簡談高清技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

王小鳳

（北京國鐵華晨通信信息技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 鐵路綜合視頻系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)鐵路通信網(wǎng)及視頻網(wǎng)建設(shè)特點(diǎn)，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用多級(jí)架構(gòu)方式，分為采集點(diǎn)、I類接入節(jié)點(diǎn)、II類接入節(jié)點(diǎn)、區(qū)域節(jié)點(diǎn)和核心節(jié)點(diǎn)，對(duì)視頻流采用分發(fā)/轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。而圖像清晰度方面，目前鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)標(biāo)清標(biāo)準(zhǔn)，前端采用模擬攝像機(jī)，后端使用數(shù)字視頻編碼器進(jìn)行圖像的編碼壓縮，圖像質(zhì)量基本在30～40萬像素清晰度。對(duì)圖像分辨率要求以CIF（352×288）為單位，最高分辨率要求為4CIF（704×576）。根據(jù)監(jiān)控場(chǎng)景不同，通信、信號(hào)、電力機(jī)房內(nèi)部，均采用CIF分辨率；機(jī)房外、鐵路沿線、車站內(nèi)旅服視頻均按照4CIF分辨率進(jìn)行要求。

2 高清技術(shù)

2.1 高清技術(shù)基本概念

高清技術(shù)是在廣播電視領(lǐng)域首先被提出的，最早是由美國電影電視工程師協(xié)會(huì)（SMPTE）等權(quán)威機(jī)構(gòu)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。視頻監(jiān)控領(lǐng)域同樣也廣泛沿用了廣播電視的標(biāo)準(zhǔn)，將“高清”定義為720P（1280×720，逐 行）、1080I（1920×1080，隔行）與1080P（1920×1080，逐行）3種標(biāo)準(zhǔn)形式。?也就是說，對(duì)最低標(biāo)準(zhǔn)的高清圖像（720P）來說，有效像素已可達(dá)到130萬。而最高級(jí)別的全高清1080P圖像，甚至達(dá)到了300萬像素。

高清視頻監(jiān)控大體分為3個(gè)階段，俗稱三代。第一階段，主要適用于小場(chǎng)景監(jiān)控的百萬像素IP攝像機(jī)+視頻管理軟件模式；第二階段，能夠基本滿足大型監(jiān)控系統(tǒng)需求的高清IP攝像機(jī)+光端機(jī)+解碼器+高清顯示+高清存儲(chǔ)模式的第二代高清監(jiān)控系統(tǒng)；第三階段，融合模擬標(biāo)清、IP高清、HD-SDI高清3種技術(shù)的高清監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 高清技術(shù)常見實(shí)現(xiàn)方式——網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，也叫IP攝像機(jī)，即IP?CAMERA，簡稱IPC。在近幾年得益于網(wǎng)絡(luò)帶寬、芯片技術(shù)、編碼算法、存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步而得到大力發(fā)展。IPC的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在“IP”上，即支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的攝像機(jī)。IPC可以看成是模擬攝像機(jī)與視頻編碼器的結(jié)合體，從圖像質(zhì)量指標(biāo)講，又可以實(shí)現(xiàn)高于模擬攝像機(jī)與視頻編碼器的效果。IPC是新一代網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的核心硬件設(shè)備，通常采用嵌入式架構(gòu)，集成了視頻音頻采集、信號(hào)處理、編碼壓縮、智能分析、緩沖存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N功能，再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)錄像系統(tǒng)及管理平臺(tái)軟件，就可以構(gòu)建成大規(guī)模、分布式的智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 快速發(fā)展的HD-SDI技術(shù)

HD-SDI是高清數(shù)字分量串行接口，是實(shí)時(shí)無壓縮的高清，是安防監(jiān)控領(lǐng)域的又一科技進(jìn)步，為監(jiān)控中心提供高清晰圖像來源的設(shè)備?；赟DI接口的高清視頻系統(tǒng)具有圖像無損、非壓縮，以及高清圖像傳輸無延時(shí)等IP高清攝像機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。HD-SDI攝像機(jī)所提供的未壓縮高清圖像是智能監(jiān)控所需的最佳圖像來源。此外，由于視頻是實(shí)時(shí)傳送，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的視頻中斷或延遲，避免帶來錯(cuò)誤的信息。由于HD-SDI攝像機(jī)采用傳統(tǒng)的BNC接頭，傳輸線纜使用常用的國標(biāo)“75-5”視頻線，因此，只需更換前端攝像機(jī)和后端設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)將既有標(biāo)清系統(tǒng)升級(jí)改造為高清系統(tǒng)。北京奧運(yùn)期間，所有場(chǎng)館的高清電視轉(zhuǎn)播采用的就是HD-SDI高清視頻傳輸方式。

2.4 高清技術(shù)與傳統(tǒng)標(biāo)清技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)標(biāo)清圖像，以CIF為單位作為像素、清晰度標(biāo)定，包括PAL制式和NTSC制式兩種，而國內(nèi)鐵路行業(yè)基本采用的均是PAL制式，最高分辨率提供到4CIF（704*576）像素，即40萬像素級(jí)別。

從技術(shù)角度而言，IPC相對(duì)于傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)，直接于前端完成對(duì)音視頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)的形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，有效地避免了傳統(tǒng)模擬信號(hào)傳輸距離受限的問題。同時(shí)，IPC通常采用逐行掃描的方式，相比模擬相機(jī)的隔行掃描?，能提供更清晰的畫質(zhì)效果。

根據(jù)以上比較，高清720P的分辨率為標(biāo)清CIF分辨率的9倍，即得到9倍于傳統(tǒng)CIF畫質(zhì)的圖像清晰度。因此，從最直觀的視覺效果進(jìn)行比較，720P相比標(biāo)清4CIF圖像，清晰度提升效果明顯。

