鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案選擇

■ 趙樹學 馮敬然

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)由單獨一條線建設發(fā)展到多線匯聚，在建系統(tǒng)需接入已開通系統(tǒng)，要求系統(tǒng)平臺間互聯(lián)互通。構(gòu)建鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，必須對各種關(guān)鍵技術(shù)方案選擇加以規(guī)范、統(tǒng)一。通過梳理現(xiàn)階段工程技術(shù)方案應用情況，對視頻監(jiān)控組網(wǎng)技術(shù)、編解碼技術(shù)、存儲技術(shù)、智能分析技術(shù)、互聯(lián)互通等不同技術(shù)方案的優(yōu)缺點進行分析，提出適合鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)方案選擇建議。

1 視頻監(jiān)控組網(wǎng)技術(shù)

隨著社會發(fā)展和技術(shù)進步，視頻監(jiān)控組網(wǎng)技術(shù)已從模擬視頻技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)，發(fā)展到網(wǎng)絡化數(shù)字視頻技術(shù)。

1.1 模擬視頻技術(shù)

20世紀80年代末，我國鐵路逐漸在特大型車站內(nèi)建設和使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)。1988年，天津站投入使用基于矩陣的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。隨后，沈陽、長春、濟南、呼和浩特、漢口、深圳、北京西等特大型客站相繼開通基于矩陣的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要由模擬攝像機、專用電纜、視頻切換矩陣、模擬監(jiān)視器、模擬錄像設備和盒式錄像帶等構(gòu)成。由于維護工作繁瑣，缺少遠程聯(lián)網(wǎng)功能，無法進行遠程訪問，模擬視頻錄像占用大量存儲空間，海量存儲難以做到，錄像質(zhì)量隨時間推移下降，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路上的應用存在很大局限性。

1.2 數(shù)字視頻技術(shù)

數(shù)字視頻技術(shù)包括以DVR（Digital Video Recorder）系統(tǒng)為代表的模擬與數(shù)字混合視頻監(jiān)視模式和以NVR（Netw ork DVR）系統(tǒng)為代表的數(shù)字視頻監(jiān)控模式。

DVR系統(tǒng)于20世紀90年代中期出現(xiàn)，逐步被市場認知并大面積投入商用，幾乎替代了模擬監(jiān)控市場。其主要標志是用DVR設備代替了模擬視頻切換矩陣，將模擬視頻信號進行數(shù)字化，視頻圖像存儲在電腦硬盤上，用戶可通過DVR來控制攝像機，并可方便快速地對圖像信息進行檢索。

DVR系統(tǒng)主要由模擬攝像機、專用電纜/（光纜+視頻光端機）和DVR設備等構(gòu)成。

1.3 網(wǎng)絡化數(shù)字視頻技術(shù)

網(wǎng)絡化數(shù)字視頻技術(shù)最早出現(xiàn)于2001年，為目前正在蓬勃發(fā)展的視頻監(jiān)控技術(shù)。它是完全基于IP技術(shù)，面向In te rne t/In trane t應用的新一代安全監(jiān)視系統(tǒng)。2006年12月，基于網(wǎng)絡化數(shù)字視頻技術(shù)的青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)第一次正式投入使用。

網(wǎng)絡化數(shù)字視頻技術(shù)的特點是：在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于IP數(shù)據(jù)網(wǎng)實現(xiàn)大容量多級聯(lián)網(wǎng)，統(tǒng)一呼叫信令格式、視音頻媒體編解碼格式、控制與報警格式，采用流媒體技術(shù)實現(xiàn)視頻在網(wǎng)上傳輸，滿足跨地區(qū)、多級別用戶對視頻資源的共享。其主要優(yōu)勢是：遠程控制訪問能力和存儲能力大、經(jīng)濟實用、擴展靈活等。

