林 錐 王立德 周潔瓊 王保華

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044)

1 全高清車載乘客信息系統(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)(passenger information system，PIS)是在地鐵里為乘客提供各類資訊的服務(wù)系統(tǒng)，不僅在車廂內(nèi)提供乘車須知、列車時(shí)刻表等文本信息，還可以播放股票信息、媒體新聞、賽事直播、廣告等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，是一個(gè)集地鐵運(yùn)營(yíng)信息服務(wù)、多媒體實(shí)時(shí)資訊發(fā)布、廣播電視節(jié)目制作與播出、地鐵電視監(jiān)控、地鐵設(shè)備監(jiān)控于一體的綜合服務(wù)平臺(tái)［1］。隨著乘客服務(wù)水平的提高和多媒體技術(shù)的發(fā)展，全高清的車載系統(tǒng)已被提上日程。全高清是指1080P的顯示格式，指分辨率為1920×1080，P表示為逐行掃描(progressive scan)。全高清監(jiān)控系統(tǒng)的顯示不僅給乘客提供高質(zhì)量的畫面、高級(jí)的視聽享受，而且具有信息量大、視覺直觀、報(bào)警精確度高的優(yōu)點(diǎn);在火災(zāi)、恐怖襲擊等緊急情況下，能提供更為詳細(xì)的信息，具有極高的安全保障能力。因此，全高清的車載PIS系統(tǒng)問世后，受到用戶和乘客的歡迎，成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)相對(duì)先進(jìn)的車載PIS是北京地鐵4號(hào)線用的產(chǎn)品，其中顯示系統(tǒng)(passenger information display system，PIDS)的分辨率最高是720P，視頻監(jiān)控系統(tǒng)(closed circuit television，CCTV)采用 CIF(352 ×288)格式，而國(guó)際上的車載PIS已經(jīng)采取全高清的顯示。從我國(guó)軌道交通事業(yè)發(fā)展需求出發(fā)，筆者以中央高校基本科研業(yè)務(wù)基金支持項(xiàng)目為基礎(chǔ)，同青島四方股份車輛廠合作，開展了全高清車載乘客信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，經(jīng)過刻苦攻關(guān)，掌握了全高清系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)。

2 全高清PIS系統(tǒng)平臺(tái)研制

2.1 整體概述

車載PIS是PIS的列車車載部分，主要功能見圖1～圖2［1-3］。車載PIS可以分為乘客信息顯示系統(tǒng)、列車廣播和列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 PIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)乘客信息顯示系統(tǒng):通過客室內(nèi)安裝的LCD彩色圖文顯示器和LED車站地圖閃光顯示屏，提供給乘客高質(zhì)量的視頻信息和必要的旅行換乘信息。

2)列車廣播:提供司機(jī)室對(duì)講、司機(jī)對(duì)客室廣播、司機(jī)與乘客的對(duì)話、無線電廣播、報(bào)警廣播等功能。

圖2 車載PIS系統(tǒng)

3)列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)［4］:提供客室和司機(jī)室實(shí)時(shí)視頻顯示、視頻錄像存儲(chǔ)以及設(shè)備管理、外部連接、與地面進(jìn)行無線對(duì)接的功能。

筆者以北京地鐵4號(hào)線PIS為基礎(chǔ)開展研究，通過整合CCTV、列車廣播、PIDS，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了全高清車載PIS平臺(tái)。在視頻傳輸方面，主要研究如何整合現(xiàn)有的乘客信息顯示系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻部分［5］。采用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)來接收視頻信息，經(jīng)車載LCD控制器解碼后，在列車的所有LCD顯示屏上進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)播放，同時(shí)也可以利用列車車廂的預(yù)存視頻進(jìn)行本地播放，見圖3。

圖3 車載PIS視頻傳輸結(jié)構(gòu)

2.2 全高清視頻編解碼實(shí)現(xiàn)

地鐵車載設(shè)備環(huán)境比較復(fù)雜，其主要特征:一是振動(dòng)較強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)在物理連接上必須有很強(qiáng)的抗振動(dòng)性;二是存在很強(qiáng)的電磁干擾，車載系統(tǒng)必須考慮電磁干擾因素;三是車載空間有限，車載系統(tǒng)設(shè)備必須是小型化設(shè)計(jì)，盡量節(jié)約空間;四是散熱難，而風(fēng)扇是車載設(shè)備的易損品，所以車載設(shè)備必須采用低功耗無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，這樣由發(fā)熱引起的問題就少，系統(tǒng)的可靠性就越高。因此，車載PIS系統(tǒng)服務(wù)器采用低功耗無風(fēng)扇工控機(jī)解決方案。

