提高高鐵視頻監(jiān)控畫面質(zhì)量的研究與實(shí)踐

王 爽，劉偉川

（銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 銅川 727031）

隨著鐵路電氣化和現(xiàn)代化發(fā)展，高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)肩負(fù)著巡查、威懾、預(yù)警、取證、指揮救援等一系列重要的職責(zé)。高鐵視頻監(jiān)控畫面的質(zhì)量直接影響著高鐵工作的正常運(yùn)行，也關(guān)系著人民群眾的切身利益，因而不斷提高視頻監(jiān)控畫面質(zhì)量尤為重要。

1 研究背景和目的

在實(shí)際工作中，監(jiān)控視頻有時會出現(xiàn)不流暢現(xiàn)象，表現(xiàn)為跳幀、丟包現(xiàn)象，有時調(diào)取時彈出畫面速度很慢，由于鐵路沿線、道岔、咽喉、隧道口等附近對視頻信號的要求很高，對鐵路運(yùn)行安全形成隱患，必須采取有效措施提高鐵路視頻監(jiān)控畫面質(zhì)量。根據(jù)《中華人民共和國鐵道部鐵路有線通信維護(hù)暫行規(guī)則》中的圖像評價指標(biāo)體系，以鄭西高鐵視頻監(jiān)控畫面為例，畫面抖動率為5.48%，跳幀率為11.78%，畫面質(zhì)量不合格率為14.25%，必須依靠有效手段提高視頻監(jiān)控畫面質(zhì)量，要求采用的方法性能可靠，效果明顯，可實(shí)施性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)。

提高視頻監(jiān)控畫面質(zhì)量一方面要解決視頻圖像干擾問題，另一方面要解決圖像跳幀問題。擬設(shè)定研究目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)畫面無抖動，視頻畫面無明顯電磁干擾，畫面清晰；畫面基本流暢，較長時間內(nèi)無明顯跳幀現(xiàn)象；北監(jiān)控中心管轄視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面模糊干擾嚴(yán)重圖像數(shù)量降到3%以下；畫面跳幀（丟包）頻率降到0.3次/小時以下。

2 研究內(nèi)容

首先對監(jiān)控畫面不清晰的原因進(jìn)行分析，分別從設(shè)備終端和網(wǎng)絡(luò)層找到可能的原因如圖1所示：

圖1 監(jiān)控畫面不清晰的原因

對各項原因進(jìn)行逐一排查后發(fā)現(xiàn)，信號干擾和視頻交換機(jī)端口帶寬低是導(dǎo)致畫面不清晰的主要原因。

3 視頻圖像干擾問題

鐵路監(jiān)控系統(tǒng)處在一個非常嚴(yán)重的干擾區(qū)域，視頻信號所在的區(qū)域很多都有干擾信號，且干擾強(qiáng)弱不一。調(diào)取視頻監(jiān)控畫面發(fā)現(xiàn)，干擾最為嚴(yán)重的攝像頭大部分集中在牽引變電所，因此這部分干擾最有可能是電源干擾和脈沖干擾。電源干擾會導(dǎo)致視頻畫面出現(xiàn)輕微扭曲、圖像不穩(wěn)定；而脈沖干擾會導(dǎo)致視頻畫面出現(xiàn)跳動、閃爍。

復(fù)雜的干擾混在一起時，想消除干擾異常困難。之所以有信號干擾，主要是因?yàn)橐曨l信號在傳輸過程中混入了多種不同頻段的信號。如果嘗試給線路中加入一個可以過濾混入的信號濾波器，理論上會取得比較好的效果。

假定視頻信號的輸出幅度為U1，干擾信號的幅度為U2，則到達(dá)終端的視頻信號的幅度為源信號與干擾信號之和，即U1+U2（不考慮信號本身的衰減問題）。由此可見，經(jīng)過對信號先放大后壓縮的處理后，輸出到顯示設(shè)備的視頻信號仍可保持原有的幅度不變，而干擾信號幅度下降了n倍。這就是說，單從監(jiān)視器屏幕上看，原來很強(qiáng)的干擾會變?nèi)酰瓉聿粡?qiáng)的干擾變得很不明顯了。所以理論上看，添加視頻抗干擾器，可以有效地解決視頻畫面干擾嚴(yán)重問題。

4 視頻畫面跳幀問題

影響視頻流暢性的因素很多，而分布在不同地方、不同網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控視頻的影響因素也有很大差異，攝像機(jī)碼流，交換機(jī)性能，視頻服務(wù)器性能，網(wǎng)絡(luò)帶寬等因素均能影響視頻的流暢性，會導(dǎo)致視頻出現(xiàn)跳幀現(xiàn)象。通常來說，帶寬越高，視頻的流暢度也越高。

例如有4路視頻，每路視頻數(shù)據(jù)流為2Mbps，傳輸通道的帶寬應(yīng)設(shè)置為（4×2M）×125%左右，約為10M。在網(wǎng)絡(luò)帶寬偏低的情況下，需要提高網(wǎng)絡(luò)帶寬。通過數(shù)據(jù)配置為通道分配帶寬可以達(dá)到提高帶寬的效果。例如臨潼東三層交換機(jī)接入數(shù)據(jù)網(wǎng)帶寬為155M，然而交換機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)入端三個口的帶寬也為155M，出口帶寬明顯不足。只要提高交換機(jī)的端口帶寬，可以改善視頻畫面跳幀問題。

5 解決方案

通過對干擾和跳幀問題的解決方案進(jìn)行對比分析，從有效性、可操作性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性方面進(jìn)行綜合考量，最終選定加裝抗干擾器件和重新配置交換機(jī)端口帶寬作為解決方案。

6 實(shí)踐效果

6.1 抗干擾的實(shí)施效果

圖是添加干擾器前后的視頻圖像，從圖像質(zhì)量上能明顯看出，抗干擾的效果較好

圖2

6.2 解決跳幀的實(shí)施效果

研究區(qū)域共有監(jiān)控畫面621個，以48小時為時間節(jié)點(diǎn)，跳幀次數(shù)由原來的98次降至13次，畫面跳幀頻率由2.04降至0.26。由此可見，配置交換機(jī)、提高網(wǎng)絡(luò)帶寬、提高服務(wù)器性能對解決視頻跳幀現(xiàn)象效果顯著

6.3 總體效果

解決辦法方便快捷，成本低，效果明顯，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，將畫面質(zhì)量不合格率由14.25%降至3.6%，超過了預(yù)期的4%的目標(biāo)。從經(jīng)濟(jì)效益來看，與傳統(tǒng)敷設(shè)光纖方案進(jìn)行對比，現(xiàn)有方案可提高經(jīng)濟(jì)效益約140萬元。同時，畫面識別準(zhǔn)確率的提高，可避免工作人員多次重復(fù)檢測，從而有效降低勞動強(qiáng)度和難度，縮短工作時間，提高工作效率，可謂一舉多得。

后期，應(yīng)該采取以下措施鞏固新成果，①定期檢查抗干擾器，確保干擾器性能完好；②不定期檢查交換機(jī)端口配置，做好維護(hù)工作；③巡查視頻畫面情況，做好相關(guān)記錄和數(shù)據(jù)統(tǒng)計；④發(fā)現(xiàn)問題及時向工作人員反映，及時解決。

6.4 進(jìn)一步打算

高鐵的飛速發(fā)展對視頻監(jiān)控的要求越來越高，本文雖然在提高畫面質(zhì)量上做了一些工作，但畫面清晰度仍有待提高，下一步的研究重點(diǎn)將放在如何提高畫面清晰度上，以期更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。