地铁乘客资讯系统视频传输创新设计.doc

地铁乘客资讯系统视频传输创新设计摘要:主要介绍了在地铁列车站台及车厢内，实现乘客资讯系统的几种高清视频传输技术。并分析了几种视频传输技术的优缺点，提出了适合于地铁应用的基于模拟及数字传输视频技术,并获得了国内多条地铁线路的成功应用。 关键词:地铁；视频；vga信号；模拟传输；数字传输作为城市轨道交通建设重要组成部分的乘客资讯系统，可以持续地向乘客播放轨道交通列车到达预告、换乘信息、导向及时间等与乘车有关的信息，播放重要新闻、天气预报、娱乐、电视节目、广告等资讯信息，还可用来传递紧急救灾、安防反恐信息；在发生紧急情况时，可立即中断正常信息发布，并通过声音和图像报警的形式，提醒乘客紧急避险等数字媒体信息综合发布。国内已有很多条地铁线路中安装了乘客资讯系统。这套乘客资讯系统从上海地铁一、二号线建设之后，国内多条新建地铁线路已把这套系统归入最初的规划设计中，该系统主要分为车站和车载两个主要部分，本文主要介绍站台及车载乘客资讯系统中视频信号的传输设计与实现。一、 乘客资讯系统的传输总体结构针对地铁乘客资讯系统的要求，在系统设计时主要存在两种技术实现方式，一种是基于网络流媒体技术;一种是基于数字视频广播(digital video broadcast,简称dvb)技术。随着科学技术的发展，这两种技术也相互吸收对方的长处，不断扩展各自的应用领域。随着网络媒体技术的快速发展，基于网络流媒体技术在国内已应用于多条地铁中，已基本取代了数字视频广播技术。1.1网络流媒体技术：网络流媒体技术是伴随着现代计算机技术、网络技术发展起来的，随着网络速度和计算机运算能力地不断提高，使得远程实时播放视频文件成为可能。乘客简讯系统采用分布式全数字多媒体网络发布和演播技术，是一个由控制中心和车站/车载子系统构成的分布式全数字多媒体网络发布与管理平台。控制中心子系统是系统的核心平台和管理中心。控制中心与各车站子系统逻辑上是一个三层树型结构。第一层是控制中心；第二层是各车站的中继控制器，他们各自通过业主提供的光纤以太网与控制中心连接。第三层是站台媒体控制器和车载子系统。不同车站之间、站台不同行驶方向之间，以及站台与站厅之间所需向乘客显示的信息是不同的。系统采用集中控制方式运行，信源的采编在控制中心完成，车站及列车的媒体控制器(mc)主要负责信息的接收与播放。通过模拟及数字方式把媒体控制器输出的vga信号传送至站台及车厢内的液晶显示屏上。系统控制采用中心级、车站级与列车级3级构架：中心级主要完成全线信息的集中采编及播放控制，车站级主要完成自动从中心级接收本站及本站范围列车的信息并自动播放，列车级主要完成自动从中心级、车站级接收及播放多媒体信息并将列车内的视频监控图像上传到控制中心。乘客资讯系统的无线传输部分主要由设于轨旁的无线接入点（ap）、安装于列车上的车载天线、车载无线接收设备、设于控制中心的无线局域网网络管理设备组成。有线传输部分主要由光纤收发器、光纤、交换机等构成，轨道沿线各ap点通过光纤收发器接入至车站局域网交换机，系统简单构成如图1所示。 图1在车载乘客资讯系统中，车载媒体控制器通过无线以太网从站台服务器实时下载视频文件、播表、导乘信息，列车的不同运营方向下载不同的导乘信号，用于提示乘客到站信息，同时即时更新紧急及特发事件信息。经过软件对上述信息进行合成，再通过媒体控制器的图形显示卡以vga方式输出，经过vga信号传输设备送至车厢内的终端显示屏上。另外列车内的监控图像画面是利用乘客信息显示系统的车-地间的信息双向传输，实现对列车的实时视频监控，将列车驾驶室及车厢内的监控画面实时传送到控制中心，便于控制中心有关人员及时了解车厢内的乘客流量状况和治安状况，提高运营管理水平及安全管理能力。