高速公路高清視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用分析

摘要：隨著我國高速公路的迅猛發(fā)展，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高，模擬或標(biāo)清視頻監(jiān)控系統(tǒng)對重點部位監(jiān)控的表現(xiàn)越來越不盡人意，不能優(yōu)質(zhì)地捕捉和辨識相關(guān)目標(biāo)，而高清視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用則很好地解決了這個問題。

關(guān)鍵詞：高速公路；高清視頻；技術(shù)分析

中圖分類號：U412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0105-02

隨著高速公路的迅猛發(fā)展，其技術(shù)和管理水平的要求也在不斷提升，這其中對高速公路進(jìn)行實時監(jiān)控的視頻技術(shù)顯得越來越重要，也正是因為如此，傳統(tǒng)的圖像監(jiān)控技術(shù)已不能滿足各類工作分析需求。光學(xué)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，使得高清視頻監(jiān)控技術(shù)越來越成熟，已完全能滿足高速公路實施高清視頻監(jiān)控的要求。

1 視頻清晰度概述

標(biāo)清、高清、全高清主要是指視頻監(jiān)控圖像清晰度的高低，對視頻監(jiān)控來說，圖像清晰度的高低十分重要。要討論高清視頻技術(shù)，首先需要明確清晰度的劃分，目前清晰度劃分主要依據(jù)廣電行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，其中視頻分辨率及感光元件像素對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示：

1.1 標(biāo)清

標(biāo)清是指分辨率在720P以下的一種視頻格式（Standard Definition），簡稱SD。標(biāo)清視頻監(jiān)控是目前使用較廣的模擬視頻監(jiān)控，主要包含模擬攝像機、普通鏡頭、光端機（編解碼器）和存儲介質(zhì)等設(shè)備。模擬信號經(jīng)過數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及其他視頻損傷的影響，實際形成人眼可觀看圖像是，效果已經(jīng)打了很大的折扣，這也就是高速管理人員常常無法看清車牌等的主要原因。

1.2 高清

高清是指分辨率達(dá)到720p（視頻垂直分辨率720線逐行掃描）或1080I（1080電視線各行掃描）以上的一種視頻格式（High Definition），簡稱HD。目前真正的高清視頻格式主要為：720P（視屏分辨率為1280×720，視頻寬縱比為16∶9，逐行掃描/60Hz），1080I（視屏分辨率為1920×1080，視頻寬縱比為16∶9，隔行掃描/60Hz），1080P（視屏分辨率為1920×1080，視頻寬縱比為16∶9，逐行掃描/60Hz），其中720P和1080P為最常用的格式。

1.3 全高清

全高清其實是在高清的概念中剝離了一部分，主要是指視屏分辨率為1920×1080，包括1080I和1080P，其中1080P的畫質(zhì)要遠(yuǎn)勝于1080I，主要由于1080P采用的是逐行掃描，因此在數(shù)據(jù)傳輸過程中信息更加豐富，使得還原出的畫面更加豐滿，畫質(zhì)更加清晰。

1.4 高清視頻的優(yōu)勢

一方面，通過圖1可以看出，對于同一個監(jiān)控目標(biāo)來說，采用D1視頻標(biāo)準(zhǔn)，單幅圖像數(shù)為40萬；采用720P視頻標(biāo)準(zhǔn)，單幅圖像數(shù)為90萬，采用1080P視頻標(biāo)準(zhǔn)，單幅圖像數(shù)可高達(dá)200萬。由此可見，采用高清視頻監(jiān)控可以得到目標(biāo)的更多細(xì)節(jié)情況，對于目標(biāo)做深入的分析提供幫助。

另一方面，在高清攝像機安裝廣角鏡頭，能夠?qū)?～4倍的標(biāo)清攝像機監(jiān)控范圍進(jìn)行視頻監(jiān)控，卻能夠得到與原標(biāo)清攝像機監(jiān)控同樣的清晰度。換句話說，在原來需要使用2～4臺標(biāo)清監(jiān)控攝像機的區(qū)域只需安裝一臺攝像機，提高工作效率的同時降低維護(hù)工作量。

2 高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 高清圖像采集設(shè)備

要組建高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，高清圖像采集設(shè)備是必不可少的。為滿足圖像目標(biāo)深入分析的要求，高清圖像采集設(shè)備應(yīng)具備高分辨率、高清晰度以及色彩豐富的特性。目前高清圖像采集設(shè)備主要分為高清網(wǎng)絡(luò)攝像機和HD-SDI高清攝像機兩類。

