鐵路綜合視頻監控系統方案設計

寧 娟

鐵路綜合視頻監控系統方案設計

寧 娟*

從鐵路綜合視頻監控系統的業務需求出發,分析了鐵路視頻監控系統方案的選擇,提出了智能數字視頻監控系統是鐵路視頻監控系統的發展方向。并對H.264、M-JPEG、MPEG-4幾種視頻壓縮編碼方案的優缺點進行比較,選擇了適合鐵路視頻監控的編解碼方案。

鐵路;視頻監控;設計

隨著鐵路綜合視頻監控系統的應用越來越廣泛,在方案設計中應特別考慮以下幾個方面。

1 監控點選擇

鐵路綜合視頻監控系統主要是為行車調度員、信號值班員、電力調度員、供電值班員、鐵通公司、公安派出所、客運值班員等提供線路重點部位的監測。監控點一般選擇在如道岔區、特大橋隧、公路跨越鐵路處、通信機械室、信號機械室、運轉室、配電所、牽引變電所、分區所、候車室、站臺、進出站口、站前廣場等地,以便了解人員進入、設備運行安全等情況。該系統應具有完善的系統管理、故障管理、錄像管理、權限管理及視頻行為分析等功能,并與動力環境監控系統、防災安全監控系統實行聯動。

2 系統方案選擇

2.1 模擬、數字及全數字視頻監控系統

視頻監控系統發展到今天已經歷了3代:第1代為模擬系統(VCR),由模擬攝像機、模擬監視器、視頻切換矩陣及模擬錄像設備構成;第2代為模擬與數字相結合的方式,即前端采用模擬攝像機,通過編碼器將模擬信號轉換為數字信號,再經過壓縮,通過IP網絡上傳,實現了視頻信號數字化存儲、視頻檔案信息數字化傳播和視頻圖像共享;第3代為數字視頻監控系統,即采用數字攝像機,通過IP網絡組網,用戶可以通過網絡上的任意一臺電腦來觀看、錄制和管理實時的視頻信息。網絡的管理和擴展性更強。

這3代視頻監控系統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。隨著攝像內容的大量增加,視頻監控系統在很大程度上失去了預防與積極干預功能,系統明顯存在誤報、漏報、報警響應時間長、錄像數據分析困難等缺陷,降低了整個系統的安全性和實用性,所以視頻監控系統必須向著智能化方向發展。

2.2 智能視頻技術

智能視頻技術借助計算機的數據處理能力,自動識別和分析圖像所含的信息,過濾用戶不關心的信息,為監控人員提供有用的信息。例如,在車站人員密集的區域進行客流量統計及人群控制,包括人群的整體運動特征如速度、方向等,避免形成擁塞,及時提醒工作人員注意,并采取必要的防范措施;對車站及區間重點區域遺留物、異物侵限的監視;對可疑人員及移動物品通過不同的攝像機進行跟蹤;對機房人員出入的監視;對配電設備工作狀態的監視等等。智能數字視頻監控系統是發展方向,在進行投資和實用性比較的情況下,可適當采用。

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,將某個視頻格式的文件轉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用的編解碼標準有國際電聯(ITU-T)的H.264、運動靜止圖像專家組的M-JPEG和國際標準化組織(ISO)運動圖像專家組的MPEG-4系列標準。

M-JPEG(Motion JPEG)壓縮技術,主要是基于靜態視頻壓縮發展起來的,其主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化,只單獨對某一幀進行壓縮。該項技術可以獲取清晰度很高的視頻圖像,可以動態調整幀率、分辨率。但由于沒有考慮到幀間變化,會造成大量冗余信息被重復存儲,因此單幀視頻的占用空間較大。目前流行的M-JPEG技術最好的也只能做到每幀字節數3KB,通常需要8～20KB。由于無法進行大比例壓縮,數據量較高,錄像每小時占用1～2GB空間,網絡傳輸耗費大量的帶寬資源,不太適用于移動物體圖像的壓縮,也不太適用于國內長時間保存錄像的需求。

MPEG-1標準主要針對SIF標準分辨率(NTSC制為352×240,PAL制為352×288)的圖像進行壓縮。壓縮位率主要目標為1.5Mb/s。較M-JPEG技術,MPEG-1在實時壓縮、每幀數據量、處理速度上有顯著提高。但MPEG-1也有較多缺點:存儲容量還是過大、清晰度不夠高和網絡傳輸困難。

MPEG-2在MPEG-1基礎上進行了擴充和提升,和MPEG-1向下兼容,主要針對存儲媒體、數字電視、高清晰等應用領域,分辨率為:低(352 ×288),中(720×480),次高(1440×1080),高(1920×1080)。MPEG-2視頻相對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,使得存儲容量還是太大,也不適合網絡傳輸。

MPEG-4視頻壓縮算法相對于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有顯著提高,是在CIF(352×288)標清或者更高清晰度4CIF(768×576)情況下的視頻壓縮,可以方便地動態調整幀率、比特率,以降低存儲量。錄像每小時占用100～200MB空間,圖像清晰度高,達到了DVD級圖像效果。網絡傳輸占用帶寬小,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行遠程視頻圖像傳輸。2001年ISO的MPEG專家組和ITU-T的VCEG視頻專家組組成視頻聯合工作組(JVT),共同推進視頻壓縮技術的進步。2003年3月,JVT形成了最終標準草案,分別提交ITU-T和ISO/ IEC。因此,該標準在ITU-T稱為H.264,在ISO/ IEC稱為MPEG-4的第10部分:先進視頻編碼(AVC)。

H.264的算法在概念上可以分為2層:視頻編碼層負責高效的視頻壓縮,網絡適配層負責網絡的適配,即針對不同的網絡要求,以恰當的方式對數據進行打包和傳送。這改變了傳統的視頻編碼編完的視頻碼流,在任何應用領域下都是統一的碼流模式,H.264可以根據不同應用,增加不同的NAL片頭,以適應不同的網絡應用環境,減少碼流的傳輸差錯。H.264采用了很多新技術,如幀內預測、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、4×4塊的整形變換編碼等,大大節省了帶寬資源,H.264的碼流相比較MPEG-4還要節省30%～50%的資源。網絡適應性更好,圖像質量更好。但是H.264所帶來的性能上的改進是以增加復雜性為代價的,實現難度顯著增加。

從技術發展上看,H.264優于MPEG-4,但MPEG-4標準發布比H.264早4年,MPEG-4商品化腳步快,市場占有率較高。所以這2種編碼技術均可應用于鐵路視頻監控中。

另外,MPEG-4和H.264高昂的專利費會阻礙其商業應用,而具有自主知識產權的AVS編碼技術的發展趨勢還需要進一步觀察。

4 系統兼容性選擇

鐵路綜合視頻監控系統是一條線、一條線單獨建設的,要實現視頻監控聯網,就需要通過網絡實現數據信號的傳輸和交換,并通過網絡完成對系統內所有節點設備的管理與控制,用戶登錄到網絡平臺,就可實現對全網視頻資源的調用。網絡管理設備也需要監控,要能夠管理本地和遠程的視頻監控系統資源,因此,系統應具有網絡環境下多用戶的管理功能,具有很高的穩定性和可靠性,同時兼容眾多廠家的監控設備。

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

[2] 張季.未來視頻監控系統的走向:智能化視頻監控系統[J].中國安防,2008,11.

[3] 呂立波.電視監控技術現狀及發展前瞻[J].中國公共安全,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

*中鐵第一勘察設計院集團有限公司 高級工程師,710043 西安

2009-10-28

(責任編輯:諸紅)

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