分布式多媒體視訊信號處理系統在北京市軌道交通的應用

梁海英 王征

摘 要：北京市軌道交通安保中心作為公交總隊調度指揮、應急處理中心，對多媒體視訊信號處理技術有很高要求。文章通過比較集中式和分布式多媒體視訊信號處理系統，并結合安保中心的特點，分析采用分布式處理系統的技術優勢，指出分布式處理系統具有深化軟件功能，能夠使安保中心管理提升到一個全新的高度，真正做到數據信息化、信息自動化、管控電腦化、決策智能化。

關鍵詞：城市軌道交通;分布式處理系統;安保中心;信號處理

中圖分類號：U231.7

1 多媒體視訊信號處理系統

多媒體視訊信號處理系統主要包括集中式處理系統和分布式處理系統。

1.1 集中式處理系統

在常規指揮中心應用場景里，集中式處理系統中的混合矩陣作為音視頻信號的轉換、切換、共享設備得到了廣泛的應用。在單個會場信號交互過程中，混合矩陣充分發揮了其接口豐富、信號無損、無延遲的特點，備受行業青睞。

隨著海量信號匯聚至指揮中心后，混合矩陣擴容性差的特點逐漸顯露出來，有時不得不通過多臺混合矩陣級聯來實現大規模信號的切換，導致系統結構復雜，切換過程中受限較多。另外，在多會場、多品牌互聯互通時，混合矩陣只能通過光纖來打通矩陣之間的傳輸通道實現信號的異地互傳，且施工布線繁瑣。在此情況下，切換一路信號可能需要控制2臺甚至多臺混合矩陣，易用性差。

1.2 分布式處理系統

分布式處理系統基于云架構設計，以網絡為核心，將海量前端音視頻信號網絡化后交由云端統一調配，用戶按需在云端調取音視頻信號進行使用。整個網絡化過程利用了特有的編碼算法，實現畫面的無損、無延時傳輸。系統還具備坐席管理、可視化管控、多重備份等功能，可以實現全方位、高可靠的信號交互。利用綜合管理平臺實現智慧化管理，將各種格式的視頻信號、音頻信號、控制信號等集成在一個管理平臺上，實現可控、可監、可管。可擴展的系統架構有利于后期部署和運維。定制化設計的交互界面可針對不同的用戶做精細化權限分配，解決跨部門協作的難題。

1.3 安保中心多媒體視訊信號處理系統

北京市軌道交通安保中心（簡稱“安保中心”）承擔公共交通系統的日常安全保衛及戰時反恐防恐應急處突業務。安保中心設置有指揮大廳、決策室、值班室、多功能廳、信息平臺及會商室等處所，各處所均有來自線路（地鐵、公交）、本地、市局等的多媒體視訊系統終端或子系統。安保中心在建設初期通過大量的前期調研，綜合對比2種處理系統的適用場景和應用前景后，最終確定采用分布式處理系統，將安保中心所有的多媒體視訊系統的終端或子系統接入內部網絡，對不同類型的信號實現兼容采集，形成一套功能完善的可視化綜合管理平臺。

2 分布式處理系統關鍵技術

2.1 分布式處理技術

安保中心分布式處理系統采用分布式處理技術，它將所有音視頻、控制類信息，由模擬信號轉為數字，實現信息數字化，并利用交換機、路由器等網絡設備，在標準的千兆網上進行傳輸、控制、顯示、儲存、管理等。

2.2 H.264 編碼壓縮技術

分布式處理系統采用H.264編碼技術。H.264編碼技術是主流視頻編碼技術之一，它的編碼核心是采用預測編碼與變換編碼相結合的混合編碼結構，提高了編碼效率。在保證相同圖像質量的條件下，H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的2倍左右，碼流為一半左右，因此，能節約更多的帶寬資源，降低對網絡速率的要求。

H.264能輕松地在多種網絡中傳輸，具有網絡適應性強的特點;提供在不穩定網絡環境下的糾錯工具，使其具有強容錯力。H.264還支持一種新的流間傳送幀 ——SP幀，能在有類似內容但有不同碼率的碼流間快速切換，進行運動補償。能用較低的碼流實現較高的圖像質量，其關鍵技術就是對不同大小和形狀的宏塊進行分割，對高精度的亞像素進行補償，并且增加了去塊濾波器，對于水平方向和垂直方向的塊邊緣是否存在于環路中，起到至關重要的作用。