1.4 組網(wǎng)技術(shù)方案選擇

借助網(wǎng)絡和計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，自動識別和分析圖像所含信息，過濾掉用戶不關(guān)心的信息，為不同用戶提供不同關(guān)注點的有用信息，網(wǎng)絡化數(shù)字視頻技術(shù)為視頻監(jiān)控系統(tǒng)向高度智能化方向發(fā)展搭建了技術(shù)平臺。目前該技術(shù)已在高速鐵路建設中得到廣泛應用，一定時期內(nèi)必將日趨完善與成熟。

網(wǎng)絡化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)應重點考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笕萘考案咝?，信息處理的實時性。具體組網(wǎng)方案與數(shù)據(jù)壓縮編解碼技術(shù)、存儲技術(shù)、智能分析技術(shù)、互聯(lián)互通技術(shù)、用戶終端數(shù)量、用戶地點及用戶并發(fā)播放路數(shù)等密切相關(guān)。

2 編解碼技術(shù)

視頻壓縮編碼主要實現(xiàn)模擬視頻圖像的數(shù)字化，將有大量冗余信息的數(shù)字視頻壓縮并重新編碼為適合存儲及遠程傳輸?shù)囊曨l格式。視頻壓縮編碼是網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的核心技術(shù)，直接影響視頻存儲、傳輸和播放等環(huán)節(jié)。

目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域編解碼技術(shù)主要有M PEG-1，M PEG-2，M PEG-4，H.261，H.263，H.264和AVS。

M PEG-1，M PEG-2，H.261和H.263編解碼技術(shù)為第一代壓縮編解碼技術(shù)，設計主要著眼于圖像信號的統(tǒng)計特性，屬于波形編解碼范疇。這種編解碼方案存在明顯缺陷，目前應用較少，下面主要針對M PEG-4，H.264及AVS編解碼技術(shù)逐一進行分析比較。

2.1 MPEG-4

M PEG-4視頻壓縮算法相對于M PEG-1/2，在低比特率壓縮上有顯著提高。在CIF（352×288）標清或更高清晰度4CIF（768×576）情況下，M PEG-4可方便地動態(tài)調(diào)整幀率、比特率，以降低存儲量。錄像每小時占用100 M～200 M空間，圖像清晰度高，即達到DVD級圖像效果。網(wǎng)絡傳輸占用帶寬小，一般1路圖像占用帶寬1.5 M～2 M b/s，能通過多種傳輸方式進行遠程視頻圖像傳輸。

2.2 H.264

H.264算法在概念上可分為兩層：視頻編碼層負責高效視頻壓縮，網(wǎng)絡適配層負責網(wǎng)絡適配，即針對不同的網(wǎng)絡要求，以恰當?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進行打包和傳送。H.264可根據(jù)不同應用增加不同的NAL片頭，以適應不同網(wǎng)絡應用環(huán)境，減少碼流傳輸差錯。H.264采用很多新技術(shù)，如幀內(nèi)預測、自適應塊大小編碼模式、高精度亞像素運動估計、多幀運動補償技術(shù)、4X4塊整形變換編碼等，大大節(jié)省了帶寬資源。H.264的碼流比MPEG-4還要節(jié)省30％的資源，其網(wǎng)絡適應性更好，圖像質(zhì)量更好。但H.264性能上的改進是以增加復雜性為代價的，實現(xiàn)難度也顯著增加。

2.3 AVS

AVS（音視頻編解碼標準，Aud io Video Cod ing standard）是我國第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標準。

AVS的編碼效率與H.264相當，而算法復雜度僅相當于H.264的30％，解碼復雜度相當于H.264的70％，軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264。同時，由于我國掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，專利授權(quán)模式簡單，專利費用低。

2.4 編解碼技術(shù)方案選擇

MPEG-4，H.264及AVS編解碼技術(shù)為基于模型/對象的第二代壓縮編解碼技術(shù)，它充分利用人眼視覺特性，抓住圖像信息傳輸本質(zhì)，從輪廓、紋理思路出發(fā)，適應了多媒體信息應用由播放型轉(zhuǎn)向基于內(nèi)容訪問、檢索及存儲的發(fā)展趨勢；實現(xiàn)了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對象和內(nèi)容的現(xiàn)代編碼技術(shù)轉(zhuǎn)變，編碼效率大幅度提高，符合網(wǎng)絡化傳輸要求；提供了基于內(nèi)容的交互，壓縮范圍可調(diào)整，并具有通用的訪問性能。

