監(jiān)控系統(tǒng)圖像傳輸延時(shí)及優(yōu)化方案

摘要：高速公路監(jiān)控系統(tǒng)圖像傳輸存在延時(shí)現(xiàn)象。圖像在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)編碼、傳輸和解碼過(guò)程，對(duì)采集的圖像進(jìn)行壓縮、傳輸、解壓。壓縮、解壓會(huì)耗用一定的時(shí)間；不同傳輸方式的帶寬不同，也會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。下面從編碼、傳輸及解碼三個(gè)方面，闡述圖像傳輸方式以及在目前技術(shù)下的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控圖像 傳輸延時(shí) 優(yōu)化方案

監(jiān)控系統(tǒng)是高速公路機(jī)電工程的一個(gè)重要組成部分，直接與道路使用者進(jìn)行信息交流。監(jiān)控系統(tǒng)分為信息采集子系統(tǒng)與信息發(fā)布子系統(tǒng)兩個(gè)部分，而圖像傳輸作為監(jiān)控系統(tǒng)采集信息并向管理者提供直觀影像過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，傳輸質(zhì)量及實(shí)時(shí)性尤為重要。

以蕪雁高速為例，蕪雁高速監(jiān)控系統(tǒng)含外場(chǎng)槍式攝像機(jī)13臺(tái)，球形攝像機(jī)2臺(tái)；傳輸設(shè)備為北京歐邁特全光數(shù)字傳輸系統(tǒng)；輸出設(shè)備為橫崗主線收費(fèi)站屏幕墻22臺(tái)監(jiān)視器、操作終端顯示器及監(jiān)控視頻存儲(chǔ)陣列。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻錄像機(jī)圖像切換。

攝像機(jī)采集圖像后，用SYV-75-3視頻電纜傳輸至全光數(shù)字傳輸系統(tǒng)（遠(yuǎn)端機(jī)），轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，用光纖傳輸至橫崗主線收費(fèi)站監(jiān)控機(jī)房中的全光數(shù)字傳輸系統(tǒng)（局端機(jī)）。局端機(jī)輸出兩類數(shù)據(jù)，一類通過(guò)視頻接口以2MB/S的速率直接傳輸至監(jiān)控機(jī)房電視墻上；另一類數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口進(jìn)入服務(wù)器，服務(wù)器上安裝的軟件控制、切換全光數(shù)字傳輸系統(tǒng)（局端機(jī)）上視頻接口的輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕墻上圖像的轉(zhuǎn)換。同時(shí)在監(jiān)控視頻存儲(chǔ)陣列上以800KB/S的速率保存視頻。

1 系統(tǒng)延時(shí)原因分析

監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象。這是由于視頻信號(hào)需經(jīng)攝像機(jī)采集后經(jīng)過(guò)視頻電纜、編碼器、光纖、解碼器、視頻電纜（或網(wǎng)線）及輸出設(shè)備等環(huán)節(jié)。延時(shí)產(chǎn)生的原因有很多，主要有以下幾方面。

1.1 編碼效率 模數(shù)和數(shù)字的轉(zhuǎn)換不僅耗時(shí)，而且也會(huì)消耗一定量的資源，圖像經(jīng)前端編碼到后端解碼顯示，所需的時(shí)長(zhǎng)是造成延時(shí)的一部分。蕪雁高速使用的北京歐邁特全光數(shù)字傳輸系統(tǒng)采用H.264/MPEG2壓縮算法，它可以把活動(dòng)圖像壓縮成可用光纖直接傳輸或借助標(biāo)準(zhǔn)電信通信接口傳輸?shù)腘×2Mbps數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。將圖像壓縮處理能夠降低信號(hào)傳輸帶寬，同時(shí)能減少資源消耗。但這種圖像傳輸方式也存在一些問(wèn)題，問(wèn)題根源就在于圖像壓縮數(shù)字光端機(jī)有先天缺陷。壓縮與解壓圖像信息需耗費(fèi)一定的時(shí)間，因此這種傳輸方式通常會(huì)產(chǎn)生延時(shí)傳輸?shù)膯?wèn)題，實(shí)時(shí)性差，而且經(jīng)過(guò)壓縮后圖像會(huì)產(chǎn)生一定的失真。

1.2 傳輸鏈路和設(shè)備 在信號(hào)傳輸過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)流量、所用傳輸線纜的質(zhì)量、路由或交換次數(shù)與網(wǎng)絡(luò)延時(shí)現(xiàn)象的產(chǎn)生息息相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)信號(hào)傳輸必須通過(guò)交換機(jī)完成，網(wǎng)絡(luò)高清圖像的質(zhì)量在很大程度上取決于交換機(jī)的操作，比如交換機(jī)的時(shí)延、丟包率、背板帶寬、交換容量、包轉(zhuǎn)發(fā)率等，這些都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)交換的性能或延時(shí)產(chǎn)生決定性的影響。因此，我們?cè)诮粨Q機(jī)和傳輸線纜的選擇上必須謹(jǐn)慎務(wù)實(shí)，以確保圖像傳輸質(zhì)量達(dá)到預(yù)期要求。