系统还具备录像功能，便于有关人员在车内发生重大事件时调看当时的现场录像。英国地铁爆炸案成功告破，电视监控和多媒体技术功不可没。在站台乘客资讯系统中，由二台媒体控制器负责列车的上行及下行的资讯的发布，二台媒体控制器与车站交换机通讯，车站交换机通过光纤以太网或无线以太网与控制中心主服务器通讯，及时发布各种资讯。二台媒体控制器输出的vga信号通过vga信号视频传输设备送至站台内的大屏幕显示屏上。采用这一技术方案好处在于:一是系统可控性强，可以根据不同列车、不同的运营方向（上行，下行）来播放不同的节目、运营信息；二是可以充分利用已建好的地铁内的计算机系统及通讯系统。但是在系统设计时无线以太网传输技术水平还比较低，数据信息量少，更新效率较低，接收到的视频图像数据还达不到实时播放的效果。因此控制中心至站台交换机采用现有的光纤，站台交换机与车载媒体控制器采用无线网络（ap）。但随着无线以太网传输技术的发展，无线以太网的传输速度已能满足旅客资讯系统的要求。此方案已在国内很多条线路中成功应该，也是今后重点发展的技术。国内上海地铁、广州地铁、北京地铁、深圳地铁、重庆轻轨、天津地铁、南京地铁等不同程度地开通或设计了该系统，其他城市也都考虑上此系统。1.2数字电视广播技术数字视频地面广播(digital video broadcasting-terrestrial,dvb-t)是dvb一系列标准中较新的一个标准，用于地面开路数字电视系统，采用国际标准的mpeg-2编码，cofdm(编码正交频分复用)调制方式。在采用该技术的系统中，地铁列车在运行过程中连续不间断地接收到由泄漏电缆或地面发射基站发射的实时信号，通过数字机顶盒进行解码，并转换为模拟复合视频和音频信号，再经过视音频分配器输出到终端显示屏上。采用这一技术方式好处在于:一是系统实时视频节目播放质量高，新闻时效性高，娱乐性强;二是可利用己建好的地铁光纤网络和隧道信号泄漏系统。但是由于dvb-t是广播方式发送信号的，虽可以通过加扰器和ca(身份认证)卡做到针对某列车发送定制信息，但信息量小，且需要通过电视台发送，所以无法做到地铁运营信息、紧急状态信息等实时远程播控。另外硬件平台和软件系统往往具有丰富而复杂的视频编辑功能，是面向电视（包括网络电视）广播系统操作员的软硬件环境，很难适应乘客资讯系统无人值守并且自动不间断运行的要求；在视频广播方案中也可以选择在每个车站设置一个“小电视台”，然而数十个“车站电视台”在系统集中运营、管理和维护方面将带来难以控制的复杂性和整个系统的在稳定可靠性方面的难以控制的隐患。数字电视广播系统难以适应未来无缝整合列车车载资讯系统的可扩展性要求。二、 站台视频信号的传输技术以下我们讨论站台上行媒体控制器和下行媒体控制器至站台内的大屏幕显示屏的视频信号传输技术：用于站台乘客资讯系统发布的上行媒体控制器和下行媒体控制器设置在站台中心机房内，与站厅内的大屏幕显示屏之间的距离最远的在300米，最近的也要在50米左右。要把媒体控制器输出的vga信号和音频信号传输到每块显示屏上，就需要采用专用的视频传输设备才能传输这么长的距离。通常采用模拟传输的方式，随着视频传输技术的发展以及对图像质量的高清要求，又出现了数字传输的方式。以下对这些传输技术作介绍。2.1 vga信号模拟传输技术2.1.1 vga信号模拟传输原理vga信号传输器是一款vga信号长距离传输的设备，传输介质为cat5网线。由vga信号发送器和vga信号接收器组成，传输距离由vga信号接收器决定,分为150米接收、300米二种，以适应不同传输距离。