M PEG-4標準因發(fā)布較早，產(chǎn)品相對成熟，算法復雜度較低，價格也較低。但相對于H.264和AVS而言，編碼效率低，需占用較多帶寬。

對于H.264標準，已有多家廠商提供H.264芯片，產(chǎn)品開始成熟。因采用多項提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施，在不影響視頻效果情況下，比M PEG-4節(jié)約30％的碼率。

AVS產(chǎn)業(yè)化進程落后于H.264，但AVS的編碼效率與H.264相當，軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264?？梢灶A見，AVS標準將成為支撐國家數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標準。

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求編解碼技術(shù)能以更低的碼率實現(xiàn)更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，需要較高的編碼效率且適合網(wǎng)絡傳輸。因此，現(xiàn)階段建議采用以M PEG-4，H.264為主的壓縮編碼格式，但不排除AVS技術(shù)成熟后被逐步引入的可能。

3 存儲技術(shù)

視頻存儲技術(shù)需綜合考慮鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用結(jié)構(gòu)、存儲容量、用戶分布、網(wǎng)絡帶寬及視頻存儲模式等諸多因素，其技術(shù)類型選擇在很大程度上影響著網(wǎng)絡化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案、系統(tǒng)應用與工程投資。目前主流存儲技術(shù)有以下幾種。

3.1 DAS

DAS（Direct Attached Storage，直接連接存儲），是以服務器為中心的存儲結(jié)構(gòu)，采用存儲設備直接和服務器連接，接口主要為SCSI（Sm all Com puter System In terface，小型計算機系統(tǒng)接口）。存儲設備可外掛在服務器上，也可內(nèi)置于服務器。服務器連接在網(wǎng)絡上，網(wǎng)絡上任何客戶端訪問某存儲設備上的資源必須經(jīng)過服務器。由于連接在每個采集點服務器上的存儲設備是獨立的，視頻網(wǎng)絡上的存儲設備無法實現(xiàn)共享，資源利用率較低。

3.2 SAN

SAN（Sto rage Area Ne tw o rk，存儲區(qū)域網(wǎng)絡），是一種以網(wǎng)絡為中心的存儲結(jié)構(gòu)，主要采用FC（光纖通道）將存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡化，接口為FC。SAN以數(shù)據(jù)存儲為中心，通過具有高傳輸速率的光通道或者iSCSI （internet Sm all Com puter System Interface）直接連接，將數(shù)據(jù)存儲管理集中在相對獨立的存儲區(qū)域網(wǎng)內(nèi)。SAN與傳統(tǒng)DAS區(qū)別在于，DAS的存儲設備專門服務于所連接的服務器，而SAN模式下所有存儲設備可高度共享，系統(tǒng)可靠性較高，但成本較高。

如果SAN是基于TCP/IP的網(wǎng)絡，則可實現(xiàn)IP SAN存儲技術(shù)，其成本較采用光纖通道標準的SAN要低很多，因此在需要海量存儲視頻錄像文件時經(jīng)常被采用。

3.3 NAS

NAS（Ne tw o rk Attached Sto rage，網(wǎng)絡連接存儲），是一種專業(yè)的網(wǎng)絡文件存儲和文件備份設備。采用網(wǎng)絡技術(shù)，以數(shù)據(jù)為中心的存儲結(jié)構(gòu)，可完全脫離服務器，通過與網(wǎng)絡直接連接的磁盤陣列，接口為TCP/IP。它具備磁盤陣列的所有主要特征：高容量、高效能和高可靠；使系統(tǒng)整體管理和設置較為簡單；即插即用產(chǎn)品，用戶可直接通過網(wǎng)絡共享NAS設備中的數(shù)據(jù)，解決了DAS存儲對服務器的依賴及服務器的瓶頸問題。

