基于光纤网络的高清数字视频监控装置及监控方法
【专利摘要】本发明公开了基于光纤网络的高清数字视频监控装置及方法，包括光接入子系统、解码子系统、高速交换子系统和输出系统，前端摄像仪通过光纤连接光接入子系统，所述解码子系统的输入端连接光接入子系统的第一输出端，解码子系统的输出端连接高速交换子系统的第一输入端，所述光接入子系统的第二输出端连接高速交换子系统的第二输入端,所述高速交换子系统输出端连接输出系统，前端摄像机采用EPON摄像机、光纤自愈环网摄像机和光纤HD-SDI摄像机。摄像机通过光纤直接接入到“VAR3S数字视频综合管理平台”（以下简称VAR3S），由VAR3S进行统一的解码、实时上墙及联网上传。
【专利说明】基于光纤网络的高清数字视频监控装置及监控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数据通信领域的光纤数据传输技术和视频监控领域的摄像机技术，尤其涉及基于光纤网络的高清数字视频监控装置及监控方法。
【背景技术】
[0002]随着宽带业务的不断发展，现有的城域网、接入网的容量不足。对于运营商而言，最根本和实际有效的办法是对城域网和接入网扩容。
[0003]光纤网络在这方面具有非常明显的优势: (1)容量大:光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8--9个数量级，故所开发的容量大；
⑵衰减小:光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆每公里衰减要低一个数量级以上；
⑶体小量轻:有利于施工和运输；
(4)防干扰性能好:光纤不受强电干扰、电气信号干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好；
(5)节约有色金属:一般通信电缆要耗用大量的铜、铅或铝等有色金属。光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属。
[0004](6)扩容便捷:一条带宽为2Mbps的标准光纤专线很容易就可以升级到4M、10M、20MU00M甚至G带宽。
[0005](7)上下行对称:光纤介质区别于传统ADSL的电话线缆介质的下行大上行小的弊端，能够实现上下行对称。
[0006]因此对现有的网络大规模的升级成光纤网络是势在必行的事。视频监控网络作为网络的一种应用方式，势必也要发生改变。若还是采用传统的接口，则要不断地增加中间的转接设备，使得整个系统越来越庞大复杂，不利于图像的传输及最终的质量。中国专利ZL200720106007.7公开了数字视频综合多业务传输交换平台，其无法支持高清无压缩，无阻塞实时传输；无法支持标高清混合输入，不支持IPC接入及无法实现设备拓扑自我组网。
【发明内容】
[0007]针对解决上述缺陷，本发明提出基于光纤网络的高清数字视频监控装置及监控方法，本系统代替了传统的光端机+视频分配器+模拟矩阵+编解码器+视频综合管理软件+光端机网管软件等众多的设备，简化了系统，增强了系统的性能指标和系统的可维护性。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下:
基于光纤网络的高清数字视频监控装置，包括光接入子系统、解码子系统、高速交换子系统和输出系统，前端摄像仪通过光纤连接光接入子系统，所述解码子系统的输入端连接光接入子系统的第一输出端，解码子系统的输出端连接高速交换子系统的第一输入端，所述光接入子系统的第二输出端连接高速交换子系统的第二输入端，所述高速交换子系统输出端连接输出系统。
[0009]进一步的，所述输出系统包括大屏控制系统和联网子系统，所述大屏控制系统为将视频信号进行直接显示，所述联网子系统用于串接另一个基于光纤网络的高清数字视频监控装置的光接入子系统的输入端。
