1、需求概述

視頻監(jiān)控一直是公路交通系統(tǒng)十分重要的一個(gè)技術(shù)體系， 針對(duì)傳統(tǒng)模擬視頻信號(hào)(CCVS或是YPbPr)傳輸系統(tǒng)的測(cè)試，一般是直接采用模擬視頻接口進(jìn)行測(cè)試，其中CCVS為模擬標(biāo)清復(fù)合視頻信號(hào)，YPbPr為模擬高清分量視頻信號(hào)。隨著信號(hào)的數(shù)字化，基于HDMI的視頻傳輸也成為了一個(gè)主流，因此針對(duì)光發(fā)光收的HDMI直傳系統(tǒng)，利用基于HDMI的信號(hào)測(cè)試也是一個(gè)必要。

隨技術(shù)的不斷發(fā)展，目前視頻監(jiān)控不斷向IP化視頻傳輸轉(zhuǎn)換，攝像頭直接可輸出IP視頻數(shù)據(jù)。由于視頻數(shù)據(jù) (尤其高清視頻) 傳輸量大，要求傳輸網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的性能，同時(shí)因?yàn)楦骷?jí)交換處理，更會(huì)加大傳輸出現(xiàn)丟包的可能。因此有一套可以針對(duì)高清視頻IP傳輸網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試方案勢(shì)在必行。

視頻的數(shù)字化和基于IP網(wǎng)絡(luò)的傳輸是相輔相成并且共同發(fā)展的兩個(gè)技術(shù)趨勢(shì)，同時(shí)視頻的分辨率也不斷增大，目前公路口的主流應(yīng)用已經(jīng)是高清視頻信號(hào)了。從目前行業(yè)的主流應(yīng)用來(lái)看，基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l分為帶編解碼器和不帶編碼器兩種系統(tǒng)，帶編碼器的系統(tǒng)是為了兼容傳統(tǒng)的攝像機(jī)，不帶編碼器的系統(tǒng)基本都是IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)?；贗P網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸測(cè)試是一個(gè)難點(diǎn)，不僅要考慮實(shí)際的系統(tǒng)傳輸特點(diǎn)，還要考慮儀器行業(yè)能提供的測(cè)試條件。

本測(cè)試方案基于德國(guó)R&S公司的視頻分析儀VTE設(shè)計(jì)，信號(hào)源部分采用R&S公司的HDMI信號(hào)源VTS和Doewe公司的視頻信號(hào)發(fā)生器VSG來(lái)設(shè)計(jì)。同時(shí)，考慮到IP化的實(shí)際現(xiàn)實(shí)，采用定制的網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)VideooverIP傳輸系統(tǒng)的HDMI端到端視頻測(cè)試。

2、視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 傳統(tǒng)模擬視頻傳輸系統(tǒng)

針對(duì)模擬視頻傳輸，為了維持較好的視頻質(zhì)量，因此有的系統(tǒng)會(huì)考慮利用光發(fā)光收系統(tǒng)來(lái)將模擬信號(hào)(甚至是數(shù)字化的HDMI信號(hào))直接光調(diào)制傳輸，利用光接收機(jī)進(jìn)行光解調(diào)后輸入下一級(jí)系統(tǒng)或是進(jìn)入顯示監(jiān)看環(huán)節(jié)。如圖1所示。

這種傳輸鏈路支持模擬復(fù)合視頻(CCVS) /YPbPr高清分量及HDMI視頻。

帶編解碼的傳輸系統(tǒng)核心傳輸網(wǎng)絡(luò)是IP網(wǎng)絡(luò)，采用編碼器和解碼器實(shí)現(xiàn)視頻的IP化，典型的示意圖如下：

如果攝像頭是標(biāo)清攝像頭，那么編碼器須支持標(biāo)清格式， 一個(gè)典型的標(biāo)清(SD)視頻編碼器輸入輸出接口如圖3所示：

視頻編碼器對(duì)輸入的非壓縮或是淺壓縮視頻進(jìn)行壓縮編碼，封裝為TS流后以ASI接口或是SDI over IP形式輸出給傳輸網(wǎng)絡(luò)。一般的標(biāo)清視頻編碼器主要的輸入是模擬復(fù)合視頻(CCVS)或是SDI接口，也有部分商用產(chǎn)品支持HDMI接口。

同樣的道理，解碼器也須支持對(duì)應(yīng)的格式，一個(gè)典型的標(biāo)清(SD)解碼器輸入輸出接口如圖4所示：

視頻解碼器與視頻編碼器正好是一對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮TS流的解碼，因此輸入輸出接口與編碼器正好相反。標(biāo)清視頻解碼器的輸入主要仍然是ASI或IP接口，輸出主要是復(fù)合視頻CCVS接口，同時(shí)也可選SDI和HDMI接口。

