數字高清技術在鐵路綜合視頻監控中應用分析

王 玉 上海鐵路局上海通信段

1 前言

近幾年來，隨著數字通信媒體技術在有線電視、衛星、IP寬帶網絡、3G通信等領域迅速發展，數字高清技術在當前的數字視頻監控領域成為主流趨勢。網絡化、智能化和高清化，已經是當前數字安防行業的發展主線。“讓我們看得更清楚”，人們不再像以前感覺到那么的遙遠。隨著數字化鐵路建設的要求，高清技術在鐵路綜合視頻監控系統的應用，必將進一步發揮視頻監控系統在鐵路運輸安全保障上的作用。

2 數字高清概述

在視頻監控行業內，人們對高清攝像機的理解分為兩種，一種為模擬高清攝像機，一種為數字高清攝像機。模擬攝像機受其本身性能的限制，其分辨率達到D1或4CIF的產品(4CIF 分辨率：PAL 制 704×576，NTSC 制 704×480；D1分辨率：PAL 制 720×576，NTSC 制 720×480)我們便稱之為標清。而對于數字高清攝像機的定義，我們主要指分辨率為720P與1080P兩種格式，其畫面寬高比定義為16：9。720P即是1280×720分辨率，而1080P則是1920×1080分辨率，其中后綴“P”代表的是逐行掃描。

模擬高清攝像機一般可以達到4CIF或D1的分辨率，約為44萬像素，清晰度在300至500電視線之間；而采用數字高清網絡攝像機可達到800電視線的清晰度要求，高清網絡攝像機的分辨率至少要達到1280×720的標準，約100萬像素左右；若采用200萬像素的網絡攝像機，就達到了超高清圖像的要求，寬高比為16:9的網絡攝像機，對應分辨率為1920×1080，約200萬像素左右。行業內更多的是借用電視領域的高清劃分標準，以分辨率100萬像素為準，高于100萬像素的俗稱為"高清"，低于100萬像素的俗稱為"標清"。當前市場中已經出現了分辨率能夠達到1080P和720P的網絡攝像機，實際上鐵路專用IP網絡完全可以滿足高清視頻的傳輸，并且提供了一個很高的保障。

3 高清視頻壓縮技術

目前視頻監控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術。對于用戶而言他最為關心的主要有：清晰度、存儲量（帶寬）、穩定性還有價格這幾個因素。采用不同的壓縮技術，將很大程度影響以上幾大要素。MPEG4(SP/ASP)和H.264是當前監控領域中的主流技術。

MPEG-4視頻壓縮算法相對于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有著顯著提高，在 CIF（352×288）或者更高清晰度（768×576）情況下的視頻壓縮，無論從清晰度還是從存儲量上都比MPEG1具有更大的優勢，也更適合網絡傳輸。另外MPEG-4可以方便地動態調整幀率、比特率，以降低存儲量。

H.264技術集中了以往標準的優點，在許多領域都得到突破性進展，使得它獲得比以往標準好得多的整體性能：和H.263+和MPEG-4相比最多可節省50%的碼率，使存儲容量大大降低；H.264在不同分辨率、不同碼率下都能提供較高的視頻質量。采用"網絡友善"的結構和語法，使其更有利于網絡傳輸。高清最大的挑戰在于需要大量的存儲空間和巨大的帶寬占用成本。H.264的優點之一就是高效的壓縮比。在這里我們可以拿H.264與MPEG-2、MPEG-4的壓縮比來比較一下，舉個例子，假設原始文件的大小為90GB，采用MPEG-2壓縮標準壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25∶1，而采用H.264壓縮標準壓縮后變為880MB，從90GB到880MB，H.264的壓縮比達到了102∶1。也就是說，在同等圖像質量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。高壓縮比帶來優勢就是低碼流，在同等的畫質條件下，H.264比上一代編碼標準MPEG2平均節約64%的傳輸碼流，而比MPEG4平均節約39%的傳輸碼流。這樣，H.264將大大節省用戶的下載時間，減少用戶的數據流量和費用。具有優秀壓縮比的H.264壓縮技術就成功為用戶解決了清晰度、存儲量、穩定性還有價格這些問題，正是由于上述優點，H.264已成為高清視頻壓縮技術的真正主流。

