CN102891990A - 基于分散交换方法的大规模hd-sdi视频图像监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于分散交换方法的大规模HD-SDI视频图像监控系统及方法，涉及安防领域，旨在提供一种低成本的大规模HD-SDI视频图像监控系统及方法。本发明方法的技术要点包括：在远端光接入单元中对HD-SDI摄像机输入的视频图像进行无损压缩并基于远端光接入单元的交换功能选择部分视频图像传输给中心端等。本发明系统装置的技术要点包括：远端光接入单元及中心端；所述中心端与远端光接入单元连接；远端光接入单元连接有HD-SDI摄像机；所述远端光接入单元具有数据复用及交换单元、HD-SDI信号均衡及分配单元、光信号收发单元、无损压缩单元及有损压缩单元；所述中心端具有HD-SDI视频光接收单元、HD-SDI矩阵输出单元、网络交换机、网络存储系统及显示系统等。
Description
技术领域
本发明涉及安防领域，特别是视频图像监控系统。
背景技术
目前，安防视频图像监控系统从已经普及的标准清晰图D1格式快速向高清化发展。当前安防高清在全球已经形成两大技术阵营，即IP高清（又称为网络高清）和HD-SDI高清（又称为HD-CCTV）。
IP高清已经在中国乃至全球成为高清的主流技术，其远高出标清的清晰度，较低的传输数据率和借助以太网灵活强大的互联互通能力被广泛使用。但是IP高清仍然存在这样的缺点：IP高清需要对视频图像进行压缩、编码，图像在被压缩后质量会降低，还会带来编解码延迟同时由于网络传输过程中的掉包和缺乏可靠的QoS（服务质量，是网络的一种安全机制， 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。）机制导致图像显示不流畅等问题。
近2年来HD-SDI已经成为中国安防市场的热点。SDI是诞生于上世纪广播电视的非压缩视频传输接口格式，包括标清的SDI、隔行扫描1080i的HD-SDI以及逐行扫描1080p的3G-SDI。原来这些非压缩的视频数字接口仅用于演播室的摄/录/编/播系统。由于其广播级的极其清晰的无压缩和无延时的图像效果，成为对图像有更高要求的应用技术。
现有的HD-SDI视频图像监控系统结构如图1。当前的HD-SDI系统架构是远端的HD-SDI摄像机采集视频图像，每台摄像机通过光端机接入光纤网络，所有的远端接入图像通过光端机（无论是点对点、节点、环形冗余、汇聚等）经由光纤传输到中心端的各个光接收机，各个光接收机的输出端与HD-SDI分配器连接，HD-SDI分配器一方面用于将各路光接收机输出的图像输送至HD-SDI编码存储系统进行有损压缩编码并存储，HD-SDI分配器另一方面用户将各个光接收机输出的图像送往HD-SDI矩阵输出单元，HD-SDI矩阵输出单元输出图像到显示系统显示图像。
具体说来，当前HD-SDI图像监控系统具有以下缺点：
1.在现有的HD-SDI系统中，无论远端有多少路图像都需要全部传输到中心端的HD-SDI矩阵输出单元，中心端HD-SDI矩阵输出单元的容量为M×N，其中M为每路通道输入视频数量的总和，N为输出到显示终端的通道数量总和。一旦系统扩容(例如远端摄像机数量增加)，中心端矩阵或者必须淘汰原有小容量矩阵而重新购买更大型的矩阵，或者是采购可以扩容的矩阵，导致系统造价大幅提升。
2.由于HD-SDI的单路信号速率高达1.485G，而当前安防主流的光模块速率是1.25G和2.5G，所以单波长光纤只能传输1路高清图像信号，从而使得当前的HD-SDI光端机主要以单路为主。多路的光端机通常都是采用CWDM波分复用技术，即在一芯光纤上传输多个不同的光波长来解决多路传输的问题，理论上最多可以将16个波长组合在一起在一芯光纤上传输16路HD-SDI图像。由于CWDM激光器和波分复用器的成本较高，采用CWDM波分复用技术的代价是设备成本居高不下，故要将所有的图像都传输到监控中心将导致极大的传输成本。
3.即使采用10G乃至更高速率的光模块和时分复用技术在单波长上传输更多的HD-SDI视频图像，要将成百上千乃至上万的图像集中全部传输到监控中心仍然导致较高的传输成本。