(注：公路交通行業(yè)對(duì)輸入也定義了并行TS流接口(SPI)，由于此接口目前視頻行業(yè)已經(jīng)不再主流，因此本技術(shù)方案暫不考慮。)

如果攝像頭是高清視頻，那么編碼器須支持高清格式，一個(gè)典型的高清(HD)視頻編碼器輸入輸出接口如圖5所示：

高清視頻編碼器相比標(biāo)清視頻編碼器最大的區(qū)別就是視頻分辨率要基于HD格式，因此完全應(yīng)用于SD領(lǐng)域的CCVS接口就失去了用武之地，輸入接口變?yōu)榱酥饕腟DI或HDMI接口，輸出接口仍然是ASI或IP接口，承載的仍然是TS流。

同樣的解碼器也須對(duì)應(yīng)地支持相應(yīng)格式，一個(gè)典型的高清(HD)解碼器輸入輸出接口如圖6所示：

高清視頻解碼器與標(biāo)清視頻解碼器沒(méi)有概念區(qū)別，同樣是不再具有CCVS接口。公路交通行業(yè)主要要求高清解碼器支持HDMI輸出。

2.2 網(wǎng)絡(luò)攝像頭IP傳輸系統(tǒng)

隨著流媒體技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控行業(yè)不斷引入新的技術(shù)，比如基于UDP/http或是RTSP的流媒體視頻傳輸方式。并且攝像頭也演變?yōu)榱司W(wǎng)絡(luò)攝像頭，直接IP格式輸出。一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)攝像頭傳輸系統(tǒng)框架如下：

在監(jiān)控中心，解碼器直接接收流媒體格式的IP視頻，然后解碼為HDMI接口或是其它接口輸出給監(jiān)視器。

3、傳輸系統(tǒng)測(cè)試原理

3.1 傳統(tǒng)模擬視頻傳輸測(cè)試架構(gòu)

針對(duì)傳統(tǒng)模擬視頻傳輸系統(tǒng)的測(cè)試，典型的測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。測(cè)試設(shè)備主要是采用視頻信號(hào)源和視頻分析儀，利用視頻信號(hào)發(fā)生CCVS/YPbPr信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳輸系統(tǒng)后，利用視頻分析儀進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)此部分測(cè)試，視頻行業(yè)已經(jīng)有完善的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)，公路系統(tǒng)也發(fā)布了自己的測(cè)試參數(shù)和指標(biāo)要求。

對(duì)于數(shù)字化的HDMI視頻傳輸，如果傳輸環(huán)節(jié)還是采用光發(fā)光收的架構(gòu)，測(cè)試原理與傳統(tǒng)模擬視頻測(cè)試無(wú)異，只是信號(hào)發(fā)生器和分析儀需要支持HDMI接口，同時(shí)視頻分析儀內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)D/A變換。

公路口針對(duì)這部分測(cè)試的指標(biāo)要求，標(biāo)清視頻參數(shù)參考本方案3.3節(jié)，高清分量視頻部分參考3.4節(jié)。

3.2 IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試架構(gòu)

對(duì)一個(gè)IP視頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，按照ISO7層協(xié)議的定義可以從底層測(cè)試來(lái)進(jìn)行IP網(wǎng)絡(luò)性能的摸底。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，傳輸視頻只是IP網(wǎng)絡(luò)承載的一種特定業(yè)務(wù)，是一種上層應(yīng)用。但是由于視頻業(yè)務(wù)的特殊性，尤其視頻對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求使得基于上層應(yīng)用的測(cè)試變得直觀而有效。

典型的測(cè)試架構(gòu)如圖9所示：

無(wú)論是哪種傳輸方式，基于應(yīng)用層來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，必須給傳輸網(wǎng)絡(luò)灌入測(cè)試信號(hào)，因此需要采用標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)發(fā)生器，同時(shí)采用定制的OutGateway網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)IP化匹配，如果是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)可直接被編碼器替代。接收端也需要定制的InGateWay網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)到可測(cè)接口形式視頻的轉(zhuǎn)換。

鑒于實(shí)際應(yīng)用情況及網(wǎng)關(guān)參數(shù)所限，本方案采用的OutGateway和InGateway從編解碼標(biāo)準(zhǔn)支持上涵蓋CCVS/HDMI和SDI，但是我們論證過(guò)而且推薦客戶使用的是HDMI接口，原因首先是SDI在公路系統(tǒng)沒(méi)有大面積采用，其次CCVS重點(diǎn)針對(duì)模擬視頻傳輸測(cè)試(若是CCVS經(jīng)過(guò)壓縮編碼再解碼，大概率測(cè)試系統(tǒng)的話很難滿足指標(biāo)要求，目前隨著技術(shù)發(fā)展，標(biāo)清已經(jīng)越來(lái)越少)。當(dāng)然，采用HDMI進(jìn)行測(cè)試，也會(huì)有一些缺陷，我們?cè)诒痉桨傅谒牟糠肿龊?jiǎn)要說(shuō)明。

