IP网络的“软切换”视频联网监控技术

     视频监控以其直观性、实时性的特点，被高速公路、城市道路及铁路等交通运输行业广泛使用。高速公路管理单位通过机电系统设置的闭路电视视频监控系统，可以有效地对公司业务进行管理，并对交通突发事件作出及时的发现和确认。

一. 高速公路视频监控的特点和现状

       高速公路视频监控主要分两种，一种设置于各互通区，对互通区交通流进行监视；一种设置于各收费站，对收费业务进行监视。根据各路的管理体制，互通区视频一般直接上传至各路的管理分中心，收费站视频先上传至各收费站监控机房，再与管理分中心之间设置一定路数的视频传输通道，在管理分中心的控制下切换上传。管理分中心还需在管理中心的控制下切换一定路数到管理中心。

       目前，各高速公路之间相对比较独立，视频联网监控尚未形成，视频图像多采用模拟或数字非压缩的方式进行传输，通过视频切换矩阵进行视频的切换显示和录像。管理分中心采用视频切换矩阵与各收费站的视频切换矩阵级联方式进行视频联网控制。

       这种方式在高速公路建设初期，路网尚未形成时，对高速公路运营管理起到了积极的作用。但随着高速公路的不断发展，区域路网管理中心建设的不断加快，路网多级视频监控功能需求的不断提升，传统模式逐渐暴露了其缺点，如占用光纤资源较多、带宽得不到有效地利用、系统扩建难度较大、不同品牌视频切换矩阵级联兼容性不好等。

       采用数字压缩视频传输方式，结合软件管理下的视频切换控制，上述问题可以得到很好的解决，并可以在系统中增加其他有用的功能模块。

       本文将要探讨的“软切换”视频联网监控技术，采用数字压缩视频技术，基于目前最通用的IP网络，在保证图像质量和时延的情况下，由网络中任意一处管理终端控制，可将任意一路图像传送至任意一个显示或录像设备上。

二. 高速公路“软切换”视频联网监控技术

       软切换，顾名思义，就是在软件控制下的视频切换，与传统的视频切换矩阵硬件控制相比，最大的优势就是可将视频的输入单元、输出单元和控制单元分开，并可在其间增加额外的控制功能，使系统突破以往地域的局限，灵活地对视频监控进行组网。

       除此之外，由于整个系统构建于IP网络之上，系统内所有视频数据均采用TCP/IP协议栈内协议进行传输，使系统可以与因特网在内的任何一种支持或兼容TCP/IP的网络互联。这就使高速公路传统的视频监控功能得到极大扩展，并且可以通过互联网为广大道路使用者提供种类繁多、功能齐全的信息服务。

       一个典型的基于IP网络的高速公路“软切换”视频联网监控系统如下图所示：
       系统由三种功能模块组成：视频输入、视频输出和视频切换控制。网络中任意一处视频编码器对应一个视频输入，任意一处视频解码器对应一个视频输出，视频输入和视频输出可设置在系统的任意位置。
       视频输入可以是经过视频编码的传统摄像机视频源，也可以是带有网络端口的IP网络摄像机视频源。

       视频输出可以经视频解码后接至模拟监视器、大屏幕显示系统、硬盘录像机等，也可以在多媒体计算机终端上直接显示和录像。

       视频切换模块可以设置在系统的任意位置，并具有设置好的任意权限。通常管理中心具有最高权限，各管理分中心具有中间级权限，各收费站具有最低权限。根据系统具体功能需求，可增加额外的控制权限，并根据特殊需求，系统可使任意一处管理终端拥有临时或永久的任意一级控制权限。系统的灵活性不仅表现于此，任意控制终端在得到权限许可的情况下可将任意一路视频图像切换至任意一个显示或录像设备上，并能保证视频图像的质量和实时性。

       “软切换”视频联网监控系统的另一个重要特点就是具有非常好的可扩展性，以往视频联网监控系统增加视频监控点非常困难，需要重新敷设光缆。“软切换”视频联网监控技术对于新增加的视频源只需增加视频编码器就可接入系统网络，并根据需要切换至任意显示终端。

