視頻傳輸及切換系統在犁式挖溝機上的應用

齊紅波，夏寶瑩，張熠洲，邱華斌，汪林凡

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

目前國內首臺VMP500 型深海犁式挖溝機（簡稱挖溝犁），用于水深500 m 以內深海管纜挖溝作業。在挖溝犁水下作業時，一方面需通過一組水下攝像頭實時傳遞海底視頻到挖溝犁控制間、船舶駕駛臺、中控室以及ROV 機艙，供操作和指揮人員監控；另一方面整套設備包含電腦以及避障聲吶、剖面聲吶、羅經、高度計、深度計等水下儀器，需要屏幕監控。由于配套的挖溝犁控制間空間有限，顯示幕墻最多只能安裝10 個19"液晶顯示屏，用于人機交互和水下監控。因此該挖溝犁需要一套性能可靠的視頻傳輸及切換系統，用于同時實現視頻遠距離傳送至船舶駕駛臺、中控室、ROV 機艙和挖溝犁控制間內各顯示屏顯示畫面自由切換。

1 犁式挖溝機視頻傳輸及切換系統特點

1.1 與陸上控制室視頻系統的區別

陸上控制系統一般不受空間限制，廠區作業端人眼可直接觀察。陸上過程控制及信號采集這部分視頻信號一般只需顯示在中控室電腦屏幕或幕墻，無需傳輸到其他地方。廠區攝像頭一般只用于安防監控，其視頻信號由網絡錄像機處理。兩種視頻信號用途不同，沒有交叉點。因此一般在設計和使用上不用考慮復合，各自獨立使用。

挖溝犁深海挖溝作業時，攝像頭的作用相當于人眼，能觀察和反饋施工過程。挖溝犁過程控制都需要結合攝像頭反饋的數據來調整。因此監控視頻信號和攝像頭視頻信號需要結合在一起，共同顯示在幕墻上，供相關人員觀看。犁式挖溝機控制間如圖1 所示，控制間的10 臺液晶顯示器，分2 行5 列安裝。顯示器支持VGA、BNC、DVI、S-video 接口，且可以自動檢測信號并予以顯示。

1.2 挖溝犁視頻傳輸和切換系統特點

挖溝犁的視頻傳輸及切換系統，涉及到的視頻信號分為復合視頻信號和VGA 模擬視頻信號。對應的接口分別為BNC 和VGA。復合視頻信號（Composite Video Signal）是一種將視頻信號中的亮度信號、色度信號和同步信號復合傳輸而成，只需一根同軸電纜即可實現短距離視頻的傳輸。VGA 模擬視頻信號廣泛用于電腦及顯示設備。BNC 和VGA 接口設備成本低廉、使用簡單，相比于目前流行的HDMI、DP（Display Port）接口，經濟實惠、兼容性好，更適用于某些水下儀器。

圖1 犁式挖溝機控制間示意

每臺顯示器都接一路復合視頻信號和一路模擬視頻信號。只要解決顯示信號源可靈活切換的問題，則可以實現系統的視頻切換。遠傳的視頻信號可通過轉換器轉成RJ45 接口的網線傳輸，在終端還原成同軸電纜或VGA 線，通過這種方式實現視頻傳輸。

2 挖溝犁視頻傳輸和切換系統

2.1 視頻信號源及遠傳視頻信號

挖溝犁視頻信號源匯總見表1，8 個水下攝像頭傳過來的復合視頻信號通過BNC 接口直接接至Video 矩陣切換器輸入端的第1～8 通道。2 路甲板KIOSK 視頻信號通過BNC 接口直接接至Video 矩陣切換器輸入端的第23 和第24 通道。主操、副操、服務器電腦分別接至VGA 矩陣切換器輸入端的第1～3 通道。

值得注意的是，聲吶電腦輸出2 路視頻信號，一路經過VGA 視頻轉化器，一方面接至VGA 矩陣切換器輸入端的第4通道，同時轉成復合視頻信號接至Video 矩陣切換器輸入端的第12 通道；另一路接至VGA 矩陣切換器輸入端的第5 通道。

船舶駕駛臺、中控室視頻信號是通過RJ45 接口的CAT5e網線傳至挖溝犁控制間，再經由復合視頻轉化器轉換成BNC 接口的同軸電纜，最后分別接至Video 矩陣切換器的第15 和第16 通道。本系統共計有12 路信號需要遠傳，既有復合視頻信號也有VGA 信號，見表2。