因此传统的系统方法导致传输设备成本较高和占用光纤较多、矩阵系统成本高是当前HD-SDI系统解决方案的一个大问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种低成本的基于分散交换方法的大规模HD-SDI视频图像监控系统。
本发明中的HD-SDI高清视频图像监控方法，为在远端光接入单元中将HD-SDI摄像机输入的视频图像分为完全相同的两路，再对其中一路视频图像进行无损压缩，对另一路视频图像进行有损压缩，之后选择部分无损压缩视频图像及全部有损压缩视频图像传输给中心端。
具体的，包括：步骤1：HD-SDI摄像机采集视频图像；
步骤2：HD-SDI摄像机将视频图像传输给远端光接入单元；
步骤3：远端光接入单元将输入视频图像分为相同的两路，并对其中一路视频图像进行无损压缩，对另一路视频图像进行有损压缩；将无损压缩后的视频图像及有损压缩后的视频图像传输到数据复用交换单元；
步骤4：数据复用交换单元将部分无损压缩视频图像及全部的有损压缩视频图像按照复用协议打包后传输给光信号收发单元；
步骤5：光信号收发单元将收到的视频图像数据通过光纤网络传输给HD-SDI视频光接收单元；
步骤6：HD-SDI视频光接收单元提取无损压缩的视频图像及有损压缩的视频图像，将无损压缩的视频图像输出给HD-SDI矩阵输出单元，同时还将有损压缩的视频图像输出给网络存储系统；
步骤7：HD-SDI矩阵输出单元将图像输出到显示系统显示无损压缩的视频图像。
优选地，还包括当网络终断时，远端光接入单元将全部无损压缩视频图像及有损压缩视频图像存储在本地存储器的步骤；以及当网络恢复时，远端光接入单元将本地存储器中无损压缩视频图像的一部分及全部有损压缩视频图像按照复用协议打包发送给光信号收发单元，光信号收发单元将视频图像数据通过光纤网络传输给HD-SDI视频光接收单元的步骤。
本发明中的HD-SDI高清视频图像监控系统，包括：远端光接入单元及中心端；所述中心端与远端光接入单元连接；远端光接入单元用于接收HD-SDI摄像机输出的视频图像；
所述远端光接入单元具有数据复用及交换单元、HD-SDI信号均衡及分配单元、光信号收发单元、无损压缩单元及有损压缩单元；HD-SDI信号均衡及分配单元用于连接HD-SDI摄像机的输出端；HD-SDI信号均衡及分配单元的一个输出端与无损压缩单元连接，HD-SDI信号均衡及分配单元的另一个输出端与有损压缩单元连接；无损压缩单元的输出端及有损压缩单元的输出端均与数据复用及交换单元连接；数据复用及交换单元与光信号收发单元具有信号连接；光信号收发单元通过光纤网络与中心端连接；
所述中心端具有HD-SDI视频光接收单元、HD-SDI矩阵输出单元、网络交换机、网络存储系统及显示系统；HD-SDI视频光接收单元通过光纤网络与远端光接入单元连接；HD-SDI视频光接收单元的HD-SDI输出端与HD-SDI矩阵输出单元连接，HD-SDI视频光接收单元的有损压缩图像输出端通过网络交换机与网络存储系统连接；所述HD-SDI矩阵输出单元与显示系统具有信号连接。
优选地，所述远端光接入单元还包含存储器，所述存储器与数据复用与交换单元连接。
优选地，所述远端光接入单元具有多台；各个远端光接入单元连接在按照总线拓扑结构连接，最后一台远端光接入单元与所述HD-SDI视频光接收单元连接。
优选地，所述远端光接入单元具有多台；各个远端光接入单元连接在环形线路上，环形线路两端的远端光接入单元均与所述HD-SDI视频光接收单元连接。
优选地，包括多个HD-SDI视频光接收单元；各个HD-SDI视频光接收单元分别接有一远端光接入单元组；各个HD-SDI视频光接收单元的一个输出端与HD-SDI矩阵输出单元连接。
优选地，所述远端光接入单元组中至少一组具有多个远端光接入单元；各个远端光接入单元连接在按照总线拓扑结构连接，最后一台远端光接入单元与一台HD-SDI视频光接收单元连接。
