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【摘 要】高速公路视频监控系统作为监控系统的一个重要组成部分，对高速公路网实现实时监控及交通控制起到主要的作用。为此，本文对高清视频标准及编码选用原则、视频信号数字编码以及视频存储和设备显示接口进行分析阐述，并结合某高速公路高清视频监控系统应用情况对高速公路高清视频监控系统的应用进行探讨。
【关键词】高速公路；视频；数字编码；设备；选用原则
引言
随着我国高速公路建设的快速发展，其视频监控系统也经历了多次技术变迁。目前，视频监控模式已从传统的模拟、模数混合监控逐步向全数字化、智能化的视频监控方向发展，图像分辨率逐渐向高分辨率格式发展，高清的视频监控正在以一种高姿态、高要求方式进入人们的视野，通过高清视频监控系统所获取的视频，画质清晰，便与储存和管理。文章主要对高速公路高清视频监控系统的应用进行了分析探讨。
1 常用视频信号标准
目前常用的视频信号标准包括标清和高清2种。二者的最大区别是图像清晰度，而衡量图像清晰度的标准是分辨率，其单位是像素。像素越大，图像就越清晰。标清主要有QCIF(176×144)、CIF(352×288)、HALFD1(704×288)、D1(704×576)等几种分辨率，标清图像清晰度最高只能达到D1的标准。高清主要有720P、1080i和1080P3种标准，其画面宽高比定义为16:9。720P指分辨率为1280×720，1080i和1080P均指分辨率为1920×1080，后缀“i”和“P”分别表示隔行扫描与逐行扫描。其中，1080P是最高等级的高清视频清晰度标准。高清视频与标清视频分辨率对比如表1所示。
从表1数据可以看出，高清视频在水平及垂直2个方向上的分辨率均高于标清视频。对同一个监控对象而言，采用现有标清D1标准，单幅图像约为40万个像素点；采用720P标准，单幅图像约为90万个像素点，2倍于D1；采用1080i/1080P的标准有200万个像素点，4倍于D1。因此，高清视频可以得到监控对象更多的细节，可有效解决现有标清监控系统存在视频图像模糊的问题。
2 高清视频信号数字编码
高清视频数字编码可分为数字非压缩编码和数字压缩编码(也称IP网络高清)2种类型。数字非压缩编码指对视频信号不经过任何压缩技术处理，其优点是视频质量非常高、实时性好、延时低；但非压缩的高清视频码流非常大，且无法通过TCP/IP网络进行传输，存储时还需采用压缩技术，否则视频资料存储将占用极大的存储容量。数字压缩编码指对视频信号进行压缩处理，压缩后的视频码流有大幅度的降低，且可通过TCP/IP网络进行传输，后期存储及发布时也较非压缩方式更为方便。
3 视频存储和设备显示接口
目前，高清视频的存储大多采用NVR(网络硬盘录像机)来完成。NVR是通过网络来接收由IPC(网络摄像机)传输的数字视频码流，并对其进行存储、管理，从而可实现网络化带来的分布式架构优势。
高速公路高清视频图像传输至监控管理中心时，其需要在显示设备上输出。目前高清视频数字接口类型主要有HDMI(高清晰度多媒体接口)、DVI(数字视频接口)2种。
HDMI是适合影像传输的专用数字化接口，可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号，最高数据传输速度为2.25GB/s，同时无需在信号传送前进行数/模或模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。HDMI最远传输距离为15m。
DVI有DVI－A、DVI－D和DVI－I3种不同接口形式，目前DVI－D用得较多。其只能接收数字信号，不兼容模拟信号，且最远传输距离为5m。
4 应用案例
结合A高速公路高清视频监控系统应用情况对高清视频技术在高速公路视频监控系统的应用进行分析、探讨。
A高速公路视频监控管理模式如图1所示。
从图1可以看出，A高速公路视频监控管理分为3级管理体制，第1级为片区监控中心；第2级为隧道管理站、收费站；第3级为各个隧道、收费站和路段区段。
下面将对A高速公路高清视频监控系统的视频标准和信号编码选用原则、视频信号传输规划方案、设备接口选择及视频存储管理等进行介绍。
4.1 高清视频标准选用原则
高速公路视频监控主要分收费监控、路段监控和隧道监控。其中收费监控分为收费亭、收费车道及收费广场监控；路段监控主要指主线监控，包括长大下坡、互通式立交、服务区、停车区、特大桥、全路段等监控；隧道监控主要指隧道洞内和洞口监控。
基于成本合理、配置实用原则，A高速公路全线收费站区、隧道以及路段监控摄像机视频标准选用标准如下:收费亭、收费车道以及隧道洞内的监控主要是完成某一固定区域的监控，车辆行驶路线确定、照明有保证，容易获得满意的视频图像，故采用720P标准的高清摄像机即可；而对于收费广场、路段监控以及隧道洞口这些特殊区域，因既要保证监控范围广，又要保证在紧急情况时实时显示和录制细节，以使监控人员从监视画面能更准确地进行判断，故这些监控点采用1080P标准的高清摄像机。
4.2 高清视频信号编码选用原则
因高速公路收费站、路段和隧道布设的高清摄像机相对分散，且路线较长，视频经过压缩编码后采用TCP/IP网络传输的成本低，所以A高速公路视频监控设备均采用高清数字压缩编码的IP网络摄像机。这类摄像机可保证视频图像的清晰度，且每个摄像机有固定的IP地址，可将视频数据网络化，可不受时间、地点的限制而实现多人同时联网监控。