2.3 圖像處理技術

分布式處理系統不僅通過H.264的分布式節點將先進可靠的圖像編解器技術、多路信號切換技術、網絡技術、電視墻拼接等技術，作為視頻采集、畫面分割、預案調用等業務的核心技術，可拼接整個屏幕為一個完整的顯示區域，也可在屏幕上按照需求多窗口顯示不同的信號源，并可根據顯示方案分時段顯示不同信息。

分布式處理系統輸出節點支持對前端網絡信號源的解碼，實時切換輸出及點播輸出。圖像處理系統主要應用多屏處理系統，該系統是將一個完整的圖像劃分成多個模塊，這些模塊再分配到不同的單元，多個顯示單元協同合作，最終完成一個超大屏幕動態圖像的拼接顯示。系統通過最初的數模轉換變成數字信號，全程采用數字化處理，保證信號無損。可實現信號源多種顯示功能，如拼接、開窗、漫游、窗口重復疊加、窗口選擇性的縮小或者放大等大屏顯示功能。視頻采用基于低壓差分信號（LVDS）的接口技術，高清視頻不經壓縮處理，最大程度還原視頻細節信息。支持無縫實時切換功能（圖像切換間隔無黑場出現），實現高清信號的無縫切換效果，并且通過專用控制軟件，用戶可以將想要顯示的圖文信息、影像信息、錄播視頻、數據處理等信息同時切換顯示。

2.4 IP 高清技術

高清IP監控需要占用更大的數據量，因此，對編碼算法、編碼芯片、網絡承載質量、存儲機制等有更高的要求。目前，采用最普遍的3種高清顯示格式分別是720P（1280×720，逐行），1080i（1920×1080，隔行），1080P（1920×1080，逐行）。高清攝像機的覆蓋場景非常廣泛，包括一些密集型監控場所，如地鐵的進出站口，扶梯的上下行口，安檢通道等。由于高清攝像頭的覆蓋范圍較廣，導致邊緣圖像可能出現視頻失真，因此，需對圖像進行校正和分割處理。為了減少由于這一過程而產生的巨大的數據流，可以進行圖像裁剪，實現對需求圖像的傳輸。

高清攝像機成像的關鍵是互補金屬氧化物半導體（CMOS）和電荷耦合元件（CCD）傳感器，他們的主要區別是材料不同，前者在靈敏度及信噪處理上略差一些，不過，差距在逐漸減小。后者在圖像靈敏度和抗干擾能力上要差一些。高清信號的傳輸占用帶寬比較大，因此在選用場合上要綜合考慮。安保中心本地攝像機數量較少，占用帶寬較小;地鐵站段上傳圖像在滿足應急指揮的前提下，可以通過實時觀看路數進行限制。

3 分布式處理系統技術優勢

3.1 簡潔易用的架構

分布式處理系統主要包含的硬件設備有輸入節點、交換機和輸出節點3部分。系統集成有分配器、傳輸器、矩陣、多屏處理器、融合器等功能，利用網絡的便捷與自由度，節省了大量布線工作，最大程度地保證了系統的安全穩定運行。

3.2 人性化的操作

在每次切換前都可以對所切換視頻進行預覽確認，實時預覽到所管理的視頻源（信息源），同時具備檢索定位功能，支持迅速場景預設，流程化設計，提高了切換過程的準確無誤。

3.3 極高的安全性

基于網絡的一種全新的系統構建方式，不但在傳輸上能夠大大提高穩定性，而且對于安全性而言，由于網絡鏈路冗余備份的特性，即使其中某一段發生問題，傳輸過程也不會產生影響。

3.4 超強的穩定性

分布式處理系統雙服務器冗余實時運行，所有節點熱插拔;整個系統的計算分散在各個節點中，任何一個節點的損壞或不正常只影響該路信號或該顯示單元的顯示，而不影響其他節點的穩定工作。

3.5 靈活的維護擴展性

每種輸入信號類型的節點都可根據實際需要隨時增加，也可隨時增加顯示墻、單個顯示設備甚至投影融合應用，整個系統的擴展能力強，如果有單點故障，簡單置換一個節點只需幾秒鐘即可解決故障，維護方便快捷。

4 系統應用

4.1 系統建設目標

安保中心為全力打造集“體系化、智能化、高效性、扁平化、標準化”為一體的公共交通行業防恐反恐、應急處突及日常管控指揮體系，實現“第一時間發現、第一時間掌控、第一時間處置”的總體目標，建設北京市軌道交通重要的音視頻數據采集、存儲、處理中心，實現以下幾點應用目標。