优选地，所述远端光接入单元组中至少一组具有多个远端光接入单元；各个远端光接入单元连接在环形线路上，环形线路两端的远端光接入单元均与同一台HD-SDI视频光接收单元连接。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明中的远端光接入单元具有无损压缩图像功能，实现了远端无损压缩编码，大大减少了实际传输的视频数据容量，降低了传输成本；
2.本发明在远端同时具有有损压缩图像功能，仅将有损压缩的图像全部传输到监控中心进行存储。
3. 本发明中的远端光接入单元具有数据交换，将部分高清视频图像传输给中心端矩阵输出单元，在大幅度减少传输图像路数从而降低传输成本的同时也大幅度降低了中心端矩阵规模和成本。
4.本发明中的远端光接入单元还具有存储器，可以实现远端的本地应急存储，当传输中断时，远端可以存储视频数据，当传输接通时可以将本地存储视频图像上传中心端，保证了图像监控系统的连续性、提高了图像监控系统的可靠性。
5.由于采用了分散交换的方法，仅传输部分（为监控中心需要实时显示的通道数量）非压缩HD-SDI图像到中心端，在一个接入网络（点对点、级联节点、汇聚、环形等）中可以接入远超过需要传输的路数的图像，因此本发明能够支持更多数量的远端光接入单元，进而扩大监控规模。
附图说明
图1是现有的HD-SDI视频图像监控系统结构框图。
图2是本发明中的HD-SDI视频图像监控系统结构框图。
图3是本发明中远端光接入单元的原理框图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
图2显示的是本发明中的HD-SDI视频图像监控系统的一个具体实施例，包括远端光接入单元及中心端。所述中心端与远端光接入单元连接，远端光接入单元连接有HD-SDI摄像机。
进一步，中心端包括HD-SDI视频光接收单元、以太网交换机、网络存储系统、HD-SDI矩阵输出单元及显示系统。本实施例中，HD-SDI视频光接收单元数量为3，当然本发明中HD-SDI视频光接收单元可以为1台，也可以为5台甚至更多，并不局限为3台。
其中，第一HD-SDI视频光接收单元通过光纤网络与一台远端光接入单元建立点对点连接，该远端光接入单元连接至少一台HD-SDI摄像机。
第二HD-SDI视频光接收单元连接一远端光接入单元组，该远端光接入单元组包括多台远端光接入单元，各个远端光接入单元为节点式连接，即各个远端光接入单元连接在一根主光纤上，第二HD-SDI视频光接收单元与该主光纤上的最后一台远端光接入单元连接HD-SDI视频光接收单元连接一远端光接入单元组，每台远端光接入单元均具有至少一台HD-SDI摄像机。
第三HD-SDI视频光接收单元也连接一远端光接入单元组，该组中的远端光接入单元按照环形冗余方式连接，即各个远端光接入单元连接在环形线路上，环形线路两端的远端光接入单元均与第三HD-SDI视频光接收单元连接。
本领域技术人员应当理解在一个视频图像监控系统中可以有多路HD-SDI视频光接收单元，每路HD-SDI视频光接收单元均可以连接点对点、节点式或者环形冗余方式连接的远端光接入单元或远端光接入单元组。当然，远端光接入单元也可以按照其他方式连接，例如：汇聚方式。各个远端光接入单元按照一定的复用协议将视频图像打包通过光纤网络传输给中心端。其中，所述的复用协议可以是时分复用或码分复用等。
本实施例中的所述3台HD-SDI视频光接收单元的一个输出端与HD-SDI矩阵输出单元连接，另一个输出端通过网络交换机与网络存储系统连接。所述HD-SDI矩阵输出单元与显示系统具有信号连接。
图3是本发明远端光接入单元一个具体实施例的原理框图，具有包含数据复用交换单元的控制单元、HD-SDI信号均衡及分配单元、光信号收发单元、无损压缩单元及有损压缩单元。HD-SDI摄像机的输出端与HD-SDI信号均衡及分配单元连接，HD-SDI信号均衡及分配单元的一个输出端与无损压缩单元连接，HD-SDI信号均衡及分配单元的另一个输出端与有损压缩单元连接，无损压缩单元的输出端及有损压缩单元的输出端均与数据复用交换单元连接；数据复用交换单元与光信号收发单元具有信号连接；光信号收发单元通过光纤网络与中心端的HD-SDI视频光接收单元信号连接。
数据复用交换单元用于选择部分无损压缩的视频图像及全部的有损压缩图像按照一定的复用协议打包，并传输给光信号收发单元。