3.4 存儲技術(shù)方案選擇

DAS和SAN技術(shù)主要是進行“塊”存儲，而NAS技術(shù)主要是進行“文件”存儲。DAS和SAN技術(shù)更適合視頻信息存儲，NAS技術(shù)更適合文本信息存儲。

綜上所述，DAS技術(shù)適合應用于存儲視頻路數(shù)較少的地方（Ⅰ，Ⅱ類視頻節(jié)點），宜應用在分散存儲模式中；SAN技術(shù)適合應用于存儲視頻路數(shù)多且視頻匯集較集中的地方（視頻區(qū)域節(jié)點），較為廣泛地應用在集中存儲模式下；當采用相對集中存儲模式時，可同時選用兩種存儲技術(shù)。

除正確選擇存儲技術(shù)外，存儲策略也很重要，它將直接影響系統(tǒng)應用質(zhì)量。系統(tǒng)應具有按時間、地點、事件等方式觸發(fā)存儲的策略，應避免無人值守機房連續(xù)對黑屏圖像進行存儲等情況發(fā)生，避免加大工程投資和維護成本。

無論采用何種架構(gòu)進行存儲系統(tǒng)搭建，龐大的視頻監(jiān)控系統(tǒng)都會存在成本較大、磁盤碎片及檢索性能等問題。隨著存儲技術(shù)不斷發(fā)展，不排除針對視頻存儲特點而專門開發(fā)存儲新技術(shù)的可能性。

4 智能分析技術(shù)

視頻智能分析技術(shù)已在鐵路得到大量應用，青藏鐵路和京津、石太、合寧、合武等高速鐵路已在咽喉區(qū)、公跨鐵立交橋等場所采用入侵探測和逗留檢測等視頻分析技術(shù)。目前智能分析技術(shù)主要分為以下2種。

4.1 后端視頻分析技術(shù)

在視頻接入節(jié)點的計算機/服務器上安裝視頻分析軟件，對接收到的視頻內(nèi)容進行分析稱為后端視頻分析。

4.2 前端視頻分析

通過嵌入到編碼器或攝像機中的硬件處理器，完成核心算法的運行和相關(guān)計算，實現(xiàn)視頻內(nèi)容分析的方法稱為前端視頻分析技術(shù)。

4.3 智能分析技術(shù)方案選擇

后端視頻分析技術(shù)配置靈活，系統(tǒng)可對指定攝像頭的視頻圖像實施分析，但由于視頻移動偵測算法全部由后臺服務器完成，要求后臺服務器有較強的數(shù)據(jù)處理能力。目前該技術(shù)應用案例較少。

前端視頻分析技術(shù)通過在前端加入視頻分析模塊，在前端模塊中對視頻圖像進行分析。當有違反規(guī)則的事件發(fā)生時，向后臺服務器報警并上傳相應信息。該技術(shù)響應時間較快，對網(wǎng)絡帶寬和后臺服務器資源占用較小。目前流行的視頻分析技術(shù)大多采用這一方式。其缺點是：將前端視頻分析攝像機和視頻分析模塊進行綁定，系統(tǒng)無法對隨意指定的攝像頭視頻圖像實施分析，靈活性稍差。

基于鐵路承載網(wǎng)絡現(xiàn)狀，建議視頻智能分析技術(shù)優(yōu)先選擇前端視頻分析技術(shù)。

5 互聯(lián)互通技術(shù)方案選擇

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設目標就是要通過統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一技術(shù)標準，實現(xiàn)各類視頻信息的充分共享和系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。其技術(shù)關(guān)鍵是協(xié)議和標準的統(tǒng)一，也就是要求各視頻監(jiān)控系統(tǒng)所對應的TCP/IP協(xié)議棧應用層的信令協(xié)議必須統(tǒng)一。