[0010]进一步的，所述光接入子系统包括IPC接入卡，所述IPC接入卡设有16通道的SFP光输入，所述IPC接入卡设有FPGA，该FPGA实现对16通道的SFP光输入的解析，如为解析到SDI信号则将SDI信号传输至高速交换子系统，如为IPC信号，则将其通过RM II接口芯片汇聚成I路千兆网络输出。
[0011]进一步的，所述视频监控装置还设置有ID信息，所述ID信息包括该视频监控装置设备的识别信息，当所述视频监控装置串接联网时，可利用该ID信息进行构建视频监控系统的设备拓扑。
[0012]基于光纤网络的高清数字视频监控方法，包括如下步骤:
前置摄像仪为IP+SDI摄像仪时，摄像仪的传感器采集到视频数据，通过内置的FPGA对该视频数据做图像处理，然后经过H.264编码模块交给IP编码模块，从而输出百兆网络数据，该数据返回给FPGA，在FPGA内部将其与SDI信号一起编码，视频监控装置接收到数据后，由FPGA解析数据，解析出的SDI数据直接去高速交换子系统交换和环通SDI输出，解析出的H.264IP数据则利用解码子系统进行解码，然后进高速交换子系统交换输出到一个RJ45千兆口。
[0013]基于光纤网络的高清数字视频监控方法，包括如下步骤:前置摄像仪为IP摄像仪时，摄像仪的传感器采集到视频数据以后，由FPGA对数据做图像处理，然后经过H.264编码模块交给IP编码模块，从而输出百兆网络数据，在视频监控装置接收到数据后接收到IP网络数据后，通过解码子系统解码IP，同时可环通一路百兆输出，然后通过H.264解码模块成为非压缩数据，最后通过FPGA作相关处理后发送至高速交换子系统做交换和环通SDI输出。
[0014]基于光纤网络的高清数字视频监控方法，包括如下步骤:前置摄像仪为SDI摄像仪时，摄像仪的传感器采集到视频数据以后，由FPGA对数据做图像处理，然后直接将并行数据交给SDI编码模块产生SDI串行数据，在视频监控装置接收到SDI数据后，交给SDI解码模块，然后通过FPGA作相关处理后发送至高速交换子系统做交换和环通SDI输出。
[0015]本发明的有益效果在于:前端摄像机采用EPON摄像机、光纤自愈环网摄像机和光纤HD-SDI摄像机。摄像机通过光纤直接接入到“VAR3S数字视频综合管理平台”(以下简称VAR3S)，由VAR3S进行统一的解码、实时上墙及联网上传。摄像机的接入方式可选，可以是点对点接入、级联接入、环网接入、任意的拓扑结构接入:例如星型拓扑。该装置集高清数字视频光纤传输网络和高清数字视频矩阵功能于一体、集数字非压缩视频与数字压缩视频于一体；既满足高清、高实时图像的需求，又满足数字化存储、IP网络传输要求；满足点对点/级联/自愈环网的光纤接入模式；既满足标清视频接入，又满足720P/1080I/1080P高清视频的接入；既可以前端压缩编码，又可以分中心/中心集中压缩编码。
[0016]该装置内部采用模块化结构设计，分为(I)光接入子系统:具备点对点接入、级联接入、环网接入、任意拓扑接入的各种光接入端口；(2)编解码子系统:对进行压缩编码的信号进行解码，再进入交换子系统交换上墙；(3)交换子系统:完成高速数据的实时交换；(4)CPU控制系统:控制系统中的所有子系统；(5)大屏控制子系统:控制从父换子系统出来的图像信号的切换、上墙；(6)联网子系统:监控分中心跟上一级监控中心的联网上传模块，上传图像信号到监控中心。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明基于光纤网络的高清数字视屏监控装置的系统结构示意图；
图2是本发明基于光纤网络的高清数字视屏监控装置的实际应用图；
图3为本发明基于光纤网络的高清数字视屏监控装置串接连接图；
图4为前端为IP信号时，基于光纤网络的高清数字视屏监控装置的内部流程图；
图5为前端为SDI信号时，基于光纤网络的高清数字视屏监控装置的内部流程图；