其中无损压缩单元可以选用但不限于MJPEG芯片，有损压缩单元选用但不限于H.264压缩方式的芯片。
本发明中HD-SDI视频图像监控系统的工作流程是：远端光接入单元接收HD-SDI摄像机输出的视频图像，其HD-SDI信号均衡及分配单元将收到的视频图像分为完全相同的两路，一路送入无损压缩单元，另一路送入有损压缩单元。经过压缩后的图像传输至数据复用交换单元，数据复用交换单元将经过有损压缩的全部图像及部分无损压缩图像按照某种复用协议（例如时分复用或码分复用等）打包后传输给光信号收发单元。
光信号收发单元通过光纤将视频图像数据传输给中心端的HD-SDI视频光接收单元，HD-SDI视频光接收单元提取视频图像数据，将有损压缩的视频图像传输通过以太网交换机传输给网络存储系统，同时还将经过无损压缩的视频图像传输给HD-SDI矩阵输出单元，HD-SDI矩阵输出单元对无损压缩视频图像解压并输出标准的HD-SDI信号到显示系统显示高清视频。
为了增加系统的可靠性，上述远端光接入单元实施例还具有一种变形，即是还包括存储器，该存储器与控制单元连接。当远端光接入单元的控制单元检测到网络系统出现传输中断时，控制单元控制数据复用交换单元将全部无损压缩视频图像及有损压缩视频图像存储到储存器中，当控制单元检测网络传输恢复后，控制单元控制数据复用交换单元将本地存储的全部有损压缩视频图像上传至中心端，同时根据设定条件选择性的将本地存储的无损压缩视频图像中的一部分上传至中心端。
控制单元选择无损压缩图像可以有以下三种主要条件：
1.人为指定。一般来说，中心端的矩阵连接有控制键盘，用于接收用户的指令。用户可以通过键盘指定需要上传某一远端的某一路无损高清视频图像交换上传到矩阵输出单元，矩阵输出单元通过HD-SDI视频光接收单元、光纤将用户指令发送，被指定的远端光接入单元收到指令后将指定的无损压缩视频图像上传。
2.事件触发。例如，在远端光接入单元处增加红外线传感器，传感器的输出端与控制单元连接，当被监控区域有人出现时红外传感器将此情况报告给控制单元，控制单元控制数据复用及交换单元将此时的无损压缩视频图像上传。
3.程序设定。例如，数据复用及交换单元根据系统预先设置将某些无损压缩视频图像上传。
若将MJPEG无损压缩技术用于HD-SDI图像的压缩，可将高达1.485Gbps的原始视频速率压缩到80Mbps以内。这样藉由当前成熟的1.25Gbps或2.5Gbps时分复用等通讯技术可以在一个光波长里传输高达20~30路的HD-SDI信号，如果加上CWDM技术的16个有效波长复用传输可以在一芯光纤上传输高达数百路的高清HD-SDI图像，且图像没有任何损失、几乎觉察不到的延时（大约50毫秒）。
由于本发明将交换放在远端，以传输系统而言，假设传输1000路图像来简单计算，原有系统需要传输的总数据容量是1485Gbps，而本发明（假设中心端屏幕显示需要32路无损压缩的高清视频图像）仅需要传输47.5Gbps，传输容量降低了96.7%；加上全部上传的H.264压缩图像数据（假设每路图像4Mbps）1000×4M=4Gbps，总传输容量也仅为47.5+4=51.5Gbps，总传输容量降低降低96.5%。可见本发明将大大降低传输数据容量，直接导致系统成本大幅度下降。同时中心端矩阵不再需要构建一个1000路输入的大型矩阵，而只是一台具有32路输出能力的矩阵输出设备单元加上远端光接入单元（即光发射机）传输到中心的接收设备即可构成中心端接收和交换系统，也将大大节约系统造价成本。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种HD-SDI高清视频图像监控方法，其特征在于，在远端光接入单元中将HD-SDI摄像机输入的视频图像分为完全相同的两路，再对其中一路视频图像进行无损压缩，对另一路视频图像进行有损压缩，之后选择部分无损压缩视频图像及全部有损压缩视频图像传输给中心端。
2.根据权利要求1所述的一种HD-SDI高清视频图像监控方法，其特征在于，包括：
步骤1：HD-SDI摄像机采集视频图像；
步骤2：HD-SDI摄像机将视频图像传输给远端光接入单元；