目前，用于網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的信令協(xié)議主要包括HTTP（超文本傳輸協(xié)議），RTSP（實時流協(xié)議）和SIP（會話初始協(xié)議）。HTTP屬于應用層面的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，適用于分布式超媒體信息系統(tǒng)；RTSP由IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務組）制定，該協(xié)議定義了客戶和服務器程序之間如何進行媒體播放會話控制的交互；SIP是IETF制定的多媒體通信系統(tǒng)框架協(xié)議之一，與RTSP一樣，它是基于文本的應用層控制協(xié)議，用于建立、修改和終止 IP 網(wǎng)上的雙方或多方多媒體會話。

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用HTTP協(xié)議傳輸信令流和媒體流，這種傳輸方式開銷大，不利于管理，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)需求。綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)應采用信令流和媒體流分通道傳輸方式。

SIP和RTSP協(xié)議都是基于文本的應用層信令協(xié)議，具備很強的擴展能力，采用媒體流和信令流分離的傳輸方式。SIP與RTSP的主要區(qū)別在于：

（1）RTSP協(xié)議基于TCP；SIP未對下層協(xié)議進行規(guī)定。

（2）SIP是一個會話協(xié)議，協(xié)議本身不具備媒體控制功能。針對具體應用，SIP需與其他協(xié)議配合使用，或進行協(xié)議擴展。RTSP相對較完整，除定義了會話控制信令外，還定義了完整的媒體控制信令，也提供了信令擴展功能。

（3）SIP會話可用于點對點或點對多點；RTSP會話一般是點對點。

綜上所述，SIP和RTSP協(xié)議各有利弊，但SIP協(xié)議簡單，靈活性好，擴展性強。除視頻監(jiān)控應用外，SIP還可在視頻會議、網(wǎng)絡視頻點播及各類網(wǎng)絡多媒體中應用，實際應用越來越廣泛，代表了未來的發(fā)展方向，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)宜采用SIP信令協(xié)議做會話控制。

系統(tǒng)無論選用SIP還是RTSP作為信令協(xié)議，報警信息無論采用信令通道還是數(shù)據(jù)（媒體流）通道傳輸，都應對協(xié)議擴展部分作出明確約定，才能做到真正的互連互通。

目前，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范已明確規(guī)定了系統(tǒng)的通信協(xié)議，并在《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）》規(guī)定了視頻節(jié)點互聯(lián)互通功能單元（認證授權(quán)單元AA、接入網(wǎng)關(guān)單元AGU、信令控制單元SCU）基礎(chǔ)上，進一步明確互聯(lián)互通需要增加的功能單元（目錄服務單元DSU、數(shù)據(jù)分發(fā)單元DDU、視頻系統(tǒng)代理SA），為系統(tǒng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)不同廠商平臺間控制協(xié)議、圖像編解碼的轉(zhuǎn)換，提供更為可行有效的技術(shù)解決方案。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)性構(gòu)建鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，除正確選擇組網(wǎng)、編解碼、存儲、智能分析、互聯(lián)互通等主要技術(shù)類型外，還應關(guān)注圖像高清、高效檢索、自動減幀、夜視、系統(tǒng)監(jiān)測及網(wǎng)管等技術(shù)應用，不能簡單孤立地選擇某個專項技術(shù)，只有將各項技術(shù)相互關(guān)聯(lián)起來，綜合運用并不斷加以完善，才能推動視頻監(jiān)控技術(shù)更好地應用與發(fā)展，為鐵路運輸生產(chǎn)服務作出更大貢獻。

[1] 全子一. 圖像信源壓縮編碼及信道傳輸理論與新技術(shù)[M]. 北京：北京工業(yè)大學出版社，2006

[2] 馮傳崗. AVS 我國第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標準[J]. 有線電視技術(shù)，2007（6）

[3] 鄒芳. 視頻分析技術(shù)綜述及鐵路應用初探[J]. 鐵路通信信號工程技術(shù)，2008（3）

[4] 鐵道部. 運基通信[2008]630號 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）[S]，2008