图6为前端为IP+SDI信号时，基于光纤网络的高清数字视屏监控装置的内部流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0019]本发明的基于光纤网络的高清数字视频监控装置即VAR3S的系统，如图1和图2所示，该系统包括光接入子系统、解码子系统、高速交换子系统和输出系统，前端摄像仪通过光纤连接光接入子系统，所述解码子系统的输入端连接光接入子系统的第一输出端，解码子系统的输出端连接高速交换子系统的第一输入端，所述光接入子系统的第二输出端连接高速交换子系统的第二输入端，所述高速交换子系统输出端连接输出系统。
[0020](I)光接入子系统:该系统设置有点对点接入、级联接入、环网接入、任意拓扑接入的各种光接入端口。前端摄像机若是光纤HD-SDI摄像机，则采用点对点接入；若前端摄像机是光纤自愈环网摄像机，采用环网方式接入；前端摄像机若是EPON摄像机，采用任意拓扑形式接入，中间加分光器。
[0021](2)编解码子系统:对进行压缩编码的信号进行解码，再进入高速交换子系统交换上墙。无论哪种接入方式，传输过来的信号都可以分为压缩信号跟非压缩信号，根据接入光接入子系统的接口不同，将压缩信号通过光接入子系统进入编解码子系统进行解码，解码过后在进入高速交换子系统，将非压缩信号则直接进入高速交换子系统。
[0022](3)高速交换子系统:完成大容量高速数据的实时交换，在CPU控制系统的控制工作，其他子系统都与之相连。若是前端传输过来的是非压缩信号，则通过光接入子系统直接进入该高速交换子系统；若前端传输过来的是压缩信号，先进入编解码子系统进行解码，在进入交换子系统。
[0023](4)CPU控制系统:控制系统中的所有子系统。CPU控制系统王要控制父换子系统进行高速交换信号。
[0024](5)输出系统包括大屏控制系统和联网子系统，大屏控制系统:控制从交换子系统出来的图像信号的切换、上墙。从交换子系统出来的信号，无论是解码后的压缩信号还是非压缩信号进入大屏控制系统，统一上墙显示，具体包括设计了一张DVI输出卡，这张卡有4个DVI输出口，每个口可最多对应4路视频信号，该卡利用FPGA芯片对这4路视频进行缩放，拼接处理后，可将结果合成一路画面输出至DVI 口并上墙显示。
[0025](6)联网子系统:其主要是用于串接各个视频监控装置，其中每个设备内设置有独立的ID信息，该ID信息包括所述ID信息包括该视频监控装置设备的识别信息，当所述视频监控装置串接联网时，可利用该ID信息进行构建视频监控系统的设备拓扑，从而实现监控分中心和上一级监控中心的联网上传的功能。
[0026]监控分中心的设备主要与前端的各路摄像机相连，而在上一级监控中心需要调取其下的所有监控分中心的重点监控的图像。此功能由联网子系统实现，监控分中心的联网子系统与监控中心的联网子系统相连，在监控中心可以实现其下所有监控分中心的高清图像的实时调取查阅。如图2是本发明基于光纤网络的高清数字视屏监控系统的实际应用图。图中包括了整个系统的组网方式，其组成和功能说明如下:前端摄像机选择合适的接入的方式接入监控分中心的视频监控装置，视频监控装置对信号进行分类处理，在监控分中心上墙显示。同时通过联网子系统将重点监控图像上传到上一级监控中心，在监控中心上墙显示。
[0027]本发明的视频监控装置，在前端摄像仪使用ASIC芯片对SDI信号进行解码，然后通过FPGA将并行数据串行化转换为CML电平，最后通过电光转换模块发至本发明的视频监控装置，前端整个过程没有对数据进行压缩处理，所以光纤正向速率达到了 1.485Gbps (对于HD-SDI )。到达视频监控装置后，采用FPGA对大容量实时输入的HD-SDI视频信号信号进行交换，输出至输出卡，所以很好地保障了视频信息原始性，真实性。这种无压缩传输交换的方式，以及FPGA的强大处理速度使得传输几乎没有任何延时，因此支持高清无压缩，无阻塞实时传输。另外，对于光发射机，可以接入数字的SDI信号，转换为光传输至视频监控装置，也可以接入PAL等模拟信号，转换为光传输至视频监控装置，而对于矩阵上的本地接入卡也是如此。关键在于，光路上的 传输协议均为SDI协议，通过把PAL转换为SD-SDI即可支持混合输入的解决方式。
