HD-SDI系统在轨道交通中的应用
应用背景轨道交通，作为城市交通的一个重要工具，目前已经成为了一个重要的承载工具，为城市的发展注入了更大的活力。
轨道交通系统在管理中有其典型的特点，如涉及的区域广、站点数量较多；人流集中，相对固定的进出模式；涉及到运营、调度、防灾、治安等多个重要相关系统进行管理。其主要监控区域包括进出站口、站点人员汇集区(购票、安检、刷卡进出口等)、站台汇集区，站点的重要位置(例如机房、设备间等)也需要规划到监控区域中。各站点的图像，涉及到多个系统、多个部门图像公用；在控制中心，涉及到线路的行车、电力、防灾调度员，以及总调度等，均需要实时视频作为第一手参考资料。
因此，轨道交通对监控系统的要求，已经不再仅仅是要求”看到”，而是要”看清”。标清系统所能提供的画面清晰度，已经开始出现升级瓶颈，这也是城市轨道交通系统建设中需要考虑到一个重要因素。
前端图像采集
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轨道交通监控对前段前端设备要求比较高，分辨率均要求达到100万像素(720P)或者200万像素(1080P)的摄像机。目前在高清视频应用中常见的有基于色差分量等方式的模拟高清、基于HDMI/DVI等接口传输的数字高清、基于以太网进行传输的数字高清、以及在广播视频领域已经成熟应用的基于SDI接口的数字高清的应用。综合来看，前面两种方式由于传输距离受到传输介质以及对信道的要求，其传输距离仅能满足临近设备之间的连接和传输，不适宜应用于安防视频系统。
基于以太网的高清视频具备了较好的灵活性，已经在标清视频应用中绽放出光彩，但在超过百万像素的应用中，由于视频压缩技术的限制，目前还无法将视频的码流压缩到比较低的一个范畴。以一个200万像素的活动视频图像为例，其视频码率要求的应用经验为6～8Mbps，甚至更高。而随着分辨率增大带来的问题并不只是简单的码流数量叠加，编码过程中由关键帧带来的突发数据对传输网络的冲击更大，在大量前端点同时运行的系统中，要完全控制突发数据带来的影响几乎无法实现；由于数据量的增大，单帧数据的分组数增加，在出现丢包的可能性增大；另外，基于以太网的高清视频的各厂家兼容问题还没有得到比较完善的实际互换方案。
SDI(Serial Digital Input,串行数字接口) 是 ITU-R BT.656 以及SMPTE(动图像和电视工程师协会)提出的串行链路标准，通过75 欧姆同轴电缆来传输未压缩的数字视频。在专业演播室的广泛应用，为高清视频传输提供了另外一条道路。
SDI接口现今已经有SMPTE 259M(SD-SDI,数据率270 Mbps)、SMPTE 292M(HD-SDI, 数据率1.485Gbps)、SMPTE 424M(3G-SDI,数据率达到2.97 Gbps)等几个标准。采用 SDI接口的系统中，没有引入压缩以及解压缩的过程，传输过程中也不需要考虑图像时间冗余度，因此，无需进行视频帧的缓冲，视频可以实时传送；摄像机传感器的信号能够经过SDI接口，无任何损失的直接到达显示单元。
与网络数字高清比较起来，基于SDI接口的高清视频系统主要具备以下几个优点：
● 不失真的可靠度——以未经压缩的数字资料在同轴电缆上或者光纤上传输，不会失真;HDcctv所提供的未压缩过的高清图像，可提供智能监控所需的最佳高清图像来源。另外，SDI接口即使外延也不会带来如同数字摄像机一般的网络外延问题，中心系统与前端系统是完全隔离的，不可能经过SDI接口产生网络入侵，安全性较网络系统更高。此外，由于视频是实时传送，不会出现类似网络系统一般的视频中断或者延迟带来的视频依旧显示为原来状况，避免带来错误的信息。