1.3 解碼設(shè)備的性能 解碼設(shè)備通常指的是解碼器或用于解碼的客戶端主機(jī)，解碼效率主要取決于主機(jī)的配置，運(yùn)用配置低劣的主機(jī)解碼，出現(xiàn)停頓、延時(shí)等現(xiàn)象的概率更大。一般情況下，我們?cè)诰幋a或解碼的過(guò)程中會(huì)人為施加緩沖，以確保圖像處理流暢運(yùn)作。

2 優(yōu)化方案

減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)問(wèn)題也要根據(jù)不同方面原因，針對(duì)性的提出優(yōu)化方案：

2.1 采用新一代的編碼系統(tǒng)替代 例如使用非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)替代圖像壓縮數(shù)字光端機(jī)。

非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)在壓縮處理圖像時(shí)，先以A/D的形式轉(zhuǎn)換模擬視頻信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)、音頻等信號(hào)進(jìn)行復(fù)接直接用光纖傳輸。為了確保視頻信號(hào)能夠完整、實(shí)時(shí)地傳輸，它通常具備較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。我們都知道，光纖的帶寬非常大，因此傳輸通道不會(huì)影響數(shù)據(jù)速率。用非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)壓縮并傳輸圖像信號(hào)，能夠最大限度的保證圖像的完整性和傳輸質(zhì)量，同時(shí)也達(dá)到了實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆Ｓ捎诓捎脭?shù)字傳輸技術(shù)，在設(shè)備中可以應(yīng)用先進(jìn)的通信技術(shù)（如光收發(fā)技術(shù)、復(fù)接技術(shù)等），來(lái)提高設(shè)備的穩(wěn)定性，從而嚴(yán)格控制造價(jià)。

非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)應(yīng)用了數(shù)字傳輸技術(shù)，圖像傳輸質(zhì)量有了保障；數(shù)字傳輸技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，不僅提高了圖像傳輸?shù)姆€(wěn)定性，而且有效解決了延時(shí)傳輸?shù)谋撞。瑢?shí)現(xiàn)了圖像的實(shí)時(shí)傳輸。另外，這種壓縮傳輸技術(shù)可以用一根光纖傳輸多路圖像和音頻、數(shù)據(jù)等多個(gè)信號(hào)，資源利用率大幅提高。

現(xiàn)階段，利用非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)進(jìn)行圖像傳輸?shù)姆绞侥軌蜃龅絾畏较騻鬏攷资纺酥辽习俾穲D像，數(shù)字圖像光端機(jī)對(duì)傳輸技術(shù)要求頗高，它對(duì)于多路圖像傳輸技術(shù)的研究已相當(dāng)成熟，但由于這種光端機(jī)入市不久，還未實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且它造價(jià)稍高，因此應(yīng)用到監(jiān)控領(lǐng)域的時(shí)間還不長(zhǎng)。即便如此，這種光端機(jī)在圖像傳輸方面的優(yōu)勢(shì)已備受關(guān)注，尤其是非壓縮數(shù)字圖像光端機(jī)具有同類設(shè)備不可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如果大規(guī)模推廣應(yīng)用，其造價(jià)必定有一定程度的降低。

2.2 根據(jù)需要選擇傳輸方式 業(yè)界現(xiàn)有的監(jiān)控傳輸技術(shù)主要有六種，即微波傳輸、網(wǎng)絡(luò)傳輸、寬頻共纜傳輸、光纖傳輸、視頻基帶傳輸和雙絞線平衡傳輸。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)采用的傳輸方式是視頻基帶傳輸和光纖傳輸。信息采集設(shè)備到光傳輸設(shè)備以及光傳輸設(shè)備到信息發(fā)布設(shè)備采用視頻基帶傳輸，其余皆采用光纖傳輸，有效的解決了傳輸帶寬問(wèn)題。筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這六種傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，具體情況如下：