3.3 標(biāo)清視頻測(cè)試參數(shù)

一般而言，標(biāo)清復(fù)合視頻都應(yīng)用于傳統(tǒng)的模擬視頻傳輸系統(tǒng)，按照公路口的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，典型的標(biāo)清視頻測(cè)試參數(shù)如下表所示：

注：通過(guò)上述指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)合行業(yè)常用的高性價(jià)比編解碼器指標(biāo)，上述指標(biāo)參數(shù)用于測(cè)試獨(dú)立的解碼器 (公路口有獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn))和傳統(tǒng)的模擬視頻傳輸系統(tǒng)較為合適，如果基于帶有編碼和解碼的IP視頻傳輸系統(tǒng)而言，上述指標(biāo)可能對(duì)被測(cè)系統(tǒng)有一定挑戰(zhàn)。

3.4 高清視頻測(cè)試參數(shù)

高清視頻的典型測(cè)試參數(shù)如下表：

注： 對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行分析，如下的幾類視頻系統(tǒng)比較適合采用上述指標(biāo)參數(shù)集：傳統(tǒng)的模擬高清分量傳輸系統(tǒng) (YPbPr，RGB)，HDMI視頻光發(fā)光收傳輸系統(tǒng)和基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腍DMI高清視頻傳輸系統(tǒng)(帶編碼器或是不帶編碼器的IP傳輸系統(tǒng)均適合，一般為YCbCr)。

4、簡(jiǎn)易結(jié)果矯正方法及測(cè)試方案缺陷討論

4.1 傳統(tǒng)模擬視頻傳輸測(cè)試結(jié)果矯正

考慮到所有的模擬視頻信號(hào)源和模擬視頻分析儀都有系統(tǒng)誤差，為了快速進(jìn)行測(cè)試，可以采用最簡(jiǎn)易的線性校準(zhǔn)方法來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行矯正。在進(jìn)行正式測(cè)試之前，將信號(hào)源和分析儀直連，測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得出系統(tǒng)誤差值，然后進(jìn)行被測(cè)系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果減去系統(tǒng)誤差即為實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

拿CCVS的白電平700mV測(cè)試舉例，假設(shè)VSG直連VTE，測(cè)試結(jié)果是：Y0

那么系統(tǒng)誤差是：Y0-700

如果將VSG接入到網(wǎng)絡(luò)，VTE接入到終端，測(cè)試結(jié)果是Y1

那么如果不矯正，誤差值是Y1-700

采用線性矯正方法，則實(shí)際誤差值應(yīng)該是：(Y1-700)-(Y0-700)=Y1-Y0

4.2 基于HDMI測(cè)試IP視頻傳輸系統(tǒng)的缺陷及分析

無(wú)論被測(cè)系統(tǒng)帶不帶編解碼器，只要傳輸網(wǎng)絡(luò)是基于IP的， 則意味著傳輸?shù)男盘?hào)大概率是壓縮后的，由于VTE只能接入解碼系統(tǒng)輸出的HDMI信號(hào)，而公路口要求的HDMI視頻分析實(shí)質(zhì)上是對(duì)HDMI信號(hào)進(jìn)行D/A變換后的模擬信號(hào)進(jìn)行分析，考慮到模擬信號(hào)進(jìn)行分析的原理，指標(biāo)只是從特定的

行信號(hào)的特定測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行采樣測(cè)試，從而導(dǎo)致這種測(cè)試原理并不能完整反應(yīng)HDMI信號(hào)的傳輸特性，極端情況會(huì)導(dǎo)致IP鏈路本身不是很理想的情況下，指標(biāo)仍然還不錯(cuò)。

解決辦法是改變基于D/A變換后的模擬視頻測(cè)試方法，改為直接基于HDMI進(jìn)行視頻比對(duì)測(cè)試，VTE提供此類測(cè)試方案，可以通過(guò)PSNR/SSIM和MOS分值來(lái)對(duì)圖像惡化做直接評(píng)估。(注：目前此方法未寫(xiě)入公路口檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn))

核心設(shè)備資料(可聯(lián)系R&S銷售索取以下詳細(xì)資料)

J視頻信號(hào)發(fā)生器VSG

JHDMI信號(hào)源VTS/視頻分析儀VTE(注：VTS是VTx的簡(jiǎn)易配置)

JOutGateWay網(wǎng)關(guān)單元(HDMI→IP)

JInGateWay網(wǎng)關(guān)單元(IP→HDMI)