分布式多媒体视讯信号处理系统在北京市轨道交通的应用

梁海英 王征

摘 要：北京市轨道交通安保中心作为公交总队调度指挥、应急处理中心，对多媒体视讯信号处理技术有很高要求。文章通过比较集中式和分布式多媒体视讯信号处理系统，并结合安保中心的特点，分析采用分布式处理系统的技术优势，指出分布式处理系统具有深化软件功能，能够使安保中心管理提升到一个全新的高度，真正做到数据信息化、信息自动化、管控电脑化、决策智能化。

关键词：城市轨道交通;分布式处理系统;安保中心;信号处理

中图分类号：U231.7

1 多媒体视讯信号处理系统

多媒体视讯信号处理系统主要包括集中式处理系统和分布式处理系统。

1.1 集中式处理系统

在常规指挥中心应用场景里，集中式处理系统中的混合矩阵作为音视频信号的转换、切换、共享设备得到了广泛的应用。在单个会场信号交互过程中，混合矩阵充分发挥了其接口丰富、信号无损、无延迟的特点，备受行业青睐。

随着海量信号汇聚至指挥中心后，混合矩阵扩容性差的特点逐渐显露出来，有时不得不通过多台混合矩阵级联来实现大规模信号的切换，导致系统结构复杂，切换过程中受限较多。另外，在多会场、多品牌互联互通时，混合矩阵只能通过光纤来打通矩阵之间的传输通道实现信号的异地互传，且施工布线繁琐。在此情况下，切换一路信号可能需要控制2台甚至多台混合矩阵，易用性差。

1.2 分布式处理系统

分布式处理系统基于云架构设计，以网络为核心，将海量前端音视频信号网络化后交由云端统一调配，用户按需在云端调取音视频信号进行使用。整个网络化过程利用了特有的编码算法，实现画面的无损、无延时传输。系统还具备坐席管理、可视化管控、多重备份等功能，可以实现全方位、高可靠的信号交互。利用综合管理平台实现智慧化管理，将各种格式的视频信号、音频信号、控制信号等集成在一个管理平台上，实现可控、可监、可管。可扩展的系统架构有利于后期部署和运维。定制化设计的交互界面可针对不同的用户做精细化权限分配，解决跨部门协作的难题。

1.3 安保中心多媒体视讯信号处理系统

北京市轨道交通安保中心（简称“安保中心”）承担公共交通系统的日常安全保卫及战时反恐防恐应急处突业务。安保中心设置有指挥大厅、决策室、值班室、多功能厅、信息平台及会商室等处所，各处所均有来自线路（地铁、公交）、本地、市局等的多媒体视讯系统终端或子系统。安保中心在建设初期通过大量的前期调研，综合对比2种处理系统的适用场景和应用前景后，最终确定采用分布式处理系统，将安保中心所有的多媒体视讯系统的终端或子系统接入内部网络，对不同类型的信号实现兼容采集，形成一套功能完善的可视化综合管理平台。

2 分布式处理系统关键技术

2.1 分布式处理技术

安保中心分布式处理系统采用分布式处理技术，它将所有音视频、控制类信息，由模拟信号转为数字，实现信息数字化，并利用交换机、路由器等网络设备，在标准的千兆网上进行传输、控制、显示、储存、管理等。

2.2 H.264 编码压缩技术

分布式处理系统采用H.264编码技术。H.264编码技术是主流视频编码技术之一，它的编码核心是采用预测编码与变换编码相结合的混合编码结构，提高了编码效率。在保证相同图像质量的条件下，H.264编码的压缩比是MPEG-4的2倍左右，码流为一半左右，因此，能节约更多的带宽资源，降低对网络速率的要求。

H.264能轻松地在多种网络中传输，具有网络适应性强的特点;提供在不稳定网络环境下的纠错工具，使其具有强容错力。H.264还支持一种新的流间传送帧 ——SP帧，能在有类似内容但有不同码率的码流间快速切换，进行运动补偿。能用较低的码流实现较高的图像质量，其关键技术就是对不同大小和形状的宏块进行分割，对高精度的亚像素进行补偿，并且增加了去块滤波器，对于水平方向和垂直方向的块边缘是否存在于环路中，起到至关重要的作用。