步骤3：远端光接入单元将输入视频图像分为相同的两路，并对其中一路视频图像进行无损压缩，对另一路视频图像进行有损压缩；将无损压缩后的视频图像及有损压缩后的视频图像传输到数据复用及交换单元；
步骤4：数据复用及交换单元将部分无损压缩视频图像及全部的有损压缩视频图像按照复用协议打包后传输给光信号收发单元；
步骤5：光信号收发单元将收到的视频图像数据通过光纤网络传输给HD-SDI视频光接收单元；
步骤6：HD-SDI视频光接收单元提取无损压缩的视频图像及有损压缩的视频图像，将无损压缩的视频图像输出给HD-SDI矩阵输出单元，同时还将有损压缩的视频图像输出给网络存储系统；
步骤7：HD-SDI矩阵输出单元将图像输出到显示系统显示无损压缩的视频图像。
3.根据权利要求2所述的一种HD-SDI高清视频图像监控方法，其特征在于，还包括当网络终断时，远端光接入单元将全部无损压缩视频图像及有损压缩视频图像存储在本地存储器的步骤；以及当网络恢复时，远端光接入单元将本地存储器中无损压缩视频图像的一部分及全部有损压缩视频图像按照复用协议打包发送给光信号收发单元，光信号收发单元将视频图像数据通过光纤网络传输给HD-SDI视频光接收单元的步骤。
4.一种HD-SDI高清视频图像监控系统，其特征在于，包括：远端光接入单元及中心端；所述中心端与远端光接入单元连接；远端光接入单元用于接收HD-SDI摄像机输出的视频图像；
所述远端光接入单元具有数据复用及交换单元、HD-SDI信号均衡及分配单元、光信号收发单元、无损压缩单元及有损压缩单元；HD-SDI信号均衡及分配单元用于连接HD-SDI摄像机的输出端；HD-SDI信号均衡及分配单元的一个输出端与无损压缩单元连接，HD-SDI信号均衡及分配单元的另一个输出端与有损压缩单元连接；无损压缩单元的输出端及有损压缩单元的输出端均与数据复用及交换单元连接；数据复用及交换单元与光信号收发单元具有信号连接；光信号收发单元通过光纤网络与中心端连接；
所述中心端具有HD-SDI视频光接收单元、HD-SDI矩阵输出单元、网络交换机、网络存储系统及显示系统；HD-SDI视频光接收单元通过光纤网络与远端光接入单元连接；HD-SDI视频光接收单元的HD-SDI输出端与HD-SDI矩阵输出单元连接，HD-SDI视频光接收单元的有损压缩图像输出端通过网络交换机与网络存储系统连接；所述HD-SDI矩阵输出单元与显示系统具有信号连接。
5.根据权利要求1所述的一种HD-SDI高清视频图像监控系统，其特征在于，所述远端光接入单元还包含存储器，所述存储器与数据复用与交换单元连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种HD-SDI高清视频图像监控系统，其特征在于，所述远端光接入单元具有多台；各个远端光接入单元连接在按照总线拓扑结构连接，最后一台远端光接入单元与所述HD-SDI视频光接收单元连接。
7.根据权利要求1或2所述的一种HD-SDI高清视频图像监控系统，其特征在于，所述远端光接入单元具有多台；各个远端光接入单元连接在环形线路上，环形线路两端的远端光接入单元均与所述HD-SDI视频光接收单元连接。
8.根据权利要求1或2所述的一种HD-SDI高清视频图像监控系统，其特征在于，包括多个HD-SDI视频光接收单元；各个HD-SDI视频光接收单元分别接有一远端光接入单元组；各个HD-SDI视频光接收单元的一个输出端与HD-SDI矩阵输出单元连接。
9.根据权利要求5所述的一种HD-SDI高清视频图像监控系统，其特征在于，所述远端光接入单元组中至少一组具有多个远端光接入单元；各个远端光接入单元连接在按照总线拓扑结构连接，最后一台远端光接入单元与一台HD-SDI视频光接收单元连接。
10.根据权利要求5所述的一种HD-SDI高清视频图像监控系统，其特征在于，所述远端光接入单元组中至少一组具有多个远端光接入单元；各个远端光接入单元连接在环形线路上，环形线路两端的远端光接入单元均与同一台HD-SDI视频光接收单元连接。
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