4.3 高清视频信号的传输规划
如前所述，高速公路的高清视频图像信号是经过压缩编码处理过的，可通过TCP/IP网络进行传输。由于高清视频是高码流的持续传输，所以对网络的要求非常高。在高速公路中实际应用时，一般采用2种方式传输:通过SDH(同步数字体系)通信系统传输或组建单独的视频传输网络。
由图1可看出，第1级视频监控主要通过接入网提供的通道来接收下一级管理点上传的图像，传输较为简单，故本文主要介绍如何规划第2、3级高清视频监控的传输方案。
4.3.1 隧道高清视频传输方案
A高速公路的隧道高清视频传输分单个隧道和隧道管理站2个层次。以甲片区监控中心所管理的1#隧道和隧道管理站为例，1#隧道的监控摄像机输出高清码流，1～3路汇集接入工业以太网交换机，通过此类交换机组成的视频传输环网接入隧道值守点的工业以太网交换机。1#～3#三个隧道值守点的工业以太网交换机以星型组网方式接入隧道管理站千兆3层以太网交换机，并通过千兆3层以太网交换机接入通信系统综合业务接入网，且利用接入网提供的通道传输至所属的上级甲片区监控中心。
1#隧道和隧道管理站的高清视频传输示意如图2、图3所示。
4.3.2 收费站、路段高清视频传输方案
A高速公路收费站内收费亭、收费车道高清摄像机输出的高清码流以链状方式接入所在收费车道工业以太网交换机，所有收费车道工业以太网交换机以星型组网方式接入收费广场视频以太网交换机。收费广场高清摄像机通过光收发器接入收费广场视频以太网交换机。收费亭、收费车道及收费广场的图像利用收费广场视频以太网交换机与收费站内视频以太网交换机连接。所有收费图像通过站内视频以太网交换机接入本路通信系统综合业务接入网，并通过接入网提供的通道传输至所属上级片区中心。
路段高清摄像机输出高清码流接入工业以太网交换机，并通过此类交换机组成的环网接入就近收费站的视频以太网交换机，再通过收费站的通信系统综合业务接入网提供的通道传输至所属上级片区中心。
A高速公路收费站、路段高清视频传输示意如图4所示。
从图2～图4可以看出，A高速公路高清视频传输是按隧道、收费站及路段2种方式来规划传输方案，二者均采用高清摄像机先组建单独的视频环网，形成基层监控系统，待基层监控系统汇集了所辖范围内的视频监控数据后，再通过SDH通信系统传输至上一级监控管理中心。基层系统组建单独的视频环网考虑了图像的独立性和可靠性，向上级传输采用SDH通信系统则考虑了方案的经济性和可行性，这种传输模式在高速公路中较为常用。
在规划高清视频传输方案的同时，也要做好网络带宽的分配。高清网络摄像机要想达到理想的图像效果，则每路就需要2～8M的网络带宽。接入网带宽应根据图像路数来确定，通常720P按2Mbps/路，1080P按4Mbps/路来规划，同时网络总带宽要预留一定的冗余量。
4.4 设备接口及视频存储管理
由前述分析可知，相对于DVI接口，HDMI接口具有传输信号类型多、传输速度快和距离远等优势，故A高速公路高清显示设备接口类型选用HDMI接口。
A高速公路根据其自身的监控管理模式，对隧道、收费站、路段、片区中心采用不同的存储管理方式，实现分级管理。
4.4.1 隧道视频存储管理
A高速公路在有视频监控的隧道值守点设置了1台专用监视器，并通过高清解码器把视频图像解码出来，在监视器上实时显示，以保证隧道值守点的监控人员可对隧道内部和洞口进行实时监测和管理。
所有隧道视频均传输至隧道管理站。视频存储采用NVR方式，为保证高清视频录像观看效果，视频存储容量1080P按每路2.2GB/h，720P按每路1.8GB/h来分配，且存储容量按视频标准和路数合理配置。视频管理服务器主要实现视频在监视器上实时切换、分割、合并视频画面以及录像调用、回放等功能。
4.4.2 收费站、路段视频存储管理
收费站、路段的视频图像均传输至收费站监控室。收费站内也配备了视频服务器(存储管理共用)、高清解码器、监视器等设备。收费站、路段存储管理机制与隧道管理站相同。
4.4.3 片区中心视频存储管理
片区中心通过网络对下一级视频实时浏览、管理和控制，并对视频录像进行查询、回放、调用和导出等。片区中心通常不对辖区视频进行存储，当辖区路段交通异常或出现紧急情况时，除收费站、隧道管理站进行视频图像存储管理外，片区中心也将对相关的视频图像进行存储和报警联动管理。
5 结语
总之，在现代的高速公路建设上，以科技的手段建立一个安全、实时、智能的高清视频监控系统至关重要。目前，高清视频技术已成为视频监控的重要发展方向，高清视频监控在高速公路监控系统中也得到了大量应用。在构建高清视频监控系统时，需仔细分析整个系统的具体需求，确定前端设备的高清视频标准、编码方式，做好传输方案规划和网络带宽分配，确定设备接口类型后合理配备监视器、解码器，同时还要做好视频存储容量配置，以保证高速公路高清视频监控系统能够得到合理应用。
参考文献
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[2]张一心.高速公路高清视频监控系统建设探析[J].中国安防.2014
[3]汤永成.高速公路高清视频监控的应用[J].文摘版:工程技术.2015
论文作者:张文彬
论文发表刊物:《低碳地产》2016年10月第20期
论文发表时间:2016/11/25
标签：视频论文; 隧道论文; 高速公路论文; 监控系统论文; 图像论文; 路段论文; 收费站论文; 《低碳地产》2016年10月第20期论文;