长距离接收器可以向下兼容短距离的设备。vga信号传输器是专为大屏幕显示工程、工业自动化控制、医疗设备、安防监控、多媒体教学等显示系统工程中高质量视频信号长距离传输的需求而专业设计的。它集成了vga信号转换、分配、驱动、接收和还原功能为一身的信号传输系统。它将vga信号通过非屏蔽五类网线上平衡传输，以增强对共模噪声及干扰信号的抑制，利用cat5网线作为vga信号传输电缆，可以大幅度地节约线材成本并简化了工程布线。vga信号传输器采用专利技术将h和v信号编码至rgb信号上加重处理后发送，仅利用cat5网线电缆的三对双绞线完成vga、svga、sxga、xga、sxga的rgbhv信号的平衡编解码，并采用远距离高频补偿加重处理，带宽高达350mhz。高品质的图像以满足大型工程投影机、显示器、tft-lcd tv、pdp信号传输的需要。由于整个传输系统采用了加权零值拆分的平衡传输的专利技术，因此cat5网线在传输信号时不会对外造成emi的干扰。 此外，多出的一对双绞线可以传输音频信号。 传输原理如图2：图2应用： 地铁乘客资讯系统视频传输 液晶广告机、液晶电视广告机、楼宇液晶电视 等离子显示广告工程 大屏幕lcd幕墙显示工程 工业自动化控制系统 医疗显示系统 银行、证券、金融显示系统 国防军事演习显示系统 安防监控显示系统 多媒体网络教室显示系统 长距离kvm延长切换器 2.1.2 站台vga信号模拟传输示意图地铁站台乘客资讯系统视频传输分为上行乘客资讯显示系统和下行乘客资讯显示系统二个部分组成，所显示的资讯内容各不相同，上行和下行分别由上行媒体控制器和下行媒体控制器发布资讯信息。媒体控制器通过车站交换机以光纤方式与控制中心组网。上行和下行媒体控制器输出的vga信号通过vga信号传输器送至站厅内的多台显示屏上。其结构示意图如图3： 上行与下行的传输示意图相同 图3 说明：此示意图中没有rs232控制部分，在后面单独介绍。2.1.3 站台vga信号模拟传输设备 站台vga信号传输器由多台vga信号发送器和vga信号接收器组成。其中vga信号发送器可以根据接收器的数量选择。vga信号发送器不分传输距离长短。具体型号为：八路vga信号发送器(zy-vgat8-rs232)和四路vga信号发送器(zy-vgat4-rs232)。vga信号接收器有150米接收器（zy-vgar2-rs232）和300米接收器（zy-vgar3-rs232）。由于站台大厅内的显示屏至站台中心机房的距离各不相同，在vga信号传输设备的选择时可以根据传输距离的长短来选择150米接收器或300米接收器。传输距离可以向下兼容。以下分别介绍vga信号发送器和vga信号接收器。 vga信号八路发送器（zy-vgat8-rs232）vga信号发送器有四路和八路二款型号，其各技术参数相同。vga信号发送器产品如图4图41、接线示意总图5图52、cat5网线输出接口图6：图6说明：1-8路输出口完全相同，可以互换使用，输出口的使用数量不受限制。由vga信号输入的r、g、b三色信号经内部电路转换为差分信号通过此接口输出，在远端可使用我公司的其它型号的vga信号接收器与之配套使用，组成vga信号传输系统。与我公司的其它vga信号传输设备完全兼容。水晶头中的4#、5# 线用于传输音频信号。水晶头的排线顺序为：白绿/绿/白橙/蓝/白蓝/橙/白棕/棕 3、vga信号、音频信号输入输出接口如图7：图74、rs232输入、rs485输出显示屏控制部分如图8：图 vga信号接收器（zy-vgar-rs232） vga信号接收器有150米和300米二款，其各项技术参数相同。