鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案選擇

■ 趙樹學(xué) 馮敬然

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)由單獨(dú)一條線建設(shè)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(yīng)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(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)。

1.1 模擬視頻技術(shù)

20世紀(jì)80年代末，我國鐵路逐漸在特大型車站內(nèi)建設(shè)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(jì)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(jī)、專用電纜、視頻切換矩陣、模擬監(jiān)視器、模擬錄像設(shè)備和盒式錄像帶等構(gòu)成。由于維護(hù)工作繁瑣，缺少遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)功能，無法進(jìn)行遠(yuǎn)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(yīng)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(jì)90年代中期出現(xiàn)，逐步被市場認(rèn)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(biāo)志是用DVR設(shè)備代替了模擬視頻切換矩陣，將模擬視頻信號進(jìn)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(jī)，并可方便快速地對圖像信息進(jìn)行檢索。

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

1.3 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的新一代安全監(jiān)視系統(tǒng)。2006年12月，基于網(wǎng)絡(luò)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(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)的特點(diǎn)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(shí)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(shí)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(yuǎn)程控制訪問能力和存儲能力大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、擴(kuò)展靈活等。

1.4 組網(wǎng)技術(shù)方案選擇

借助網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)強(qiáng)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(diǎn)的有用信息，網(wǎng)絡(luò)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(shè)中得到廣泛應(yīng)用，一定時期內(nèi)必將日趨完善與成熟。

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笕萘考案咝裕畔⑻幚淼膶?shí)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(diǎn)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(shí)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(yuǎn)程傳輸?shù)囊曨l格式。視頻壓縮編碼是網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(yīng)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(jìn)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(biāo)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(dá)到DVD級圖像效果。網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行遠(yuǎn)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(fù)責(zé)高效視頻壓縮，網(wǎng)絡(luò)適配層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)適配，即針對不同的網(wǎng)絡(luò)要求，以恰當(dāng)?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。H.264可根據(jù)不同應(yīng)用增加不同的NAL片頭，以適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(yù)測、自適應(yīng)塊大小編碼模式、高精度亞像素運(yùn)動估計、多幀運(yùn)動補(bǔ)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(luò)適應(yīng)性更好，圖像質(zhì)量更好。但H.264性能上的改進(jìn)是以增加復(fù)雜性為代價的，實(shí)現(xiàn)難度也顯著增加。

2.3 AVS

AVS（音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。

AVS的編碼效率與H.264相當(dāng)，而算法復(fù)雜度僅相當(dāng)于H.264的30％，解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的70％，軟硬件實(shí)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(fèi)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(yīng)了多媒體信息應(yīng)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(shí)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)因發(fā)布較早，產(chǎn)品相對成熟，算法復(fù)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(biāo)準(zhǔn)，已有多家廠商提供H.264芯片，產(chǎn)品開始成熟。因采用多項(xiàng)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(jìn)程落后于H.264，但AVS的編碼效率與H.264相當(dāng)，軟硬件實(shí)現(xiàn)成本都低于H.264。可以預(yù)見，AVS標(biāo)準(zhǔn)將成為支撐國家數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。

