H.264在高速公路视频监控接入系统的应用

孙金海，鲁建领，王力华

（1.河北省高管局指挥调度中心，河北石家庄 050081；2.北京瑞华赢科技有限公司，北京 100000；3.河北电子信息技术研究院，河北石家庄 050000）

H.264在高速公路视频监控接入系统的应用

孙金海1，鲁建领2，王力华3

（1.河北省高管局指挥调度中心，河北石家庄 050081；2.北京瑞华赢科技有限公司，北京 100000；3.河北电子信息技术研究院，河北石家庄 050000）

从工程应用的角度简要概括了多种类型的视频监控系统通过统一的编解码方式完成组网，实现全省高速视频监控的统一管理控制。

H.264；MPEG；编解码器；视频监控

H.264是MPEG－4标准所定义的最新格式，同时也是技术含量最高、代表最新技术水平的视频编码格式之一，有的也称（AVC）。从MPEG的角度来说，这个标准叫做MPEG－4 Part10（ISO 14496－10）；从ITU的角度来说，这个标准叫做H.264（ITU文档编号）。H.264作为新一代视频格式，被广泛地使用和支持。本文将探讨作为新一代视频格式的H.264在高速公路视频监控系统改造中的应用。

1 路段视频监控系统现状

路段视频监控系统按路段的所属，分省监控中心视频监控系统和局属路段视频监控系统。

（1）省监控中心视频监控系统现状

省监控中心视频监控系统目前主要采用两种传输方式：编解码器＋模拟矩阵的视频传输方式和大屏幕投影＋监视器墙。

（2）局属路段视频监控系统现状

局属路段视频监控系统的传输方式根据路段的不同，采用了不同的传输方式，具体情况见表1。

2 监控路段联网方案

针对全省各局属路段视频联网现状，及高速公路管理局高速公路路段监控系统信息接入工程的要求，对不同路段情况采用针对性的解决方案。监控路段联网亦按路段的所属分为全省路段联网和路段分中心视频联网监控系统。

表1 局属路段监控中心视频监控系统的传输方式一览表

2.1 全省路段联网

整体设计采用编解码器模式，利用通信系统干线ADM带宽，将各个路段的图像上传至省中心，通过硬件解码输出至电视墙和大屏幕，通过软件解码进行网络和手机平台发布，并实现后台IPSAN录像存储。

省中心采用“全数字化”方案实现视频切换控制、视频存储及管理、视频发布等功能。增设H.264编解码器组、视频以太网交换机、视频服务器、视频工作站、磁盘阵列等设备，拆除原有模拟视频矩阵及编解码器，保留DLP拼接屏和液晶监视器墙作为视频综合显示系统。全省路段联网方案整体设计见图1。

图1 全省路段联网方案整体设计图

2.2 路段分中心视频联网监控系统

根据对省监控中心和局属14个路段监控分中心现有视频监控系统的现状，本次视频联网改造工程针对路段监控分中心系统的改造方案分三种情况设计。

（1）路段监控系统采用“光端机＋视频切换矩阵”实现视频监控。

由表1可知，路段监控系统采用“光端机＋视频切换矩阵”实现视频监控的路段有：宣大、京张、沿海、唐津、石太、青银、京石、廊涿、保沧、保津、石安等11条高速公路，其监控联网方案采用图2的模式：

本次视频联网设计将对现有视频切换矩阵进行必要的改造（利用冗余端口或新增视频输出板卡）。切换输出8－16路视频图像，接入新增加的视频编码器；经数字化压缩编码并转换成IP数据后，再接入新增加的视频以太网交换机；通过路段通信中心干线传输设备冗余的10／100M接口上传至省监控中心。同时将视频切换矩阵的控制信号接入其中一个新增视频编码器的RS232控制端口，转换成IP数据，上传至省监控中心，通过省监控中心的视频管理服务器和工作站实现视频切换控制和摄像机云台控制。

（2）路段监控系统采用“专用数字视频监控平台”实现视频监控联网

由表1可知，路段监控系统采用“专用数字视频监控平台”实现视频监控的路段有京沪和京秦高速公路，其联网方案又分为非压缩视频管理平台输出模拟视频至编码器（见图3（a））和压缩视频管理平台输出模拟视频至编码器（图3（b））两种：

图2 路段监控系统采用“光端机＋视频切换矩阵”实现视频监控联网

图3 路段监控系统采用“专用数字视频监控平台”实现视频监控联网

利用“专用数字视频监控平台”的局端设备的“模拟视频输出卡”，切换输出8－16路图像，接入新增加的视频编码器；经数字化压缩编码并转换成IP数据后，再接入新增加的视频以太网交换机；通过路段通信中心干线传输设备冗余的10／100M接口上传至省监控中心。同时将“专用数字视频监控平台”局端机的控制信号接入新增加的视频以太网交换机，上传至省监控中心。省监控中心通过视频管理服务器和工作站实现视频切换控制和摄像机云台控制。

路段分中心视频检测处理器数据及相应视频接入新增加的视频以太网交换机，通过路段通信中心干线传输设备冗余的10／100M接口上传至省监控中心。

（3）路段监控系统采用“全数字网络”实现视频监控联网

由表1可知，仅有石黄高速公路路段监控系统采用“全数字网络”实现视频监控，其联网见图4。

本次视频联网设计将对现有“全数字网络”路段的局端设备进行必要的改造。路段各收费站由其局端设备10／100Base－T的网络接口板位上10／100M口通过SDH通信接入网络传到路段监控分中心，监控分中心通过IP通道传到省中心；省中心对视频显示是通过网管终端以组播表按客户端要求选择H.264解码板解码（对应其编码板卡打开的视频文件）在大屏幕投影系统上显示。

