數字視頻傳輸技術在城市軌道交通中的應用

　　摘　要　對數字圖像傳輸和模擬圖像傳輸技術進行比較和探討。介紹了視頻壓縮技術和ATM 圖像傳輸技術在3 號線閉路電視監控系統的應用,闡明了數字視頻傳輸技術的實時性、可靠性和先進性,并提出建議。
關鍵詞　數字圖像處理,閉路電視圖像傳輸,ATM 寬帶異步傳輸模式
1 　引言
上海軌道交通3 號線(明珠線) 閉路電視監控系統能提供行車調度人員對站臺人流、列車開關門情況和站廳出入口等重要區域的圖像進行實時觀察、監視和控制,以便對敏感事件進行快速反應,確保軌道交通運營中設備和乘客人身安全及消防應急安全。各站圖像除由本站行車值班員監視外,還傳送至控制中心,供CCR(中央控制中心) 調度人員(總調、列調和環調) 監視,從而實現圖像的遠程監控。
傳統的遠距離監控系統,圖像一般采用光纜或電纜傳輸,易受距離和線路的影響,且造價極高。近年來,隨著數字視頻壓縮技術和基于ATM 的寬帶綜合業務數據網的迅速發展,圖像傳輸也由模擬方式發展為數字傳輸,并廣泛應用。上海軌道交通3 號線閉路電視監控圖像傳輸系統采用數字圖像遠程傳輸,即ATM + H. 261 的方式。
2 　3 號線數字圖像遠程傳輸的特點
2. 1 　不同的圖像傳輸方式的特點
軌道交通閉路電視監控系統中車站數量多、圖像傳輸距離長,且必須將車站圖像信號不失真地傳輸至控制中心。在模擬傳輸過程中,視頻信號對傳輸距離和轉換環節的增加十分敏感,當傳輸距離大于1 000 m 時,信號易產生衰耗、畸變、群延時,易受干擾和噪聲積累而使接收端圖像質量下降。
上海軌道交通1 號線(地鐵1 號線) 圖像采用光纖傳輸方式,各車站的視頻信號經調頻調制后合成為一路復合信號,經光纖、光發送器、光接收器完成圖像實時傳輸; 每4 個車站為一組占用一根光纖,控制信號經PCM 通道傳送。這種傳輸方式由于車站攝像機數量多,控制中心輸出監視器數目較少,采用傳統模擬視頻監控方式以點對點進行圖像傳輸時,大大增加了兩端的視頻調制和解調設備, 工程布線量極大,極不經濟,且浪費大量的帶寬。
而采用數字方式傳輸視頻信號則能克服模擬閉路電視圖像傳輸的局限性,其優點是:
(1) 可以多次再生中繼,不會因距離的增加而引起噪聲的積累;
(2) 采用數字壓縮編碼技術,使圖像信號在所需碼率以下,仍保持一定的圖像質量;
(3) 采用數字的信道編碼技術,信號不易受干擾;
(4) 可以采用大規模集成電路,制成的設備體積小、成本低、可靠性高,易于調試維修。

2. 2 　3 號線數字圖像遠程傳輸的特點
3 號線數字圖像遠程傳輸通過ATM 寬帶異步傳輸方式,將車站的攝像機視頻信號轉化成數字壓縮信號傳輸至控制中心。其所采用的視頻壓縮標準是H. 261(ITU -T) 。控制中心根據各調度發出的控制切換信號將輸入的ATM 數字信號經光纖傳輸分配到指定的8 臺監視器上。由于視頻數據通信屬于實時傳輸,必須實時處理,如實時壓縮、解壓像傳輸時由于數碼率帶寬太高,必須盡量減少其速縮、傳輸和同步,故數字視頻遠程監控系統具有實率,并在重現時盡量保持圖像質量,故必須對視頻時性、分布性和同步性的特點。其關鍵技術是視頻信號進行壓縮。例如,可視電話的視頻信號不經壓壓縮技術和ATM 圖像傳輸技術。縮,則需要140 MbitΠs 的速率,相當于2 000 路數字
2. 2. 1 　視頻圖像編碼壓縮標準電話;如壓縮到64 kbitΠs 時,只相當于1 路數字電視頻圖像具有真實、生動、直觀的特點,但由于話。視頻信息量巨大,所占用的頻帶較寬,通常一路模目前常用的視頻編碼壓縮標準如表1 所示。擬彩色電視信號需占6 -8MHz 的模擬帶寬。在圖H. 261 是ITU -T 于1990 年通過的