[0028]对于传统的视频监控装置，主要传输的是模拟视频，对于国内来说只有PAL这一种视频格式，即625i，所以不存在格式统一的问题。而对于本发明来说，传输的是SDI信号，而SDI分为SD-SDI，HD-SDI, 3G-SDI,具体格式如下所示:
SD-SDI:576ii50Hz, 480ii60Hz,
HD-SDI:720pi50Hz, 720pi60Hz,
1080pi24Hz, 1080pi25Hz, 1080pi30Hz, 1080ii50Hz, 1080ii60Hz,
3G-SDI:1080pi50Hz, 1080pi60Hz
对于这么多的视频格式，可以将其通过内部的视频格式转换模块统一转换成其中某一种格式，譬如可以统一成1080p@60Hz。该转换模块由ASIC芯片完成，只要对该芯片进行简单配置实现。当然也可以根据需要支持不同接口的视频的格式转换，包括VGA, DVI, HDMI, YPbPr等接口统一成SDI的某一种格式。
[0029]本发明设计的视频监控装置还可以支持IPC接入卡，该IPC接入卡设置于光接入子系统，设计了一张IPC接入卡，其拥有16通道的SFP光输入，输入信号的协议为根据需要利用常规的协议，也可以根据需要自行进行定义，包括SDI视频时隙以及IPC的H.264网络数据时隙等，该卡的FPGA将这16通道的数据都解析出来，对于SDI信号通过背板进入交换子系统进行实时交换，对于IPC则将16通道通过RMII接口芯片汇聚成I路千兆网络输出，对于反向，则将来自千兆网络 口的数据传输至16个通道反向传输至前端即可。
[0030]如图3所示，为本发明串接的一个实施例，本地机箱互联卡，每个机箱的16路输出，cable连接至第5个机箱的输入卡，切换输出某一机箱的16路。
[0031]本发明的流程包括:在单业务传输时，可以将SDI信号通过编码实现单纤传输至本发明的视频监控装置矩阵16通道光接入卡，通过高速交换子系统到背面16通道SDI输出卡，输出的SDI信号经过SDI转HDMI转换器上墙显示；
在多业务传输时，可以将SDI信号以及其他以太网等附加业务通过编码实现单纤传输至本发明的视频监控装置矩阵8通道光接入卡，通过高速交换子系统交换到背面8通道SDI输出卡，输出的SDI信号经过SDI转HDMI转换器上墙显示；而8通道输入光卡上的下半部，可以输出解析出来的其他附加业务，或者输入其他业务，发向传输至前端。
[0032]最重要的是还创新地推出了光纤摄像机，如上图所示，去除SDI光发射机，由摄像头直接输出光信号到矩阵光接收卡，简化系统的设计，也降低成本。该方案的设计思路是将SDI光发射机小型化设计，并集成到SDI摄像头中。
[0033]如图4所示，当前端为IP信号时，整个处理过程如下所述:首先摄像头的sensor(传感器)采集到视频数据以后，由FPGA对数据做图像处理，然后经过H.264编码模块交给IP编码模块，变成百兆网络数据。在本发明的视频监控装置的光接入子系统接收到IP网络数据后，解码子系统首先解码IP，同时可环通一路百兆输出，然后通过H.264解码模块成为非压缩数据，最后通过FPGA作相关处理后发送至高速交换子系统做交换和环通SDI输出。
[0034]如图5所示，当前端为SDI信号时，整个处理过程如下所述:首先摄像头的sensor采集到视频数据以后，由FPGA对数据做图像处理，然后直接将并行数据交给SDI编码模块产生SDI串行数据，该数据直接走光模块。在视频监控装置，光模块接收到SDI数据后，交给解码子系统的SDI解码模块，然后通过FPGA作相关处理后发送至背板做交换和环通SDI输出。