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(shí)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(luò)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(yīng)用結(jié)構(gòu)、存儲容量、用戶分布、網(wǎng)絡(luò)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(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案、系統(tǒng)應(yīng)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(wù)器為中心的存儲結(jié)構(gòu)，采用存儲設(shè)備直接和服務(wù)器連接，接口主要為SCSI（Sm all Com puter System In terface，小型計算機(jī)系統(tǒng)接口）。存儲設(shè)備可外掛在服務(wù)器上，也可內(nèi)置于服務(wù)器。服務(wù)器連接在網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上任何客戶端訪問某存儲設(shè)備上的資源必須經(jīng)過服務(wù)器。由于連接在每個采集點(diǎn)服務(wù)器上的存儲設(shè)備是獨(dú)立的，視頻網(wǎng)絡(luò)上的存儲設(shè)備無法實(shí)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(luò)），是一種以網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(dú)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(shè)備專門服務(wù)于所連接的服務(wù)器，而SAN模式下所有存儲設(shè)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(luò)，則可實(shí)現(xiàn)IP SAN存儲技術(shù)，其成本較采用光纖通道標(biāo)準(zhǔn)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(luò)連接存儲），是一種專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)文件存儲和文件備份設(shè)備。采用網(wǎng)絡(luò)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(wù)器，通過與網(wǎng)絡(luò)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(shè)置較為簡單；即插即用產(chǎn)品，用戶可直接通過網(wǎng)絡(luò)共享NAS設(shè)備中的數(shù)據(jù)，解決了DAS存儲對服務(wù)器的依賴及服務(wù)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(jìn)行“塊”存儲，而NAS技術(shù)主要是進(jìn)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(yīng)用于存儲視頻路數(shù)較少的地方（Ⅰ，Ⅱ類視頻節(jié)點(diǎn)），宜應(yīng)用在分散存儲模式中；SAN技術(shù)適合應(yīng)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(diǎn)），較為廣泛地應(yīng)用在集中存儲模式下；當(dāng)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(yīng)用質(zhì)量。系統(tǒng)應(yīng)具有按時間、地點(diǎn)、事件等方式觸發(fā)存儲的策略，應(yīng)避免無人值守機(jī)房連續(xù)對黑屏圖像進(jìn)行存儲等情況發(fā)生，避免加大工程投資和維護(hù)成本。

無論采用何種架構(gòu)進(jìn)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(diǎn)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(yīng)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(diǎn)的計算機(jī)/服務(wù)器上安裝視頻分析軟件，對接收到的視頻內(nèi)容進(jìn)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(jī)中的硬件處理器，完成核心算法的運(yùn)行和相關(guān)計算，實(shí)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(shí)施分析，但由于視頻移動偵測算法全部由后臺服務(wù)器完成，要求后臺服務(wù)器有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。目前該技術(shù)應(yīng)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(jìn)行分析。當(dāng)有違反規(guī)則的事件發(fā)生時，向后臺服務(wù)器報警并上傳相應(yīng)信息。該技術(shù)響應(yīng)時間較快，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和后臺服務(wù)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(diǎn)是：將前端視頻分析攝像機(jī)和視頻分析模塊進(jìn)行綁定，系統(tǒng)無法對隨意指定的攝像頭視頻圖像實(shí)施分析，靈活性稍差。

基于鐵路承載網(wǎng)絡(luò)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(shè)目標(biāo)就是要通過統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，也就是要求各視頻監(jiān)控系統(tǒng)所對應(yīng)的TCP/IP協(xié)議棧應(yīng)用層的信令協(xié)議必須統(tǒng)一。

目前，用于網(wǎng)絡(luò)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(shí)時流協(xié)議）和SIP（會話初始協(xié)議）。HTTP屬于應(yīng)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(wù)組）制定，該協(xié)議定義了客戶和服務(wù)器程序之間如何進(jìn)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(yīng)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(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)需求。綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用層信令協(xié)議，具備很強(qiáng)的擴(kuò)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(jìn)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(yīng)用，SIP需與其他協(xié)議配合使用，或進(jìn)行協(xié)議擴(kuò)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(kuò)展功能。

（3）SIP會話可用于點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)；RTSP會話一般是點(diǎn)對點(diǎn)。

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(kuò)展性強(qiáng)。除視頻監(jiān)控應(yīng)用外，SIP還可在視頻會議、網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播及各類網(wǎng)絡(luò)多媒體中應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)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(yīng)對協(xié)議擴(kuò)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(diǎn)互聯(lián)互通功能單元（認(rèn)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(jìn)一步明確互聯(lián)互通需要增加的功能單元（目錄服務(wù)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(shí)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(yīng)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(yīng)用，不能簡單孤立地選擇某個專項(xiàng)技術(shù)，只有將各項(xiàng)技術(shù)相互關(guān)聯(lián)起來，綜合運(yùn)用并不斷加以完善，才能推動視頻監(jiān)控技術(shù)更好地應(yīng)用與發(fā)展，為鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)服務(wù)作出更大貢獻(xiàn)。

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