（1）高清網(wǎng)絡(luò)攝像機。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機采集的數(shù)據(jù)不經(jīng)過封裝，通過普通網(wǎng)絡(luò)傳輸，帶寬占用小，傳輸距離遠(yuǎn)。但由于數(shù)據(jù)不進(jìn)行封裝，因此存在網(wǎng)絡(luò)安全問題，同時其數(shù)據(jù)傳輸效果直接受到網(wǎng)絡(luò)狀況的制約，因此高清網(wǎng)絡(luò)攝像機主要用在組建對圖像實時性要求不高的監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）HD-SDI高清攝像機。HD-SDI高清攝像機是將機芯采集的高清信號進(jìn)行格式封裝后，輸出未經(jīng)壓縮處理的原始數(shù)據(jù)通過HD-SDI線纜傳輸，因此數(shù)據(jù)安全性較高，數(shù)據(jù)傳輸延遲較小，同時其圖像還原效果比高清網(wǎng)絡(luò)攝像機更真實、細(xì)膩，這是HD-SDI高清攝像機的主要優(yōu)勢。但是HD-SDI高清攝像機數(shù)據(jù)傳輸距離較短，若要進(jìn)行長距離傳輸，必須經(jīng)由SDI高清光端機傳輸。另外HD-SDI高清攝像機采集圖像為無損處理，所以必須要經(jīng)過支持高清的壓縮設(shè)備做壓縮處理后才能存儲，因此成本投入較大。HD-SDI高清攝像機主要用在組建對圖像實時性、真實性以及豐滿性較高的監(jiān)控系統(tǒng)中。

除上述分析外，在組建高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)時還應(yīng)根據(jù)傳輸、存儲、數(shù)據(jù)還原設(shè)備等綜合因素選擇高清圖像采集設(shè)備。

2.2 高清視頻傳輸設(shè)備

高清圖像采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)需要通過支持高清視頻傳輸?shù)脑O(shè)備進(jìn)行傳輸。對應(yīng)于高清圖像采集系統(tǒng)，高清視頻傳輸設(shè)備也為兩類：支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)光端機和支持HD-SDI視頻傳輸?shù)腟DI高清光端機。一般高清網(wǎng)絡(luò)攝像機數(shù)據(jù)傳輸占用帶寬為8～16M，根據(jù)光纖網(wǎng)絡(luò)帶寬合理傳輸一定路數(shù)的視頻圖像；HD-SDI高清攝像機數(shù)據(jù)占用帶寬1G以上，帶寬要求高，傳輸成本也相對較高。

2.3 高清監(jiān)視器

高清監(jiān)視器是高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，只有通過高清監(jiān)視器我們才能觀看到圖像采集設(shè)備采集到的圖像。目前高清監(jiān)視器接口以HDMI、DVI、SDI為主，需要特別注意的是HD-SDI高清攝像機必須要接入真實的HD-SDI高清監(jiān)視器。

2.4 高清視頻數(shù)據(jù)存儲

高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲容量要求大且可靠性要求高，這對高清視頻數(shù)據(jù)存儲提出了較高的要求，目前使用的存儲方式包括NVR和IP-SAN。

（1）NVR。NVR（網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機）主要功能是通過網(wǎng)絡(luò)接收高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲、管理。若對應(yīng)圖像采集設(shè)備為HD-SDI高清攝像機時，則需要將高清圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264壓縮編碼后再進(jìn)行存儲。NVR采用全網(wǎng)絡(luò)化的分布式架構(gòu)，具有成本低、部署靈活、安裝簡單以及存儲可靠的特點，大大促進(jìn)了高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實用化。

（2）IP-SAN。隨著高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的劇增，普通硬盤已無法滿足存儲需求。IP-SAN主要利用第三方服務(wù)器導(dǎo)入和導(dǎo)出數(shù)據(jù)（俗稱“云存儲”），具有超強的集中存儲能力，便于數(shù)據(jù)的集中化管理，同時在長距離傳輸及管理方面表現(xiàn)突出，能夠明顯地降低運營成本。

3 高清視頻監(jiān)控在高速公路的典型應(yīng)用

通過上述分析可以得知，高清視頻監(jiān)控比標(biāo)清視頻監(jiān)控分辨率更高、清晰度更好、色彩更加豐富，但高清視頻監(jiān)控的成本投入也較大。根據(jù)實際工作經(jīng)驗，高速公路沒有必要全部采用高清視頻監(jiān)控，只有根據(jù)不同區(qū)域的監(jiān)控重點、內(nèi)容以及需求對高清和標(biāo)清視頻監(jiān)控進(jìn)行合理配置，才能做到經(jīng)濟性和技術(shù)性的平衡。

一般在以下部位可以安裝高清攝像機：在高速公路收費系統(tǒng)中，收費廣場、安保要害部位和部分人工收費亭；在外場監(jiān)控系統(tǒng)中，重要橋梁和互通區(qū)；在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，隧道的出入口。這樣有重點地布置高清攝像機可以使整條高速公路受益于“高清晰化”，彌補了標(biāo)清視頻監(jiān)控系統(tǒng)清晰度不足的同時，合理利用有限資源發(fā)揮了系統(tǒng)最大的潛力。

4 結(jié)語

高清視頻監(jiān)控技術(shù)在高速公路行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，但如何通過分析高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成，進(jìn)一步合理配置高清-標(biāo)清視頻監(jiān)控，兼顧技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟性，充分發(fā)揮高清視頻監(jiān)控的優(yōu)勢，仍然是一個值得深入探討的課題。

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作者簡介：周光華（1987—），男，湖南衡陽人，供職于廣東省高速公路有限公司京珠北分公司，研究方向：高速公路三大系統(tǒng)（收費、監(jiān)控及通信系統(tǒng)）工程管理。