 信号送入ATM 摄像机板DAS 405 的视频输入端,视频接入模块采用的是H. 261 编解码设备。模拟视频信号按H. 261 视频压缩标准转换成数字信号并被压缩,形成速率为64 kbitΠs 的码流,然后这个视频信号流被打包转换为ATM 信号,接入ATM 传输交换网络。其中板内交换元件SE 提供通往ATM 底板的入口。控制信号通过RS 485 接口,经解码后可实现频输入模块DAS 406 、网络控制模块DAS 420 和摄像机及云台的远程控制。ATM 传输交换模块DAS 414 。详见图3 所示。
3. 2 控制中心ATM 系统
在控制中心设置DAS 机箱一个,其中包括视
图1 3 号线图像传输系统网络拓扑
图2 3 号线监控系统车站网点配置图
(1) ATM 信元流经DAS 406 监视器板上的SE 交换元件从复用状态分解还原,ATM 信元被解包成压缩视频信号。此压缩视频信号流被实时解开, 被转换成模拟视频信号。监视器板DAS 406 的功能是与摄像机板DAS 405 配合,共同进行ATM 网络上的视频信号传输的。
(2) 传输交换模块DAS 414 是系统的核心,它 能实现ATM 信元在双向光纤155 MbitΠs SONETΠ SDH 线路上的插入和引出,并提供各种数字接口, 实现系统内部连接以及节点之间的组网。使用一个STM -1 环网即可满足传输带宽的需要。ATM 接口在系统底板处提供一个双向、连续的信元流。所有的控制、监控和配置均通过ATM 反向通路由所谓的“ForeMe”ATM 信元执行,无需额外的控制总线接口。议处理功能、信令功能和网络管理功能等各项功传输交换模块可实现交换功能、连接功能、监能。视统计功能、流量控制功能、拥塞控制功能、高层协
图3 3 号线监控系统控制中心网点配置图
CCR 各位调度员通过控制键盘发出控制信号, 串行控制流经RS 485 接口送入所选车站的目标摄像机工作板上的摄像机控制接口,经解码后控制目标摄橡机及云台;在控制中心,视频码流经过视频输出模块被还原,并被转换成模拟视频信号,通过监视器输出,从而实现摄像机及云台的远程监控。
3. 3 ATM 网管控制系统
ATM 综合传输系统的系统配置和状态监视由网管控制台实现。外部网管接口使AAL5ΠIPΠOSIΠCMIP 标准协议。网络控制板DAS 420 是一个以PC 机为基础的平台,通过DAS 420 的ATM 底板接口可传送和接收ATM 信元及AAL5 适配层的帧,来直接实施网络的接入。基于Windows 的网管软件与其共同完成整个网络的实时管理和状态监视。系统还提供电子地图,供控制人员任意调看各车站的摄像机画面显示在指定的监视器上,进行图像自动循环扫描及模拟控制键盘对远程摄像机进行遥控。
4 结论和建议
(1) 采用ATM 进行数字视频传输,充分发挥了其按需分配带宽、按需连接的特点,只有控制中心调看图像时,才占用传输带宽。因此,视频传输所需的带宽仅与控制中心监视器的数量有关,而与摄像机数目无关。即大量的摄像机信号并不消耗带宽,在保证图像质量的情况下,能大大节省带宽资源,并为今后系统的扩展和升级留有较多的余量。
(2) 由于采用数字视频压缩技术,模拟视频信号经压缩后速率大大降低,极大地提高了频带宽度利用率,而且能够同时保持实时电视监视系统的低等待时间和高质量。由于3 号线采用的H. 261 标准属第一代视频压缩算法,适于在64～384 kbitΠs 的低带宽下实时图像传输,图像质量有待提高; 而新一代的MPEG-2 压缩标准能保证在几乎感觉不到质量损失的情况下, 将视频传输速率降低到4 MbitΠs , 具有出色的图像品质。MPEG-2 可以在保证在ATM 上传送的大型、高速视频流完整性的同时,消除技术障碍。未来的上海轨道交通5 号线(莘闵线) 数字图像传输系统即采用MPEG-2 压缩标准。
(3)ATM 结构简单灵活,支持各种带宽通信网络,能把网络中所有的信息集中到几个中央控制室。通过不同网络中传输的视频、音频和数据,对系统各个部分资源进行控制和管理, 实现资源共享。
参 考 文 献
1 毕厚杰编著. 多媒体信息的传输与处理. 北京:人民邮电出版社,1999