●高清等级的实时图像——在传输过程中没有产生压缩与封包化的动作，无需像数字系统一样，需要进行帧的缓冲才开始编码和解码；使得HDCCTV系统的图像不会产生图像延迟问题，可以与模拟系统的反应时间进行媲美，在要求实时监控的场合具有网络高清系统无法企及的优势。
●系统安装方便——类似于传统模拟CCTV系统，在允许的距离内，更换摄像机和后端设备可以使用已有的同轴电缆线，直接从模拟升级到FullHD的分辨率。比起转换到IP网络监控，经销商/工程商不需再做额外的升级和学习复杂的网络知识；基于SDI传输系统，还可以实现音频嵌入/解嵌，并可支持数据传输，现场使用方便。
系统结构概述
车站部分系统结构
针对发展中的轨道交通应用，综合了一些应用中的特点，其主要使用用户包括有：在车站控制室、在线路控制中心、治安管理系统中的用户等。其中车站包括车站治安警务室、车站防灾等值班员均需要查看视频；提供视频图像可进行电视墙显示；在线路控制中心的主要用途包括行车、电力、环控、防灾等各子系统调度员，以及控制中心的大屏显示，并可提供录像回放；作为治安系统的重点关注单位，轨道交通系统的各站点图像应该按照需要接入到派出所或者分局，满足对重大事件的联合应急处置的需要。
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在车站级的一个典型系统结构图1所示。
车站系统主要完成对本车站管辖范围内的视频信号的摄取、图像显示和存储。按照车站的前端设置以及图像应用需求，车站的主要功能包含前端视频接入、视频传输、视频分配、高清视频切换矩阵、图像上传、以及本地监控几个部分构成。
前端摄像机对摄像机感光器件直接输出的原始数据，根据实际距离的情况，经75欧姆电缆或者光端机等进行传输，SDI光端机、视频分配器、SDI高清视频矩阵均内置线路均衡电路，将经过线缆传输的高速视频信号进行调理整形，整个过程可确保感光器件输出的图像数据实时进入后端，并到达切换矩阵进行应用控制，最终到达监视器。在整个光端机传输、信号分配、高清视频矩阵切换控制、联网视频传输等过程中均采用高速串行数字信号进行传输，在传输、交换过程中均不会带来任何图像损伤。
整个过程一直采用高速数字信号，可以确保在采集、传输、处理一直到输出给显示设备，均不存在任何的视频压缩，可以确保信号无损失的直达显示单元，图像的清晰度不会受到切换或者传输的影响。采用这种方式，确保了图像的品质得到保障，避免了由于采用图像压缩带来的细节损失，并且可以良好的保证图像的实时性。
采用该方式构建的系统，由于SDI接口具备相应的标准，因此，在传输、分配、显示过程中都可以采用标准测试设备进行实际测试，或者可直接采用具备SDI接口的监视器进行视频查看，判定安装使用过程中可能出现的问题。
在经SDI光端机进入机房后，采用视频分配器将信号分为多路，一组给SDI矩阵使用，用于本地显示以及实时上传到上级治安系统(如派出所等)；另一组直接传输给SDI编码器，进行视频图像编码，再经由交换网络，提供给后端平台进行本地存储或者远程访问使用。鉴于高清视频的码流较大，各站宜划分子网，以屏蔽广播数据包等无用数据。
此外，在每个车站的上、下行站台列车驾驶室停车位置的一端，各需设置1台监视器，接收本侧站台高清摄像机的合成画面供司机观看乘客上下车情况。将站台摄像机就近采用视频分配器1分为2，一路采用画面处理器进行视频分隔处理，将组合后的视频送入站台监视器以两画面模式实时显示当前站台图像情况，另一路传输到站点机房或设备间。
车站本地视频调用
站点本地的视频应用主要包括车站治安管理使用和车站控制室使用两个用途。
根据治安管理的需要，在各车站通常设置有警务室或者派出所，负责及时处理站点上的紧急事务并维护车站治安。在本系统中，我们设置了警务室可直接接收高清视频矩阵的SDI输出，并可根据需要，采用画面处理器进行画面组合，可以以单画面或者4画面模式查看。同时，考虑到警务系统的更高权限需要，在警务室值班员可同时配置一台公安视频终端，可操作本地高清视频矩阵切换及控制或者录像回放，允许使用相应的用户名和密码登陆到系统进行相关操作。