3 鐵路行業(yè)高清技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 車站內(nèi)重點(diǎn)場(chǎng)所

1）售票處：針對(duì)各種糾紛事件，以高清晰度的圖像顯示，配以實(shí)時(shí)錄音功能的全面場(chǎng)景回放，以實(shí)現(xiàn)配合工作人員對(duì)問題進(jìn)行調(diào)解。

2）安檢口：不但實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)拿行李情況的追蹤查詢，方便車站人員迅速定位相關(guān)人員，以便查找；還能配以人臉識(shí)別系統(tǒng)，與公安系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象的排查。

3）案件多發(fā)區(qū)：通過高清圖像，對(duì)發(fā)生糾紛、案件的場(chǎng)景進(jìn)行回放，定位相關(guān)責(zé)任人，進(jìn)而幫助民事協(xié)調(diào)、刑事偵破等工作的快速開展。

3.2 鐵路沿線

在鐵路沿線的災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)交叉道口，目前鐵路視頻監(jiān)控所采用的多為標(biāo)清圖像，但對(duì)于部分管理部門而言，則要求對(duì)重點(diǎn)位置能夠做到“看清”。但由于場(chǎng)景、環(huán)境等多種客觀因素的限制，造成無法達(dá)到所需的清晰效果。因此，高清圖像的使用，將能夠從很大程度上緩解這個(gè)問題。

3.3 高清技術(shù)的選擇

對(duì)于鐵路應(yīng)用而言，認(rèn)為采用720P為佳。不可否認(rèn)，1080P帶來了更佳的清晰度和監(jiān)控體驗(yàn)，但任何項(xiàng)目的投資都要考慮經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等多方面因素，過高地追求高標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必帶來高投入。

就鐵路行業(yè)視頻監(jiān)控應(yīng)用而言，大體分為4類：第一類為通信、信號(hào)等機(jī)房監(jiān)控。該類監(jiān)控基本為小場(chǎng)景，攝像機(jī)基本安裝于機(jī)房內(nèi)，或沿線機(jī)房所在院落內(nèi)，監(jiān)控機(jī)房內(nèi)設(shè)備或基站機(jī)房門口，兼顧設(shè)備安全及運(yùn)行狀況；第二類，沿線重點(diǎn)地點(diǎn)監(jiān)控，如公跨鐵、救援疏散通道、隧道口、咽喉區(qū)等。針對(duì)此類場(chǎng)景，攝像機(jī)多為就近安裝，觀測(cè)距離很少超過100?m且場(chǎng)景相對(duì)固定；第三類，長距攝像機(jī)，通常安裝于基站鐵塔，用來對(duì)高鐵線路沿線狀況巡視使用；第四類，即車站內(nèi)圖像監(jiān)控，提供旅客流量監(jiān)控、治安事件預(yù)防等多項(xiàng)幫助。

綜合以上4種類型，結(jié)合高清應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際考慮，鐵路行業(yè)對(duì)高清圖像需求，應(yīng)傾向于相對(duì)小場(chǎng)景下的高清晰監(jiān)控，尤其以車站內(nèi)監(jiān)控為主要特征。但考慮到車站內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)位分布密集，各攝像機(jī)監(jiān)控場(chǎng)景形成交叉，故720P的清晰度已足可滿足實(shí)際場(chǎng)景監(jiān)控需求。因此，針對(duì)鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可采用”標(biāo)清+數(shù)字高清“一體化系統(tǒng)的方式，針對(duì)重點(diǎn)場(chǎng)景采用百萬級(jí)像素的高清圖像進(jìn)行監(jiān)控，普通場(chǎng)景則沿用標(biāo)清圖像標(biāo)準(zhǔn)。

4 基于鐵路視頻監(jiān)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)的高清技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)行鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中，對(duì)于系統(tǒng)體系架構(gòu)進(jìn)行了明確的規(guī)定，整體系統(tǒng)采用流媒體分發(fā)的方式，并根據(jù)視頻監(jiān)控需求層級(jí)不同采用多級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。最底層節(jié)點(diǎn)設(shè)置視頻存儲(chǔ)分發(fā)服務(wù)。視頻流經(jīng)最底層的存儲(chǔ)分發(fā)服務(wù)處理后，實(shí)現(xiàn)視頻存儲(chǔ)及分發(fā)功能；而當(dāng)高層級(jí)用戶具有調(diào)取視頻圖像需求時(shí)，則通過本級(jí)視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)向較低級(jí)別的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)/分發(fā)服務(wù)申請(qǐng)所需的視頻圖像資源。當(dāng)出現(xiàn)多用戶同時(shí)申請(qǐng)同一路圖像資源時(shí)，則由本級(jí)分發(fā)服務(wù)/轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)自動(dòng)完成該路圖像的分發(fā)功能，而無需多次申請(qǐng)同一路視頻，從而起到了降低各級(jí)間的帶寬需求。

如前所述，現(xiàn)有鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)已在多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)踐與推廣，因此，引入高清技術(shù)的鐵路視頻監(jiān)控也應(yīng)遵循此體系。只需通過高清設(shè)備軟件接口，在系統(tǒng)底層實(shí)現(xiàn)對(duì)高清視頻圖像的接入，即可使得針對(duì)既有系統(tǒng)部分升級(jí)為高清視頻成為可能。

[1] TB 10085-2009 鐵路圖像通信設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]運(yùn)基通信[2008]630號(hào) 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）[S].

[3] GA/T 367-2001 視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求[S].

[4] GB 50396-2007 出入口控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]西剎子.安防天下—智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[6]師研，侯宗友，吳平，等.高清趨勢(shì)下鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)[J].中國鐵路，2012，89-91.