4 高清技術在鐵路中應用要求

高清在鐵路視頻監控系統的應用是全過程的應用，其中包括了從視頻采集、視頻壓縮、網絡傳輸、集中存儲到顯示控制均為基于IP網絡的數字化高清產品，并能兼容接入已經通過鐵路部相關鑒定和測試的既有監控系統軟件平臺，并能與既有傳統視頻系統混合使用。圖1是一個比較典型的鐵路高清網絡視頻監控系統網絡拓撲圖。

圖1 鐵路高清視頻監控系統網絡拓撲圖

前端采用高清攝像機采集現場視頻信號，有兩種方式，方式一：通過如HDMI等的數字接口傳送至高清編碼器，再有編碼器通過本地網絡或IP網絡傳輸至1類節點的集中存儲設備進行網絡集中存儲。方式二：通過一體化高清球機的自帶的編碼器直接通過本地網絡或IP網絡傳輸至1類節點的集中存儲設備進行網絡集中存儲。高清攝像機的視頻流可接入既有視頻監控平臺，監控平臺可提供本地顯示、控制功能，可以顯示高清攝像機實時圖像，控制高清攝像機云臺鏡頭，接收報警信息，對IP攝像機進行各類參數配置，并實現對高清歷史圖像的調用和回放。區域節點處通過數字高清矩陣接口服務器對系統內各類高清和標清圖像進行軟解碼或硬解碼輸出的圖像進行兼容，并實現多路時評矩陣輸出功能。矩陣接口服務器必須同時支持兼容標清AV模擬接口和高清HDMI數字接口或VGA數字接口，以實現系統內各類標清與高清圖像的同時顯示功能。同時可通過畫面拼割器，可實現多畫面多場景的拼接，以滿足全場景的覆蓋同時顯示要求。

現階段高清技術在鐵路視頻監控系統中運用的場景主要在室內環境中，可用180度或120度的全景式高清攝像機對車站內重要區域進行大范圍全覆蓋監控，如候車室、售票大廳、出入站口、車站站臺等。使用高清技術可獲得比標清更為清晰的高質量圖像，并利用高清的圖像結合后端智能分析平臺可實現更為精準智能分析工作，如對客流量人數統計、物體丟失、入侵檢測等能力。甚至在高速鐵路的建設中，都可以運用高清技術進行視頻監控，例如對公跨鐵橋等重點部位安全監控、對綜合工區重點部位視頻監控、對通信、信號、信息機房、運轉室視頻監控、對SCADA系統和電源環境監控系統聯動視頻監控，都將采用高清技術，以獲得更加清晰的高質量圖像，來進行更加精準智能的分析。圖2為寧杭高鐵綜合視頻監控系統圖。

圖2 寧杭高鐵綜合視頻監控系統圖

5 高清技術驗證測試要求

由于當前高清技術在鐵路視頻監控系統內運用還較少，而現階段高清的技術標準并不完整和統一，市場上的各類高清視頻產品魚龍混雜，良莠不一，很多產品并未得到國家權威部門的檢測和認證。所以必須對高清技術和產品進行充分的驗證測試，驗證是否滿足鐵路綜合視頻監控系統的技術條件相關標準要求，提出相應的技術規范和要求，以便推廣高清技術在鐵路中應用。驗證測試主要分為功能與性能二個主要方面。功能測試主要包括了現有的各類高清技術與既有的監控系統平臺軟件的兼容接入能力，是否能滿足實時調用、存儲、回放、控制、顯示等各方面的功能要求。性能測試主要包括了單路高清視頻流的平均帶寬要求、最大帶寬要求，最大分辨率測試、調用時延大大小、壓縮協議分析、圖像質量的評估、存儲容量的要求、存儲的穩定性和可靠性等方面。通過上述項目的測試后，得到一系列的科學數據，方可對高清技術在鐵路監控系統內的應用進行統一規劃和設計，以滿足高清技術對傳輸網絡帶寬、存儲容量、顯示與控制設備的基本技術要求。

6 結束語

隨著高清視頻監控技術的發展，全數字化、高清化、智能化的網絡視頻監控系統呼聲越來越高，鐵路視頻監控系統中高清技術的應用必將成為大勢所趨。