对传统视频联网前端摄像机控制，省中心视频管理服务器和工作站运行对“全数字网络”局端设备的协议转换软件，实现视频切换控制和摄像机云台控制。

路段分中心视频检测处理器数据及相应视频接入新增加的视频以太网交换机，通过路段通信中心干线传输设备冗余的10／100M接口上传至省监控中心。

图4 路段监控系统采用“全数字网络”实现视频监控联网

3 视频监控系统主要功能

视频监控系统主要功能分省监控中心视频监控系统主要功能和路段监控分中心视频监控系统功能进行论述。

3.1 省监控中心视频监控系统主要功能

省监控中心视频监控系统主要功能是：视频切换控制功能；摄像机远程控制功能；视频存储功能；视频查询功能；视频综合显示功能；报警联动视频切换功能；手机视频发布功能和外网视频发布功能。

3.2 路段监控分中心视频监控系统功能

路段监控分中心视频监控系统功能是为省监控中心视频监控切换输出8－16路视频图像；接收省监控中心下发的视频切换控制指令和摄像机云台控制指令；切换输出省监控中心调看的视频图像；将报警信号上传至省监控中心和自动切换报警区域相关视频图像上传至省监控中心。

4 路段监控系统的技术要点

4.1 编码设备技术

H.264标准制定了不同的档次和级别以适应各种应用，对应用于高速公路视频监控系统的视频编码设备的技术要求：（1）视频编码支持H.264标准的Main Profile的level 3.0及以上档次和级别；（2）编码设备应支持H.264视频的TS流输出，输出视频流中不能包含非H.264语法元素的私有数据；（3）编码设备输出的视频编码流能用Elecard等H／264视频码流处理工具进行视频流的分析和播放；（4）支持TCP／IP、UDP、IGM网络协议，提供单播、组播两种传送方式；（5）编码器硬件输入／输出接口最低要求：1路CVBS模拟视频信号，BNC输入接口（电平：1Vp－p，阻抗75Ω，PAL／NTSC自适应），1个10／100M自适应网络RJ45接口，可以通过远程TCP／IP消息控制RS232／RS485串口（云台、镜头控制），8路数字报警信号输入（可选），可支持光纤接口。

4.2 解码设备技术

各厂商编码设备存在一定差异，有的编码设备支持的档次较多，级别较高。为满足各厂商编解码设备之间的互联互通要求，解码设备应尽可能多的支持各种H.264语法元素的解码。对视频编码设备技术要求：（1）视频解码应支持H.264标准的Main Profile的level 3.0档次和级别；（2）能够识别视频TS码流并解码TS视频码流；（3）支持TCP／IP、UDP、IGMP网络协议，提供单播、组播两种传送方式；（4）解码器硬件输入／输出接口最低要求：1个10／100M自适应网络接口RJ45，1路CVBS模拟视频信号BNC输出接口（电平：1Vp－p，阻抗75Ω，PAL／NTSC自适应），1路VGA视频输出（可选）。

4.3 视频流传输格式

H.264在逻辑结构上采用了视频编码（VLC）和网络提取层（NAL）分层设计的结构。视频编码层用于编码输入视频信号；网络提取层以编码基本单元（如1帧图像）为单位，通过添加NAL头来实现格式化数据，形成NAL数据单元，使得编码后的视频数据能够有效地在不通的网络环境中传输。

NAL数据单元有固定长度的NAL头和可变长度的NAL体构成。具体格式如表2所示。

表2 视频NAL数据单元格式

NAL头的禁止位在网络发现NAL单元有比特错时被置为1，以便接受端丢弃该单元；重要性指示位用于标志该NAL单元用于重建的重要性，值越大，越重要；NALU属性的值为1－12时由H.264使用，24－31留作他用，NAL体数据是视频编码出来的原始比特流，其长度可变，一般是1帧的编码数据。

5 结语

本文介绍的全省高速视频监控系统中，上传省中心的图像采用统一的H.264数字压缩格式，图像分辨率为720＊576，所有图像一次编解码，没有二次压缩问题。河北省高速公路视频联网监控优先级按照“省监控中心——路段监控分中心——收费站”三级，省监控中心控制优先级最高。省中心通过编解码实现全省局管16条高速视频联网。能够任意调看省管16条路段3600多路视频监控图像，可以实时监控路段的路况和收费站站口的通行情况。能通过网络进行视频切换与控制、存储、回放、检索等，实现视频数字化监控、网络化监控。

Application of H.264 video surveillance access to the highway system

SUN Jin－hai1，LU Jian－ling2，WANG Li－hua
（1.Commandandcontrolcenter，HebeiExpresswayAuthority，Shijiazhuang，Hebei，050081，China；2.BeiJingRHYTechnologyDevelopmentCo.，Ltd.，Beijing，100000，China；3.HebeiElectronicsandInformationTechnologyAcademy，ShijiazhuangHebei，050081，China）

From the engineering point of view，a brief summary of various types of video surveillance systems is given.Through a unified codec，the complete network is set.The unity of the province’s high－speed video surveillance management and control is achieved.

H.264；MPEG；Codec；Video Monitor

TN948

：A

1001－9383（2011）03－0101－05

2011－06－30

孙金海（1972－），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：电子信息工程.