1、外观如图9、图10图9图102、接口定义及接口电气要求如图11、图12图11图122.1.4 站台大屏幕显示屏的控制技术 站台大屏幕显示屏的控制技术就是通过上行媒体播放器或下行媒体播放器中的控制软件经rs232串口与显示屏的rs232串口通讯，对显示屏进行各种显示参数进行调整以及对显示屏进行远程定时开关机，显示屏厂家提供此软件。由于vga信号发送器和接收器都已集成了rs232接口，因此在对站台大屏幕显示屏控制上这需增加一对双绞线电缆，即能完成对显示屏的控制。 示意图如图13：图13rs232转rs485部分：vga信号发送器内部集成了一组rs232转rs485组件，可同时输出八路rs485接口信号，供远端的八台vga信号接收器使用。vga接收器内部集成了二组rs485转rs232组件，输出接口兼容eia/tia的rs232c、rs485/rs422标准。能够将平衡的rs485信号转换为单端的rs232信号。rs232接口通过一个db9母头接口与等离子电视串口相连。由于rs485支持两线半双工，也就是说rs485仅有一对差分线路既要发送数据也要接收数据。通常制订合适的通信协议，通过串口modem控制信号rts去控制数据发送/接收方向。vga信号接收器内部电路能够自动感知数据流方向，并且自动切换发送/接收使能控制。因此可以方便的组成一个rs485网络，软件不需要编写复杂的不断调整的rts信号去控制发送/接收方向。这种rs485使能控制是透明的。不需要对以前的基于rs232的连接方式的软件作何改动，由于采用rs485进行平衡传输，因此传输距离远、速率高、性能稳定等特性。采用的rs232、rs485接口是自适应接口无需做硬件或软件设置。2.1.5 站台内的安装与调试（模拟）1、 vga信号发送器采用标准机架式1u机箱，因此安装方便，美观。vga信号发送器无需调试。2、 vga信号接收器底部设置了二个t形安装小件，方便了安装。可安装于显示屏的安装支架上，也可以安装于天花板内的任何结构件上。vga信号接收器需根据传输距离对亮度和对比度进行调整，使图像显示最好。2.1.6 站台vga信号模拟传输成功案例上海轨道交通六号线站台上海轨道交通八号线站台上海轨道交通九号线站台天津地铁一号线站台重庆轻轨二号线站台北京地铁四号线站台上海轨道交通二号线延伸线站台2.2 vga信号数字传输技术2.2.1 vga信号数字传输原理vga信号数字传输系统是基于ip网络实现vga信号的采集编码、传输、解码显示。通过vga信号数字发送器（音视频信号数字编码器）以高质量的编码方式将视频信号、音频信号通过宽带网络传输至vga信号数字接收器（音视频信号数字解码器），然后由vga信号数字接收器将媒体信息转换成电视机的音视频信号播出或vga信号和音频信号输出供显示器显示。这种播出方式对于广告的播放及信息的传播是极为理想的，不仅可以集中和远程管理， 还可以随时更新广告内容、以高频率无干扰的方式播出广告，使顾客及时了解到产品信息的最新趋势， 而且可以随时插播天气预报和各种文字信息，成本大大低于传统的（电视、报纸、电台）广告媒体。系统支持 mpeg 等播放标准，网络传输支持 http 、ftp等国际标准协议， 由于vga信号和音频信号的编码数字流大，目前这能适用于局域网内完全传输，随着压缩技术的提高，近期内能满足互联网上宽带传输的需求。 vga信号数字传输系统采用高性能dsp处理器，支持vga信号的分辨率达1024*76860hz，编码解码输入输出帧率25帧，带宽占用1024k左右。 