在车站控制室，同样设置多台监视器进行显示。车站控制室的值班员(如行车值班员、防灾值班员等)配置综合视频终端(将视频部分融入ISCS系统等)，允许使用相应的用户名和密码登陆到系统进行相关操作，包括操作本地高清视频矩阵切换及控制。
图像存储设备
类似于常规模拟系统，SDI系统也可以简单的采用DVR方式进行存储，提供长时间的录像存储功能，经过SDI接口DVR进行编码后，也可经过网络方式提供视频给后台应用。使用DVR进行存储仍不失为一种较为经济的解决方案。考虑到DVR的系统的文件可靠性问题，系统也可以采用SDI编码器组进行数字化，将采用IP SAN进行录像存储，提供更高的写入性能和文件可靠性，造价略高。
图像存储可由视频部分的软件来进行管理并提供多用户访问等应用。
显示方式与上传
系统中的显示设备(包括控制中心、各车站、派出所、分局等)至高清解码器之间的图像信息传送可采用多种方式，可采用SDI接口，也可以采用HDMI接口，以适应多种显示设备。
除了这种方式以外，由于在车站一级，已经采用DVR或者编码器进行图像编码，也可以考虑经过数字解码器输出上墙，以实现包括巡视、多画面等等应用功能。
每个站点的SDI高清视频矩阵可支持多路视频上传，并接受联网的控制信号。这个联网方式接近模拟视频矩阵方式，可同时上传多路SDI高清视频图像到派出所。采用SDI光端机，可在一芯光线上完成1～8路视频的上传以进行联网。
上级系统结构
站点级系统的主要任务是完成本地的管理，包括图像查看部分和控制部分均局限与本站点图像。对于治安系统的派出所、分局，一级，或者线路的控制中心，需要查看多站点图像，对多个站点图像均需要进行统一查看和控制。其结构可按照图2方式构建。
对于上级系统，其结构相对简单，由于不涉及图像直接接入，仅采用下级上传视频，同时录像工作也已经在站点完成，因此，上级设置矩阵，通过光端机接入下级图像，采用矩阵联网方式实现图像查看。
此外，通过网络方式也可接入前端的数字图像，通过部署相应的客户端，可实现对前端图像的查看和控制以及录像回放。其结构与车站系统类似，不再赘述。
与其他系统的接口
根据轨道交通系统的应用现状，本设计构建的系统包含了高清SDI实时视频图像系统，以及数字高清视频应用系统，两个系统都需要完成图像的观看。因此，势必涉及到如何设计视频监控系统部分的总体结构问题。
在轨道交通系统中，ISCS系统由于其结构的灵活性，本身可以肩负着管理所有轨道系统包括行车等重大系统的任务，因此，系统的结构上可采用建立单独视频管理系统的方式，在ISCS系统中对视频管理系统进行接入整合的方式，以纳入一体化管理。
本方案中所采用的矩阵切换控制、控制码分配器等设备，均具备相应的RS232/RS422接口或者以太网接口。其控制指令、协议、Demo控制程序等信息均可以统一提交以便进行更进一步的系统集成。INFINOVA的SDI矩阵也吸收了原有ARM矩阵系列的以太网联网方式，用户可以直接将其视为一台矩阵，根据唯一编号ID进行调用。
结束语
采用该方式构建的系统，实时图像的品质得到保障，避免了由于采用图像压缩带来的细节损失，并且可以在使用中保证图像的实时性。在后台可以借助于视频管理软件平台，实现对经DVR或者编码器进行编码的数字视频部分进行更方便的应用。HDCCTV系统在保障了实时性的基础上，提供了高清图像的另外一种实现方式。系统秉承了模拟系统的通用性良好、安装便捷的特性，在网络高清面前，也具备自身的独特优势。
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