表1 　常用的視頻編碼壓縮標準

“H. 261 3 64 kbitΠs 視聽業務用的視頻編解碼”標準,其中P = 1 ,2 , ?,30 。它將圖像分解成非重疊的8 3 8 像素方塊,采用離散余弦變換的正交變換(DCT) 的方法,主要是通過減少每幀圖像時間上和空間上的冗余性和相關性信息來減少數據量。H. 261 適合在64～384 kbitΠs 的低帶寬下傳輸實時視頻圖像。
2. 2. 2 　ATM 異步傳輸模式
ATM 異步傳輸模式是由CCITT(ITU -T 前身) 提出的實現寬帶綜合業務數字網(B -ISDN) 的核心技術。它是分組交換和電路交換的結合,既有分組交換時線路利用率高的特點,又具有電路交換時快速交換的優點。
ATM 不僅用于復用,也可用于交換。ATM 傳送的信息以信元為單位,時隙安排非常靈活,帶寬可動態分配。ATM 的工作方式是面向連接的, 采用統計復用方式,帶寬將視當前的要求在不同的用戶之間靈活分配,極大地提高了帶寬利用率; 同時能保障不同業務的服務質量,如肯定的延遲,信息丟失率等。
在遠程圖像監控系統中,視頻業務需要高帶寬來保證圖像質量,而ATM 技術完全能滿足通信系統對綜合業務承載以及服務質量的要求。圖為ATM 允許對視頻用戶傳輸的各種業務按照CBR (固定比特率業務) 、VBR( 可變比特率業務) 、ABR (可用比特率業務) 以及UBR(未知比特率業務) 等進行分類,對其服務質量進行分別設定和控制,而實時的視頻非常適合CBR 的業務類型。ATM 的這些技術特性,滿足了其在軌道交通遠程圖像監控系統中的應用。
3 　3 號線遠程圖像傳輸系統
3 號線共有19 個車站, 遠程圖像傳輸采用ATM 異步傳輸方式,視頻壓縮方式為H. 261 標準。系統采用上海貝爾公司生產的基于DAS( 分布式ATM 變換) 技術的傳輸交換設備,主要由傳輸變換模式、視頻接入模塊和網管控制模塊組成。系統傳輸網絡拓撲圖詳見圖1 。
3. 1 　車站ATM 子系統
各車站分別設置DAS 機箱一個, 其中包括4 塊視頻輸入模塊DAS 405 和一塊ATM 傳輸交換模塊DAS 414 , 詳見圖2 所示。
在車站,送往控制中心的模擬視頻(攝像機) 信號送入ATM 攝像機板DAS 405 的視頻輸入端,視頻接入模塊采用的是H. 261 編解碼設備。模擬視頻信號按H. 261 視頻壓縮標準轉換成數字信號并被壓縮,形成速率為64 kbitΠs 的碼流,然后這個視頻信號流被打包轉換為ATM 信號,接入ATM 傳輸交換網絡。其中板內交換元件SE 提供通往ATM 底板的入口。控制信號通過RS 485 接口,經解碼后可實現頻輸入模塊DAS 406 、網絡控制模塊DAS 420 和攝像機及云臺的遠程控制。ATM 傳輸交換模塊DAS 414 。詳見圖3 所示。
3. 2 　控制中心ATM 系統
在控制中心設置DAS 機箱一個,其中包括視