2.3 图像处理技术

分布式处理系统不仅通过H.264的分布式节点将先进可靠的图像编解器技术、多路信号切换技术、网络技术、电视墙拼接等技术，作为视频采集、画面分割、预案调用等业务的核心技术，可拼接整个屏幕为一个完整的显示区域，也可在屏幕上按照需求多窗口显示不同的信号源，并可根据显示方案分时段显示不同信息。

分布式处理系统输出节点支持对前端網络信号源的解码，实时切换输出及点播输出。图像处理系统主要应用多屏处理系统，该系统是将一个完整的图像划分成多个模块，这些模块再分配到不同的单元，多个显示单元协同合作，最终完成一个超大屏幕动态图像的拼接显示。系统通过最初的数模转换变成数字信号，全程采用数字化处理，保证信号无损。可实现信号源多种显示功能，如拼接、开窗、漫游、窗口重复叠加、窗口选择性的缩小或者放大等大屏显示功能。视频采用基于低压差分信号（LVDS）的接口技术，高清视频不经压缩处理，最大程度还原视频细节信息。支持无缝实时切换功能（图像切换间隔无黑场出现），实现高清信号的无缝切换效果，并且通过专用控制软件，用户可以将想要显示的图文信息、影像信息、录播视频、数据处理等信息同时切换显示。

2.4 IP 高清技术

高清IP监控需要占用更大的数据量，因此，对编码算法、编码芯片、网络承载质量、存储机制等有更高的要求。目前，采用最普遍的3种高清显示格式分别是720P（1280×720，逐行），1080i（1920×1080，隔行），1080P（1920×1080，逐行）。高清摄像机的覆盖场景非常广泛，包括一些密集型监控场所，如地铁的进出站口，扶梯的上下行口，安检通道等。由于高清摄像头的覆盖范围较广，导致边缘图像可能出现视频失真，因此，需对图像进行校正和分割处理。为了减少由于这一过程而产生的巨大的数据流，可以进行图像裁剪，实现对需求图像的传输。

高清摄像机成像的关键是互补金属氧化物半导体（CMOS）和电荷耦合元件（CCD）传感器，他们的主要区别是材料不同，前者在灵敏度及信噪处理上略差一些，不过，差距在逐渐减小。后者在图像灵敏度和抗干扰能力上要差一些。高清信号的传输占用带宽比较大，因此在选用场合上要综合考虑。安保中心本地摄像机数量较少，占用带宽较小;地铁站段上传图像在满足应急指挥的前提下，可以通过实时观看路数进行限制。

3 分布式处理系统技术优势

3.1 简洁易用的架构

分布式处理系统主要包含的硬件设备有输入节点、交换机和输出节点3部分。系统集成有分配器、传输器、矩阵、多屏处理器、融合器等功能，利用网络的便捷与自由度，节省了大量布线工作，最大程度地保证了系统的安全稳定运行。

3.2 人性化的操作

在每次切换前都可以对所切换视频进行预览确认，实时预览到所管理的视频源（信息源），同时具备检索定位功能，支持迅速场景预设，流程化设计，提高了切换过程的准确无误。

3.3 极高的安全性

基于网络的一种全新的系统构建方式，不但在传输上能够大大提高稳定性，而且对于安全性而言，由于网络链路冗余备份的特性，即使其中某一段发生问题，传输过程也不会产生影响。

3.4 超强的稳定性

分布式处理系统双服务器冗余实时运行，所有节点热插拔;整个系统的计算分散在各个节点中，任何一个节点的损坏或不正常只影响该路信号或该显示单元的显示，而不影响其他节点的稳定工作。

3.5 灵活的维护扩展性

每种输入信号类型的节点都可根据实际需要随时增加，也可随时增加显示墙、单个显示设备甚至投影融合应用，整个系统的扩展能力强，如果有单点故障，简单置换一个节点只需几秒钟即可解决故障，维护方便快捷。

4 系统应用

4.1 系统建设目标

安保中心为全力打造集“体系化、智能化、高效性、扁平化、标准化”为一体的公共交通行业防恐反恐、应急处突及日常管控指挥体系，实现“第一时间发现、第一时间掌控、第一时间处置”的总体目标，建设北京市轨道交通重要的音视频数据采集、存储、处理中心，实现以下几点应用目标。