三. “软切换”视频联网关键技术分析

       这种“软切换”视频联网控制方式，离不开IP网络设备和协议的支持。要实现上述功能，对网络结构设计、网络交换节点设备及网络管理软件都提出了相当高的要求。

       首先，在网络结构设计上，IP网络的最大缺陷就是可能出现网络拥挤，甚至网络风暴，导致视频图像丢帧、丢包，视频的实时性也得不到保证。出现网络拥挤的原因很多，有可能是网络节点带宽不足，也有可能是网络中出现不合理的数据传输。IP网络的设计初衷就是使网络结构未知的不同种网络可以互联，但只保证了数据的准确性，并为考虑数据的实时性。由于近些年来网络通道质量的不断改善，IP网络实时性能也得到极大的提高，但未知的网络结构和网络需求，仍然是制约互联网实时视频流的重要障碍。

       与互联网相比，高速公路的通信系统属于专网专用，各高速公路拥有自己专用的光纤网络，链路质量决不低于网络运营商的网络，且网络拓扑结构相对清晰，网络需求也可做到最大限度的确定。所以，高速公路通信系统出现网络拥挤和网络风暴的几率很小，只要掌握正确的视频源布设位置，进行详尽的视频显示、录像的需求分析，由此设计出的网络结构必定能满足视频联网监控的带宽要求。

       合理的网络结构离不开合理的网络设备，数字视频联网需要强大的高性能网络交换机的支持，一般在管理中心和分中心处设置千兆以太网交换机，在各收费站至少也要设置百兆以太网交换机，推荐使用千兆以太网交换机。通过对网络中各节点数据传输的分布特点进行分析，以确定各节点交换机应具备的交换容量和背板带宽，并且各级交换设备均需支持组播及虚拟子网（VLAN）协议。

       组播协议可以使视频数据在系统的控制下，传向指定的几个显示或录像终端，尽可能的少占用网络带宽，做到“按需传输”。VLAN是三层交换机特有的功能，其可将同一网络的不同网络设备按需划分为不同虚拟子网中去，一方面可以起到网管功能，另一方面可以抑止潜在的网络广播风暴的影响。

       拥有了合理的网络结构和强大的网络节点设备并不能保证网络中不出现拥挤现象，如果不对各链路数据流进行监控，也无法避免过多视频图像需经同一链路传输等不合理的数据传输现象的出现，这就需要一个强大的网络管理软件，对系统各主要链路进行状态监控，拒绝不合理的视频切换，屏蔽不合理的数据传输。上面讲到，高速公路网络结构相对比较清晰，不像互联网那样网络结构错综复杂。虽然“软切换”视频联网监控技术可以对系统中的任意视频图像进行切换，但在进行系统设计时要分清哪些是必要的视频数据传输，哪些是不必要的。并对每个链路传输带宽进行上限控制，带宽固然是越高越好，但造价也会相应提高。在保证系统正常使用的情况下，尽量对网络带宽做到合理分配。

       由于这种方案要求有一套比较完备的网管软件的支持，并且系统很多功能都是通过软件来实现，所以系统软件的质量好坏直接影响系统性能的好坏。

       另外，还需要注意两点。一个是视频编解码协议的选择，一个是视频编解码器的设置位置问题。

       视频编解码协议有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4及H.263/H.264等，MPEG-1压缩比较小，占用带宽较大，不适应网络传输要求；MPEG-4及H.263/H.264对于高速公路视频监控来讲图像质量不够，MPEG-2视频编解码算法压缩比大、压缩质量好，视频信号速率约为3～4Mbps，分辨率为720×572。

       由于要保证视频图像的质量，首先应采用视频编解码器硬件编解码，另外视频图像经过多次编解码后视频质量会降低，所以在进行系统设计中，应避免从视频解码器输出的视频信号再进入视频编码器。

四. “软切换”视频联网技术在高速公路上的应用

       目前，高速公路通信系统多采用SDH网络协议，“软切换”视频联网监控技术可采用MPEG-2视频编码技术及基于IP over SDH的传输技术方案，实现“管理中心——各管理分中心——各收费站”的联网监控视频传输。

       为广大道路使用者开放的道路实时视频浏览系统，由于与互联网互联，并且网络需求未知，需设置相应的浏览服务器，以管理其数据传输，缓解网络负荷。并且服务器可以与GPRS网络相连，道路使用者可以使用手机查询道路的实时视频图像。系统还可以通过增加摄像机、麦克风及控制软件，利用现有的网络资源方便的实现视频会议等。很多像这种基于IP网络的应用在“软交换”视频联网监控技术中可以得到很好的应用及扩展。

       综上所述，基于IP网络的高速公路“软切换”视频联网监控技术以其传输视频的可靠性、实时性、可控性、安全性及可扩展性，成为下一代高速公路视频联网监控的首选方案。