[0035]如图6所示，当前端为IP和SDI信号时，整个处理过程如下所述:首先摄像头的sensor采集到视频数据以后，由FPGA对数据做图像处理，然后经过H.264编码模块交给IP编码模块，变成百兆网络数据，该数据返回给FPGA，在FPGA内部将其与SDI信号一起编码成某种协议，该协议可采用常规的协议，也可以根据需要进行自行定义。在视频监控装置，接收到数据后，由FPGA按协议解析数据，解析出的SDI数据直接去高速交换子系统交换和本卡环通，解析出的H.264IP数据(共8路)进switch交换模块交换输出到一个RJ45千兆□。
[0036]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。
【权利要求】
1.基于光纤网络的高清数字视频监控装置，其特征在于，包括光接入子系统、解码子系统、高速交换子系统和输出系统，前端摄像仪通过光纤连接光接入子系统，所述解码子系统的输入端连接光接入子系统的第一输出端，解码子系统的输出端连接高速交换子系统的第一输入端，所述光接入子系统的第二输出端连接高速交换子系统的第二输入端，所述高速交换子系统输出端连接输出系统。
2.根据权利要求1所述的基于光纤网络的高清数字视频监控装置，其特征在于，所述输出系统包括大屏控制系统和联网子系统，所述大屏控制系统为将视频信号进行直接显示，所述联网子系统用于串接另一个基于光纤网络的高清数字视频监控装置的光接入子系统的输入端。
3.根据权利要求2所述的基于光纤网络的高清数字视频监控装置，其特征在于，所述光接入子系统包括IPC接入卡，所述IPC接入卡设有16通道的SFP光输入，所述IPC接入卡设有FPGA，该FPGA实现对16通道的SFP光输入的解析，如为解析到SDI信号则将SDI信号传输至高速交换子系统，如为IPC信号，则将其通过RM II接口芯片汇聚成I路千兆网络输出。
4.根据权利要求2所述的基于光纤网络的高清数字视频监控装置，其特征在于，所述视频监控装置还设置有ID信息，所述ID信息包括该视频监控装置设备的识别信息，当所述视频监控装置串接联网时，可利用该ID信息进行构建视频监控系统的设备拓扑。
5.基于光纤网络的高清数字视频监控方法，其特征在于，包括如下步骤: 前置摄像仪为IP+SDI摄像仪时，摄像仪的传感器采集到视频数据，通过内置的FPGA对该视频数据做图像处理，然后经过H.264编码模块交给IP编码模块，从而输出百兆网络数据，该数据返回给FPGA，在FPGA内部将其与SDI信号一起编码，视频监控装置接收到数据后，由FPGA解析数据，解析出的SDI数据直接去高速交换子系统交换和环通SDI输出，解析出的H.264IP数据则利用解码子系统进行解码，然后进高速交换子系统交换输出到一个RJ45千兆口。
6.基于光纤网络的高清数字视频监控方法，其特征在于，包括如下步骤:前置摄像仪为IP摄像仪时，摄像仪的传感器采集到视频数据以后，由FPGA对数据做图像处理，然后经过H.264编码模块交给IP编码模块，从而输出百兆网络数据，在视频监控装置接收到数据后接收到IP网络数据后，通过解码子系统解码IP，同时可环通一路百兆输出，然后通过H.264解码模块成为非压缩数据，最后通过FPGA作相关处理后发送至高速交换子系统做交换和环通SDI输出。
7.基于光纤网络的高清数字视频监控方法，其特征在于，包括如下步骤:前置摄像仪为SDI摄像仪时，摄像仪的传感器采集到视频数据以后，由FPGA对数据做图像处理，然后直接将并行数据交给SDI编码模块产生SDI串行数据，在视频监控装置接收到SDI数据后，交给SDI解码模块，然后通过FPGA作相关处理后发送至高速交换子系统做交换和环通SDI输出。
【文档编号】H04N5/765GK103533310SQ201310492610
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】石旭刚 申请人:杭州中威电子股份有限公司