表1 挖溝犁視頻信號源匯總

表2 挖溝犁視頻遠傳信號匯總

2.2 視頻切換設備

實現視頻切換的核心設備是視頻矩陣切換器。本系統處理的是模擬視頻信號和復合視頻信號，為傳統類型的矩陣切換器。本系統采用1 臺16×16 通道VGA 矩陣切換器和1 臺32×32 通道Video 矩陣切換器，見表3。兩者都可通過前端控制面板、配套軟件和RS232 串口服務器等3 種方式，實現任意輸入通道的視頻信號切換至任意輸出通道。2 個矩陣切換器的輸出第1～10通道依次接至第1～10 號顯示器。通過矩陣切換器通道的切換來實現任意畫面調取，并在顯示屏顯示。例如，1 號顯示屏要顯示主操電腦畫面，可以這樣操作:首先打開VGA 矩陣切換器的輸出第1 通道，然后切換輸出第1 通道對接輸入第1 通道。

2.3 視頻傳輸設備

用于將挖溝犁系統的視頻信號遠傳至船舶駕駛臺、中控室和ROV 機艙。同軸電纜和VGA 線傳輸距離有限，而船舶駕駛臺和中控室距離挖溝犁控制間接近200 m，ROV 機艙距離挖溝犁控制間接近100 m；直接傳遞視頻信號將嚴重衰減，無法被終端完整識別。本系統采取的方法:視頻遠距離傳輸通過復合視頻網絡傳輸器和KVM 網線延長器實現，見表3。把傳輸線路轉成CAT5e 網線，分辨率為1024×768，傳輸距離可達300 m，經實際評估，終端顯示效果清晰可辨，完全滿足實際需求。

2.4 其他關鍵設備

四分屏器最多組合任意4 個Video 矩陣切換器輸出端的復合視頻信號，形成屏中屏效果，并可輸出一路復合視頻信號，再接回至Video 矩陣切換器輸入端。本系統選用2 個四分屏器分別接至第31 和第32 通道。

視頻字符疊加器用于視頻畫面中疊加字符，形成標識。例如，加入時間、坐標、項目名稱等便于識別。輸入端接至Video 矩陣切換器輸出第22 通道。輸出端接至Video 矩陣切換器輸入第22 通道。在實際操作中，調取需要加字符的信號畫面來實現操作。

DVR（Digital Video Recorder，數字視頻錄像機）自帶8 個BNC 接口和1 個VGA 顯示接口，支持鍵盤鼠標操作，可用于保存視頻。本系統給DVR 分配了4 條線，分別接至Video 矩陣切換器輸出端第11～14 通道，同時可采集4 路視頻信號。需要調取哪個通道的信號就打開相應通道，線路自動匹配。DVR 輸出1路VGA 模擬視頻信號接至VGA 矩陣切換器的輸入端第6 通道。在DVR 的顯示畫面可查看正在錄制的視頻畫面。

表3 控制間視頻系統設備匯總

3 挖溝犁視頻轉換和視頻切換系統線路連接和初始設置

接口眾多導致線路復雜。為便于接線，將控制間內電腦和表3 中設備裝在靠近顯示幕墻的同一個EIA 19"機柜中。該機柜殼體移去正面封板，露出安裝在內的電腦和視頻設備操作面板。另外，為實現查找線路問題時有序可循，一種簡單有效的線路標識顯得格外重要。本視頻系統中子設備平時不需要重復組態設置，上電即可工作。需要顯示的視頻畫面可通過視頻矩陣切換器調取。結合實際工作常用到的視頻監控畫面，這里給出平時默認視頻矩陣切換器的通道設置，即顯示器幕墻開機顯示畫面，見表4。

1 號和2 號顯示器顯示主操、副操電腦的操作界面，用于監控挖溝犁系統數據。3 號顯示器分配給服務器。4 號和5 號分配給聲吶電腦，用于實時監控水下聲吶、高度計、深度計、羅經等水下儀器。6 號顯示器分配給DVR。7 號顯示器分配給視頻字符疊加器。8 號分配給四分屏器，默認打開第31 通道四分屏器。9 號顯示器分配給甲板KIOSK 的視頻信號源。10 號顯示器分配給駕駛臺傳輸過來的視頻信號源。

表4 默認顯示器幕墻顯示畫面

4 結束語

本視頻系統在深海作業時，集成了電腦視頻、攝像頭視頻和遠傳視頻，可以做到任意切換。使用簡單快捷，線路可靠性好，維護也很方便。在日常使用和維保時，應該注意兩點。

（1）各單元設備依次上電，切勿同時上電，避免電流沖擊，損害設備；

（2）復合視頻信號采用的同軸電纜BNC 接頭，插拔過程中要留意，避免造成接頭損壞。