2.2.2 站台vga信号数字传输示意图14图14注：图中的交换机可以多台级联，一台vga信号数字发送器可以带20台vga信号数字接收器。2.2.3 站台vga信号数字传输设备 vga信号数字传输设备由一台vga信号数字发送器（音视频信号数字编码器）和一台至多台vga信号数字接收器（音视频信号数字解码器）组成。其中多媒体视频和音频信号由上行或下行媒体控制器产生信号源，传输至vga信号数字发送器，经过vga信号数字发送器编码，经网线或光纤传输至vga信号数字接收器（需加交换机或光纤收发器）。由vga信号数字接收器输出至显示屏或液晶电视机。压缩和解压缩主板如图15图151、 vga信号数字发送器：vga信号数字发送器也叫音视频信号数字编码器，它是将输入的cvbs（复合视频信号）或vga信号（rgb信号）进行数字编码，同时进行数字压缩（mpeg4压缩）形成一音视频数字码流，通过局域网或广域网形式进行远距离传输，结构示意如图16。 图162、 vga信号数字接收器：vga信号数字接收器也叫音视频信号数字解码器。它是接收网络上的流媒体数字信号。把流媒体数字信号解码成视频信号和音频信号输出，其输出设备可分二种类型。a 、音视频直接输出型：vga信号数字接收器接收由vga信号数字发送器传输来的数据流信号，经解压缩后直接输出的视频复合信号（cvbs）、vga信号（1024*76860hz）、音频立体信号，这些信号直接供显示设备显示，vga信号数字接收器置于显示设备的附近，或采用音视频分配器供多台显示设备使用，其缺点是：vga信号数字接收器与显示设备的距离短，不适合大范围内多显示设备的使用。如果显示设备比较分散就需要多台vga信号数字接收器，使用成本高。一些特殊场所使用不方便（如列车内的视频传输如果采用视频电缆容易产生干扰等）。示意图如图17：图17b、双绞线输出型： vga信号双绞线输出型：它是用一根五类网线cat5传输vga信号和音频信号，它集vga信号转换、分配、驱动、接收和还原功能为一身的信号传输系统。它可以将vga信号通过非屏蔽五类网线上平衡传输，以增强对共模噪声及干扰信号的抑制，采用专利技术将h和v信号编码至rgb信号上加重处理后发送，仅利用cat-5电缆的三对双绞线完成vga、svga、sxga、xga、sxga的rgbhv信号的平衡传输，并采用远距离高频补偿加重处理，带宽高达350mhz。多出的一对双绞线可以传输音频信号。配合vga信号接收器最远可传输300米的距离，它适合于大范围内的视频音频信号的长距离传输，同时图像质量高，可节约vga电缆成本和显示设备的成本，结构示意图18。图18应用示意如图19：图192.2.4 站台大屏幕显示屏的控制技术 站台大屏幕显示屏的控制可以方便地使用vga信号数字接收器的rs232串口进行远程控制。配以相应的显示屏的厂家软件就能很方便的实现对显示屏的控制。2.3 hdmi数字信号传输技术 hdmi是新一代的多媒体接口标准，全称是high-definition multimedia interface，中文意思为高清晰多媒体接口，该标准由索尼、日立、松下、飞利浦、东芝、silicon image、thomson (rca)等7家公司在2002年4月开始发起的。其产生是为了取代传统的dvd碟机、电视及其它视频输出设备的已有接口，统一并简化用户终端接线，并提供更高带宽的数据传输速度和数字化无损传送音视频信号。 传统的av复合和色差接口都需要独立分开音频和视频数据线来传输信号，同为数字接口的dvi接口则并不支持音频传输，目前唯有hdmi具备了在一条数据线上同时传送影音信号的能力，因此人们也习惯把hdmi称为高清一线通。