圖1 　3 號線圖像傳輸系統網絡拓撲

圖2 　3 號線監控系統車站網點配置圖
　　(1) ATM 信元流經DAS 406 監視器板上的SE 交換元件從復用狀態分解還原,ATM 信元被解包成壓縮視頻信號。此壓縮視頻信號流被實時解開, 被轉換成模擬視頻信號。監視器板DAS 406 的功能是與攝像機板DAS 405 配合,共同進行ATM 網絡上的視頻信號傳輸的。
(2) 傳輸交換模塊DAS 414 是系統的核心,它 能實現ATM 信元在雙向光纖155 MbitΠs SONETΠ SDH 線路上的插入和引出,并提供各種數字接口, 實現系統內部連接以及節點之間的組網。使用一個STM -1 環網即可滿足傳輸帶寬的需要。ATM 接口在系統底板處提供一個雙向、連續的信元流。所有的控制、監控和配置均通過ATM 反向通路由所謂的“ForeMe”ATM 信元執行,無需額外的控制總線接口。議處理功能、信令功能和網絡管理功能等各項功傳輸交換模塊可實現交換功能、連接功能、監能。視統計功能、流量控制功能、擁塞控制功能、高層協

圖3 　3 號線監控系統控制中心網點配置圖
　　CCR 各位調度員通過控制鍵盤發出控制信號, 串行控制流經RS 485 接口送入所選車站的目標攝像機工作板上的攝像機控制接口,經解碼后控制目標攝橡機及云臺;在控制中心,視頻碼流經過視頻輸出模塊被還原,并被轉換成模擬視頻信號,通過監視器輸出,從而實現攝像機及云臺的遠程監控。
3. 3 　ATM 網管控制系統
ATM 綜合傳輸系統的系統配置和狀態監視由網管控制臺實現。外部網管接口使AAL5ΠIPΠOSIΠCMIP 標準協議。網絡控制板DAS 420 是一個以PC 機為基礎的平臺,通過DAS 420 的ATM 底板接口可傳送和接收ATM 信元及AAL5 適配層的幀,來直接實施網絡的接入。基于Windows 的網管軟件與其共同完成整個網絡的實時管理和狀態監視。系統還提供電子地圖,供控制人員任意調看各車站的攝像機畫面顯示在指定的監視器上,進行圖像自動循環掃描及模擬控制鍵盤對遠程攝像機進行遙控。
4 　結論和建議
(1) 采用ATM 進行數字視頻傳輸,充分發揮了其按需分配帶寬、按需連接的特點,只有控制中心調看圖像時,才占用傳輸帶寬。因此,視頻傳輸所需的帶寬僅與控制中心監視器的數量有關,而與攝像機數目無關。即大量的攝像機信號并不消耗帶寬,在保證圖像質量的情況下,能大大節省帶寬資源,并為今后系統的擴展和升級留有較多的余量。
(2) 由于采用數字視頻壓縮技術,模擬視頻信號經壓縮后速率大大降低,極大地提高了頻帶寬度利用率,而且能夠同時保持實時電視監視系統的低等待時間和高質量。由于3 號線采用的H. 261 標準屬第一代視頻壓縮算法,適于在64～384 kbitΠs 的低帶寬下實時圖像傳輸,圖像質量有待提高; 而新一代的MPEG-2 壓縮標準能保證在幾乎感覺不到質量損失的情況下, 將視頻傳輸速率降低到4 MbitΠs , 具有出色的圖像品質。MPEG-2 可以在保證在ATM 上傳送的大型、高速視頻流完整性的同時,消除技術障礙。未來的上海軌道交通5 號線(莘閔線) 數字圖像傳輸系統即采用MPEG-2 壓縮標準。
(3)ATM 結構簡單靈活,支持各種帶寬通信網絡,能把網絡中所有的信息集中到幾個中央控制室。通過不同網絡中傳輸的視頻、音頻和數據,對系統各個部分資源進行控制和管理, 實現資源共享。

參　考　文　獻
1 　畢厚杰編著. 多媒體信息的傳輸與處理. 北京:人民郵電出版社,1999