2.2.1 司機(jī)室服務(wù)器全高清編解碼設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

全高清編解碼需要更強(qiáng)大的圖像處理能力，而采用工控機(jī)作為視頻服務(wù)器［6］，在中央處理器(central processing unit，CPU)性能上存在計(jì)算能力嚴(yán)重不足的缺點(diǎn)，必須采用硬件加速技術(shù)，將視頻處理交給顯卡完成，從而達(dá)到降低CPU占有率的目的。筆者使用Unix視頻解碼和顯示接口函數(shù)(video decode and presentation API for Unix，VDPAU)，將視頻處理中計(jì)算量巨大的視頻解碼和視頻圖像補(bǔ)償及渲染交給圖形處理器(graphic processing unit，GPU)完成，使CPU 有更多的資源處理其他事務(wù)［7］。VDPAU編程軟件框圖見圖4，其主要特點(diǎn)是采用軟件驅(qū)動(dòng)硬件的方式進(jìn)行編解碼，具有很好的低CPU占有率，同時(shí)又具有軟件解碼的兼容性和靈活性，見文獻(xiàn)［8］。表1為使用VDPAU技術(shù)前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，使用VDPAU大大降低了CPU的占有率，明顯提升了解碼顯示效果。

圖4 VDPAU編程軟件框圖

表1 使用VDPAU技術(shù)前后性能改進(jìn)的對(duì)比結(jié)果［8］

2.2.2 客室嵌入式全高清編解碼設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于攝像頭和LCD顯示終端分別涉及高清編碼和解碼，性能要求接近。筆者使用德州儀器公司DM368的多媒體視頻解決方案，在硬件上采用同一套CPU核心版，在嵌入式Linux上編寫不同的軟件，通過軟件驅(qū)動(dòng)硬件編解碼器，分別實(shí)現(xiàn)了全高清解碼和全高清編碼輸出，有效地降低了成本和開發(fā)難度。DM368的最大優(yōu)點(diǎn)是低功耗和雙核處理器編程，它在系統(tǒng)上整合了ARM9處理器和高清編解碼協(xié)處理器(the HD video imaging co-processor，HDVICP)，通過編寫 API函數(shù)，將視頻編碼、解碼等大數(shù)據(jù)處理任務(wù)交由協(xié)處理器來執(zhí)行，ARM9只負(fù)責(zé)對(duì)協(xié)處理的控制，從而達(dá)到顯著優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的(見圖5)。

圖5 DM368解碼軟件框

采用嵌入式Linux雙核編程是軟件的最大特點(diǎn)，全高清編解碼性能測(cè)試統(tǒng)計(jì)見圖6。其中，ARM表示在ARM平均處理一幀需要的實(shí)際周期數(shù)，HDVICP表示協(xié)處理器解碼一幀需要的實(shí)際周期數(shù)，F(xiàn)PS(frames per second)表示在測(cè)試中達(dá)到的實(shí)際幀率。720P視頻格式下最高幀率可以達(dá)到68 FPS，1080P下最高幀率為35 FPS，而人眼可接受的最小幀率為10幀/s，電影幀率為24幀/s，因此本系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到電影幀率效果。

圖6 DM368性能測(cè)試統(tǒng)計(jì)

3 總線傳輸接口設(shè)計(jì)與選擇

車載PIS系統(tǒng)可以分成列車級(jí)和車輛級(jí)兩個(gè)部分。在列車級(jí)系統(tǒng)，必須考慮列車車廂重聯(lián)和編組的特殊使用需求，以太網(wǎng)作為列車級(jí)總線的比較多見。在每個(gè)車廂設(shè)置一個(gè)CCTV編碼器和PIDS多媒體網(wǎng)關(guān)，通過以太網(wǎng)與司機(jī)室服務(wù)器連接。PIDS系統(tǒng)使用分屏器在車輛間傳輸，通過1個(gè)多媒體網(wǎng)關(guān)，將模擬信號(hào)傳輸至客室的4個(gè)LCD屏。CCTV系統(tǒng)使用類似方案，2個(gè)攝像頭將圖像信號(hào)通過電纜直接傳輸給編碼器，然后將編碼輸出給服務(wù)器。