由于hdmi带宽达到340m，其速率达到10.2gbps，专用的hdmi电缆传输距离最长为10米，最新国外推出一款采用cat5网线传输hdmi信号的传输设备，传输距离最远达到50米，而且还需要高质量带屏蔽的网线。如果要用到站台hdmi信号的传输，必须采用接联的传输方式，才能满足长距离传输，目前国内市场也有hdmi光纤传输器，但此设备的价格每对在一万多元，这两种hdmi传输设备的成本很高，实际应用的性价比及低。由于在地铁乘客资讯系统中，目前从控制中心到每个站台的传输采用流媒体传输方式，图像质量一般在800*60060hz或1024*76860hz之间。另外摄录过程中的图像也没真正达到高清的画质。如果采用hdmi传输，在显示屏上并不能显示出很高质量的图像。所以hdmi传输用于地铁乘客资讯系统的视频传输还需等待时日。由于hdmi兼容dvi，dvi这包含视频信号，没有音频信号，在应用中需另外考虑音频传输设备。因此在设计乘客资讯系统时不考虑使用dvi方式。三、 车厢视频信号传输技术以下介绍车厢内车载媒体控制器至显示屏的音视频信号的传输技术：3.1 vga信号模拟传输技术3.1.1 vga信号模拟传输原理 vga信号模拟传输原理和上面介绍的站台vga信号模拟传输相同。3.1.2 vga信号模拟传输设备 车厢用vga信号模拟传输由vga信号发送器和多台vga信号接收发送器组成。车载媒体播放器一般安装于列车驾驶室，vga信号发送器安装于车载媒体播放器处，vga信号接收发送器分别安装于每节车厢内（中部），vga信号接收发送器之间采用级联传输方式，由一根超五类网线从驾驶室至列车的另一端。这根超五类网线完成vga信号和音频信号的传输。每节车厢内的vga信号接收发送器输出的vga信号可通过vga电缆直接送到显示屏上，也可以增加一套网线传输设备，通过超五类网线送至显示屏内的vga信号接收板上。应用系统图如图20：图20车厢内的应用示意图如图21车厢内接线示意图图21车厢内产品外型如图22图223.1.3 vga信号模拟传输车载应用成功案例上海轨道交通二号线上海轨道交通三号线广州地铁四号线广州地铁五号线重庆轻轨二号线天津地铁一号线北京地铁五号线3.2 vga信号数字传输技术3.2.1 vga信号数字传输原理vga信号数字传输原理已在上面进行了介绍，此款系统是专为列车乘客资讯系统而开发的。列车内只需一根cat5网线或无线网络设备（100m）就能完成乘客资讯发布及车厢内视频监控的视频信号传输。也就是在车厢内构建一个局域网，所有vga信号数字传输设备和网络视频服务器都与此局域网络相联，资讯系统和监控系统各自有自己的网段，相互不干扰。传输的vga信号分辨率达到1024*76860hz。完全达到了高清图像的水平，随着压缩算法的不断提高，分辨率能做到更高，完全能满足车载乘客资讯系统的要求。传输的视频摄像机信号能达到标清的标准。另外也可以采用无线局域网的方式，方便运营列车的安装。3.2.2 vga信号数字传输设备在列车上的应用一列车载系统由一台媒体控制器、一台vga信号数字发送器、六台或八台vga信号数字接收器组成（六节或八节编组）。如果用于大铁路中的vga信号的传输时，vga信号数字接收器需要16台。这此设备由一根cat5网线（屏蔽）相联。组成一个车载局域网。同时此局域网也能提供车载监控系统的网络视频服务器使用，完成车载监控系统视频信号的传输（在此不作介绍）。应用示意图如图23：图23vga信号数字接收器有二种输出类型，在以上已有介绍，在车厢内的使用可以根据实际情况进行选择。为了方便车厢内的安装方便，建议采用网线输出型的，vga信号数字接收器直