（1）多方位调取轨道交通線路视频。在日常工作、会议和应急指挥中，各部门都可以通过分布式处理系统从数据机房调取经过整合的线路视频。

（2）视频显示共享。各部门所在会议室、指挥室、指挥大厅可通过分布式处理系统实现视频显示共享。

（3）异地汇报。各部门通过分布式处理系统显示远端计算机视频信号听取汇报情况。

（4）视频会议。通过分布式处理系统调取主会场视频会议视频信号，各个会议室可以同时成为分会场接收会议信息。

4.2 系统组成

安保中心分布式处理系统拓扑结构如图1所示，在单一网络平台上承载所有的多媒体信息，所有音视频、图形、图像资源、控制指令均以网络化传输，数据分散处理，达到负载均衡，具有网络化、模块化、分散构架、高拓展性等特点。

分布式处理系统主要由采集终端、信号输入节点、分散式处理控制系统、信号输出节点、显示终端、智能化管理控制系统组成。系统中硬件设备可灵活部署，只需网络联通即可实现扩容，并且能够在控制终端统一集中管控下协同工作。硬件设备通常是由一些独立的输入、输出图像处理节点构成的集群，在智能化管控系统的控制下，各节点间利用标准以太网交换机进行数据交换。通过分布式输入节点，对远端多区域内的视频信号源进行分布式编码，信号可以统一接入到显示终端。在显示系统上可以实现灵活切换调用、制定预案、信号点播等功能。分布式节点之间互相独立、互不干涉，保证了整个控制系统的稳定性和可靠性。同时，系统基于传输控制协议/网际协议（TCP/IP）网络，所有节点都通过网线连接交换机，用户可通过智能终端实时监控整个系统设备的状态、图像画面、音频音质。

4.3 安保中心配置

安保中心可视作北京市轨道交通安保工作的“大脑”，不仅要求有良好的“视野”、清晰的“听力”和强大的数据处理能力，更要有及时有效的信息反馈。安保中心建设大楼如图2所示，设有3间决策室、1间值班室和10余间信息平台及会商室用于日常运营和应急指挥决策，数据机房用于数据的整合、处理，指挥大厅可满足多岗位集中管理、协同工作的需要。

安保中心分布式处理系统共投入建设549个输入节点，150个输出节点，通过交换机接入专用网络。系统配置如图3所示。视频输入节点通过视频线缆与高清摄像机、PC等信号源连接，视频输出节点通过视频线缆与小间距LED显示系统、视频会议终端等连接;输入与输出节点之间通过网络线、交换机形成一套完整的输入输出视频处理系统。

4.3.1 指挥大厅

指挥大厅（图4）配置424台高清多媒体接口（HDMI）输入节点， 6台HDMI输出节点，1套输出节点箱供LED大屏使用。正对指挥大厅操作区安装1台主摄像机，同时配备1台移动部位摄像机做为辅助机位，完成会场全景及特写的图像采集任务。安装于大屏两侧及指挥大厅后墙的3台摄像机，完成对会场全景的摄录。

4.3.2 决策室（会议室）

决策室（图5）配置39台HDMI输入节点，36台HDMI输出节点，同时设计1套可视化触控操作端，部署在决策室的操作席。决策室内建设1套液晶拼接显示屏，可确保整个会议室人员观看高清晰度的视频图像和高分辨率的计算机内容，同时配置图像拼接处理器，实现视频图像及计算机内容整屏、分屏、跨屏及画中画等多种模式显示。各会议室配置与决策室一致。为实现场景的丰富化，正对决策室会议桌安装1台主摄像机，完成会场全景及特写的图像采集任务。安装于决策室两侧及后墙的3台摄像机，完成对会场全景的摄录，保证会场内无死角，有助于后期编辑应用。

4.3.3 值班室

值班室配置6台HDMI输入节点，14台HDMI输出节点。

4.3.4 信息平台及会商室

信息平台（图6）及各会商室（图7）共配置80台HDMI输入节点，94台HDMI输出节点。

5 结束语

分布式多媒体视讯信号处理系统利用先进成熟的云计算、大数据等技术，建设安保中心的大数据平台，整合并集成已有数据源，形成安保中心数据资源统一管理与应用，使安保中心管理提升到一个全新的高度，真正做到了数据信息化、信息自动化、管控电脑化、决策智能化;同时，为公安警务人员的情报分析、警务管理、安检监督以及车辆管控提供科学的支撑依据。

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收稿日期 2020-06-17

责任编辑 宗仁莉