鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

寧 娟

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

寧 娟*

從鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求出發(fā),分析了鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案的選擇,提出了智能數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。并對(duì)H.264、M-JPEG、MPEG-4幾種視頻壓縮編碼方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較,選擇了適合鐵路視頻監(jiān)控的編解碼方案。

鐵路;視頻監(jiān)控;設(shè)計(jì)

隨著鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)特別考慮以下幾個(gè)方面。

1 監(jiān)控點(diǎn)選擇

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是為行車調(diào)度員、信號(hào)值班員、電力調(diào)度員、供電值班員、鐵通公司、公安派出所、客運(yùn)值班員等提供線路重點(diǎn)部位的監(jiān)測(cè)。監(jiān)控點(diǎn)一般選擇在如道岔區(qū)、特大橋隧、公路跨越鐵路處、通信機(jī)械室、信號(hào)機(jī)械室、運(yùn)轉(zhuǎn)室、配電所、牽引變電所、分區(qū)所、候車室、站臺(tái)、進(jìn)出站口、站前廣場(chǎng)等地,以便了解人員進(jìn)入、設(shè)備運(yùn)行安全等情況。該系統(tǒng)應(yīng)具有完善的系統(tǒng)管理、故障管理、錄像管理、權(quán)限管理及視頻行為分析等功能,并與動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)行聯(lián)動(dòng)。

2 系統(tǒng)方案選擇

2.1 模擬、數(shù)字及全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)歷了3代:第1代為模擬系統(tǒng)(VCR),由模擬攝像機(jī)、模擬監(jiān)視器、視頻切換矩陣及模擬錄像設(shè)備構(gòu)成;第2代為模擬與數(shù)字相結(jié)合的方式,即前端采用模擬攝像機(jī),通過編碼器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),再經(jīng)過壓縮,通過IP網(wǎng)絡(luò)上傳,實(shí)現(xiàn)了視頻信號(hào)數(shù)字化存儲(chǔ)、視頻檔案信息數(shù)字化傳播和視頻圖像共享;第3代為數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng),即采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī),通過IP網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng),用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)上的任意一臺(tái)電腦來觀看、錄制和管理實(shí)時(shí)的視頻信息。網(wǎng)絡(luò)的管理和擴(kuò)展性更強(qiáng)。

這3代視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖然在功能和性能上逐代提高,但仍然是靠人來觀察和分析圖像。隨著攝像內(nèi)容的大量增加,視頻監(jiān)控系統(tǒng)在很大程度上失去了預(yù)防與積極干預(yù)功能,系統(tǒng)明顯存在誤報(bào)、漏報(bào)、報(bào)警響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、錄像數(shù)據(jù)分析困難等缺陷,降低了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性,所以視頻監(jiān)控系統(tǒng)必須向著智能化方向發(fā)展。

2.2 智能視頻技術(shù)

智能視頻技術(shù)借助計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力,自動(dòng)識(shí)別和分析圖像所含的信息,過濾用戶不關(guān)心的信息,為監(jiān)控人員提供有用的信息。例如,在車站人員密集的區(qū)域進(jìn)行客流量統(tǒng)計(jì)及人群控制,包括人群的整體運(yùn)動(dòng)特征如速度、方向等,避免形成擁塞,及時(shí)提醒工作人員注意,并采取必要的防范措施;對(duì)車站及區(qū)間重點(diǎn)區(qū)域遺留物、異物侵限的監(jiān)視;對(duì)可疑人員及移動(dòng)物品通過不同的攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤;對(duì)機(jī)房人員出入的監(jiān)視;對(duì)配電設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)視等等。智能數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是發(fā)展方向,在進(jìn)行投資和實(shí)用性比較的情況下,可適當(dāng)采用。

3 視頻壓縮方案選擇

所謂視頻編碼方式就是指通過特定的壓縮技術(shù),將某個(gè)視頻格式的文件轉(zhuǎn)換成另一種視頻格式的文件。目前,視頻流傳輸中最為廣泛應(yīng)用的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)際電聯(lián)(ITU-T)的H.264、運(yùn)動(dòng)靜止圖像專家組的M-JPEG和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)運(yùn)動(dòng)圖像專家組的MPEG-4系列標(biāo)準(zhǔn)。

M-JPEG(Motion JPEG)壓縮技術(shù),主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來的,其主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化,只單獨(dú)對(duì)某一幀進(jìn)行壓縮。該項(xiàng)技術(shù)可以獲取清晰度很高的視頻圖像,可以動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率、分辨率。但由于沒有考慮到幀間變化,會(huì)造成大量冗余信息被重復(fù)存儲(chǔ),因此單幀視頻的占用空間較大。目前流行的M-JPEG技術(shù)最好的也只能做到每幀字節(jié)數(shù)3KB,通常需要8～20KB。由于無法進(jìn)行大比例壓縮,數(shù)據(jù)量較高,錄像每小時(shí)占用1～2GB空間,網(wǎng)絡(luò)傳輸耗費(fèi)大量的帶寬資源,不太適用于移動(dòng)物體圖像的壓縮,也不太適用于國(guó)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間保存錄像的需求。

MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)SIF標(biāo)準(zhǔn)分辨率(NTSC制為352×240,PAL制為352×288)的圖像進(jìn)行壓縮。壓縮位率主要目標(biāo)為1.5Mb/s。較M-JPEG技術(shù),MPEG-1在實(shí)時(shí)壓縮、每幀數(shù)據(jù)量、處理速度上有顯著提高。但MPEG-1也有較多缺點(diǎn):存儲(chǔ)容量還是過大、清晰度不夠高和網(wǎng)絡(luò)傳輸困難。

MPEG-2在MPEG-1基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充和提升,和MPEG-1向下兼容,主要針對(duì)存儲(chǔ)媒體、數(shù)字電視、高清晰等應(yīng)用領(lǐng)域,分辨率為:低(352 ×288),中(720×480),次高(1440×1080),高(1920×1080)。MPEG-2視頻相對(duì)MPEG-1提升了分辨率,滿足了用戶高清晰的要求,但由于壓縮性能沒有多少提高,使得存儲(chǔ)容量還是太大,也不適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。

MPEG-4視頻壓縮算法相對(duì)于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有顯著提高,是在CIF(352×288)標(biāo)清或者更高清晰度4CIF(768×576)情況下的視頻壓縮,可以方便地動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率、比特率,以降低存儲(chǔ)量。錄像每小時(shí)占用100～200MB空間,圖像清晰度高,達(dá)到了DVD級(jí)圖像效果。網(wǎng)絡(luò)傳輸占用帶寬小,一般一路圖像占用帶寬在1.5～2Mb/s,能夠通過各種傳輸方式進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻圖像傳輸。2001年ISO的MPEG專家組和ITU-T的VCEG視頻專家組組成視頻聯(lián)合工作組(JVT),共同推進(jìn)視頻壓縮技術(shù)的進(jìn)步。2003年3月,JVT形成了最終標(biāo)準(zhǔn)草案,分別提交ITU-T和ISO/ IEC。因此,該標(biāo)準(zhǔn)在ITU-T稱為H.264,在ISO/ IEC稱為MPEG-4的第10部分:先進(jìn)視頻編碼(AVC)。

H.264的算法在概念上可以分為2層:視頻編碼層負(fù)責(zé)高效的視頻壓縮,網(wǎng)絡(luò)適配層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的適配,即針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)要求,以恰當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。這改變了傳統(tǒng)的視頻編碼編完的視頻碼流,在任何應(yīng)用領(lǐng)域下都是統(tǒng)一的碼流模式,H.264可以根據(jù)不同應(yīng)用,增加不同的NAL片頭,以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境,減少碼流的傳輸差錯(cuò)。H.264采用了很多新技術(shù),如幀內(nèi)預(yù)測(cè)、自適應(yīng)塊大小編碼模式、高精度亞像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)、多幀運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)、4×4塊的整形變換編碼等,大大節(jié)省了帶寬資源,H.264的碼流相比較MPEG-4還要節(jié)省30%～50%的資源。網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性更好,圖像質(zhì)量更好。但是H.264所帶來的性能上的改進(jìn)是以增加復(fù)雜性為代價(jià)的,實(shí)現(xiàn)難度顯著增加。

從技術(shù)發(fā)展上看,H.264優(yōu)于MPEG-4,但MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布比H.264早4年,MPEG-4商品化腳步快,市場(chǎng)占有率較高。所以這2種編碼技術(shù)均可應(yīng)用于鐵路視頻監(jiān)控中。

另外,MPEG-4和H.264高昂的專利費(fèi)會(huì)阻礙其商業(yè)應(yīng)用,而具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AVS編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)還需要進(jìn)一步觀察。

4 系統(tǒng)兼容性選擇

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一條線、一條線單獨(dú)建設(shè)的,要實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng),就需要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸和交換,并通過網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備的管理與控制,用戶登錄到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),就可實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)視頻資源的調(diào)用。網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備也需要監(jiān)控,要能夠管理本地和遠(yuǎn)程的視頻監(jiān)控系統(tǒng)資源,因此,系統(tǒng)應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多用戶的管理功能,具有很高的穩(wěn)定性和可靠性,同時(shí)兼容眾多廠家的監(jiān)控設(shè)備。

[1] 林信良.決戰(zhàn)未來視頻市場(chǎng)H.264沖擊MPEG-4[J].電子技術(shù),2008,11.

[2] 張季.未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)的走向:智能化視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)安防,2008,11.

[3] 呂立波.電視監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前瞻[J].中國(guó)公共安全,2006,12.

Based on the service requirements of railway comprehensive videomonitoring system,this paper analyzes optional solutions of railway comprehensive video monitoring system and proposes intelligent digital solution shall be the development direction of railway comprehensive videomonitoring.Furthermore,a comparison ofadvantagesand disadvantages of several video codingmodes,such as H.264,MJPEG,MPEG-4,weremade and the best suitablemodes for railway videomonitoring system are chosen.

Railway;Videomonitoring;Design

*中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 高級(jí)工程師,710043 西安

2009-10-28

(責(zé)任編輯:諸紅)

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