列車車輛級(jí)總線的布線距離最長(zhǎng)不超過30 m，在這樣短的距離里使用光纖是沒有優(yōu)勢(shì)的。目前，PIS系統(tǒng)多采用基于雙絞線的VGA視頻平衡傳輸技術(shù)，該技術(shù)最早應(yīng)用在S端子信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸上。文獻(xiàn)［9］提出VGA傳輸函數(shù)的增益為

式中 r為絞線半徑，ω為信號(hào)頻率，ε為介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)系數(shù)，L為長(zhǎng)度。

雖然雙絞線VGA傳輸方式具有對(duì)抗外部電磁干擾的能力，差動(dòng)傳輸方式能很好地解決VGA串?dāng)_問題，但是實(shí)際應(yīng)用中VGA信號(hào)傳輸全高清視頻也存在一些不可解決的問題。

1)模擬信號(hào)的相位偏移問題。VGA電纜傳輸模擬信號(hào)，從式(1)可知，模擬信號(hào)的相位偏移主要是線性的，不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生不同的偏移，需要針對(duì)不同頻率進(jìn)行校正。

2)線對(duì)之間的傳輸延時(shí)問題。VGA需要紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色，3對(duì)絞線的傳輸因?yàn)楦髯缘难訒r(shí)不同，會(huì)導(dǎo)致還原后圖像的畫質(zhì)劣化。

3)信號(hào)衰減的問題。這是VGA信號(hào)最主要的問題，見圖7。從式(1)可以得出結(jié)論，信號(hào)的衰減與電纜的長(zhǎng)度和頻率的開方成正比。工業(yè)上可以接受的衰減為－3 dB，全高清帶寬為177 MHz，衰減遠(yuǎn)超過－10 dB。信號(hào)衰減使畫面產(chǎn)生拖尾、重影的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了全高清畫面的表現(xiàn)。

圖7 VGA視頻線纜長(zhǎng)度與信號(hào)衰減

因此，全高清車載PIS系統(tǒng)不能采用傳統(tǒng)的VGA接口和分屏器接口方式。本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和DVI的接口，不再使用分屏器。在客室的每個(gè)LCD后都自帶一個(gè)嵌入式解碼模塊，視頻解碼后通過DVI接口直接送給顯示器顯示，有效地解決了傳輸衰減問題，達(dá)到了無色彩偏差的效果。

4 全高清視頻帶寬測(cè)試

全高清設(shè)計(jì)車載視攝像頭和LCD顯示終端的瓶頸就是車載網(wǎng)絡(luò)帶寬，而編解碼的效率決定了網(wǎng)絡(luò)容量［8］。單路高清視頻編碼測(cè)試效率見表2，可以得出結(jié)論:在目前常用的視頻格式中，H264的效率最高，一路1080P、25幀/s的視頻平均碼率大約為8.6 Mbit/s。為了體現(xiàn)一般性，本設(shè)計(jì)設(shè)乘客信息顯示系統(tǒng)廣播1080 P視頻的碼流為9.5 Mbit/s，而CCTV系統(tǒng)全高清攝像頭在實(shí)驗(yàn)中的監(jiān)控視頻碼率為3.2 Mbit/s，16路、1080P視頻的碼流為51.2 Mbit/s，尚未超過百兆帶寬的負(fù)荷，達(dá)到了設(shè)計(jì)帶寬的要求。采用無線電視廣播接收器來模擬司機(jī)室接收北京電視臺(tái)全高清視頻信號(hào)編碼廣播，可在遠(yuǎn)端模擬客室解碼顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。

表2 不同編碼格式下全高清視頻碼率測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

筆者圍繞全高清地鐵車載PIS的研制，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)中的全高清視頻編解碼服務(wù)器和嵌入式編解碼實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)PIS傳輸和接口方式進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。對(duì)全高清地鐵車載PIS信號(hào)衰減和帶寬占用問題進(jìn)行了論證，并在北京地鐵現(xiàn)場(chǎng)裝車和調(diào)試，驗(yàn)證了其控制功能和性能。

圖8 車載PIS視頻傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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