（1）多方位調取軌道交通線路視頻。在日常工作、會議和應急指揮中，各部門都可以通過分布式處理系統從數據機房調取經過整合的線路視頻。

（2）視頻顯示共享。各部門所在會議室、指揮室、指揮大廳可通過分布式處理系統實現視頻顯示共享。

（3）異地匯報。各部門通過分布式處理系統顯示遠端計算機視頻信號聽取匯報情況。

（4）視頻會議。通過分布式處理系統調取主會場視頻會議視頻信號，各個會議室可以同時成為分會場接收會議信息。

4.2 系統組成

安保中心分布式處理系統拓撲結構如圖1所示，在單一網絡平臺上承載所有的多媒體信息，所有音視頻、圖形、圖像資源、控制指令均以網絡化傳輸，數據分散處理，達到負載均衡，具有網絡化、模塊化、分散構架、高拓展性等特點。

分布式處理系統主要由采集終端、信號輸入節點、分散式處理控制系統、信號輸出節點、顯示終端、智能化管理控制系統組成。系統中硬件設備可靈活部署，只需網絡聯通即可實現擴容，并且能夠在控制終端統一集中管控下協同工作。硬件設備通常是由一些獨立的輸入、輸出圖像處理節點構成的集群，在智能化管控系統的控制下，各節點間利用標準以太網交換機進行數據交換。通過分布式輸入節點，對遠端多區域內的視頻信號源進行分布式編碼，信號可以統一接入到顯示終端。在顯示系統上可以實現靈活切換調用、制定預案、信號點播等功能。分布式節點之間互相獨立、互不干涉，保證了整個控制系統的穩定性和可靠性。同時，系統基于傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）網絡，所有節點都通過網線連接交換機，用戶可通過智能終端實時監控整個系統設備的狀態、圖像畫面、音頻音質。

4.3 安保中心配置

安保中心可視作北京市軌道交通安保工作的“大腦”，不僅要求有良好的“視野”、清晰的“聽力”和強大的數據處理能力，更要有及時有效的信息反饋。安保中心建設大樓如圖2所示，設有3間決策室、1間值班室和10余間信息平臺及會商室用于日常運營和應急指揮決策，數據機房用于數據的整合、處理，指揮大廳可滿足多崗位集中管理、協同工作的需要。

安保中心分布式處理系統共投入建設549個輸入節點，150個輸出節點，通過交換機接入專用網絡。系統配置如圖3所示。視頻輸入節點通過視頻線纜與高清攝像機、PC等信號源連接，視頻輸出節點通過視頻線纜與小間距LED顯示系統、視頻會議終端等連接;輸入與輸出節點之間通過網絡線、交換機形成一套完整的輸入輸出視頻處理系統。

4.3.1 指揮大廳

指揮大廳（圖4）配置424臺高清多媒體接口（HDMI）輸入節點， 6臺HDMI輸出節點，1套輸出節點箱供LED大屏使用。正對指揮大廳操作區安裝1臺主攝像機，同時配備1臺移動部位攝像機做為輔助機位，完成會場全景及特寫的圖像采集任務。安裝于大屏兩側及指揮大廳后墻的3臺攝像機，完成對會場全景的攝錄。

4.3.2 決策室（會議室）

決策室（圖5）配置39臺HDMI輸入節點，36臺HDMI輸出節點，同時設計1套可視化觸控操作端，部署在決策室的操作席。決策室內建設1套液晶拼接顯示屏，可確保整個會議室人員觀看高清晰度的視頻圖像和高分辨率的計算機內容，同時配置圖像拼接處理器，實現視頻圖像及計算機內容整屏、分屏、跨屏及畫中畫等多種模式顯示。各會議室配置與決策室一致。為實現場景的豐富化，正對決策室會議桌安裝1臺主攝像機，完成會場全景及特寫的圖像采集任務。安裝于決策室兩側及后墻的3臺攝像機，完成對會場全景的攝錄，保證會場內無死角，有助于后期編輯應用。

4.3.3 值班室

值班室配置6臺HDMI輸入節點，14臺HDMI輸出節點。

4.3.4 信息平臺及會商室

信息平臺（圖6）及各會商室（圖7）共配置80臺HDMI輸入節點，94臺HDMI輸出節點。

5 結束語

分布式多媒體視訊信號處理系統利用先進成熟的云計算、大數據等技術，建設安保中心的大數據平臺，整合并集成已有數據源，形成安保中心數據資源統一管理與應用，使安保中心管理提升到一個全新的高度，真正做到了數據信息化、信息自動化、管控電腦化、決策智能化;同時，為公安警務人員的情報分析、警務管理、安檢監督以及車輛管控提供科學的支撐依據。

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收稿日期 2020-06-17

責任編輯 宗仁莉