①微波傳輸：基于調(diào)頻調(diào)制/調(diào)幅調(diào)制的方式，通過(guò)高頻載波搭載圖像信息，并將其轉(zhuǎn)換成支持控制傳輸?shù)母哳l電磁波進(jìn)行傳輸。優(yōu)點(diǎn)：以高頻載波搭載圖像信息，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳輸廣播級(jí)圖像，無(wú)需投入大量人力、物力、財(cái)力來(lái)布線并進(jìn)行線纜維護(hù)。缺點(diǎn)：這種微波傳輸方式僅支持直線傳輸，傳輸途中不允許有任何遮擋物，而且要避免電磁干擾，傳輸要求相當(dāng)嚴(yán)格。此外，雨雪等天氣狀況也極易干擾Ku波段的傳輸效果。②網(wǎng)絡(luò)傳輸：點(diǎn)位分散的城域間遠(yuǎn)距離監(jiān)控傳輸可應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。它應(yīng)用MPEG音視頻壓縮格式進(jìn)行監(jiān)控信號(hào)的傳輸。優(yōu)點(diǎn)：它應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器作為監(jiān)控信號(hào)上傳設(shè)備，只需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件安裝在指定位置就可以實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)傳輸。其缺點(diǎn)是：遠(yuǎn)程監(jiān)控需借助網(wǎng)絡(luò)完成，網(wǎng)絡(luò)帶寬和信號(hào)傳輸速率會(huì)大大影響傳輸效率，因此這項(xiàng)傳輸技術(shù)僅僅適用于低畫(huà)質(zhì)、小畫(huà)面圖像的傳輸，而且圖像處理不支持實(shí)時(shí)監(jiān)控。③寬頻共纜傳輸：采用調(diào)幅調(diào)制、伴音調(diào)頻搭載、FSK數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制等先進(jìn)技術(shù)，可將四十路監(jiān)控圖像、伴音、控制及報(bào)警信號(hào)集成到“一根”同軸電纜中雙向傳輸，大量節(jié)省材料成本及施工費(fèi)用。缺點(diǎn)：采用弱信號(hào)傳輸，寬頻調(diào)制端需外加AC220V交流電源，但目前大多監(jiān)控點(diǎn)都具備這個(gè)條件。④光纖傳輸：通過(guò)把視頻及控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)在光纖中傳輸。優(yōu)點(diǎn)：傳輸距離遠(yuǎn)、衰減小，抗干擾性能最好，適合遠(yuǎn)距離傳輸。缺點(diǎn)：對(duì)于幾公里內(nèi)監(jiān)控信號(hào)傳輸不夠經(jīng)濟(jì)；光熔接及維護(hù)需專業(yè)技術(shù)人員及設(shè)備操作處理，維護(hù)技術(shù)要求高，不易升級(jí)擴(kuò)容。⑤視頻基帶傳輸：它通過(guò)同軸電纜（非平衡）直接實(shí)施模擬信號(hào)的傳輸。優(yōu)點(diǎn)：短距離傳輸不僅造價(jià)低，而且能夠最大限度的確保圖像信號(hào)的完整性。缺點(diǎn)：三百米以上高頻分量大幅衰減，圖像的完整性和傳輸質(zhì)量都大受影響；一路視頻信號(hào)必須單獨(dú)設(shè)置一根電纜，用于控制信號(hào)傳輸?shù)碾娎|也要另外敷設(shè)。此外，其采用擴(kuò)展性極差的星形的布線結(jié)構(gòu)，會(huì)大幅增加線纜的布設(shè)總量，這非常不利于后續(xù)的維護(hù)。⑥雙絞線傳輸（平衡傳輸）：適用于在復(fù)雜的電磁環(huán)境中進(jìn)行百米傳輸。它以平衡對(duì)稱的方式來(lái)傳輸監(jiān)控圖像信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，而且易于布線，有利于造價(jià)控制。缺點(diǎn)：僅僅適用于百米信號(hào)傳輸，傳輸范圍受限，而且一根雙絞線僅能傳輸一路圖像，不適用于大中型監(jiān)控系統(tǒng)。此外，雙絞線質(zhì)地脆，易老化，因此只能用于室內(nèi)布線；雙絞線傳輸高頻分量衰減較大，圖像會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的色差。

2.3 解碼設(shè)備選用 解碼設(shè)備的選用時(shí)根據(jù)編碼設(shè)備匹配使用。不同廠家的編解碼設(shè)備需配套使用，并由廠家提供技術(shù)支持，這將更好地為使用方提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

隨著用戶對(duì)圖像傳輸質(zhì)量要求的提高，從480P到720P再到1080P，傳輸數(shù)據(jù)量不斷增加。例如30幀/秒的1080p圖像信號(hào)所需要的帶寬=1920×1080×16×30=995.328M，近似1G；從目前的傳輸介質(zhì)來(lái)看，只有光纖傳輸才能夠滿足高清畫(huà)質(zhì)傳輸?shù)男枨螅駝t帶寬過(guò)小就容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸“排隊(duì)”或“丟包”的問(wèn)題，時(shí)延問(wèn)題將會(huì)更加突出。在現(xiàn)有的傳輸技術(shù)下，需根據(jù)實(shí)際需要，綜合考慮傳輸圖像質(zhì)量及時(shí)延，選取最佳的傳輸方案，才能使圖像傳輸降低時(shí)延，又能滿足用戶對(duì)圖像分辨率的要求。同時(shí)，隨著新科技的不斷出現(xiàn)，相信該矛盾會(huì)有更好的解決方案。

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