提高高鐵視頻監控畫面質量的研究與實踐

王 爽，劉偉川

（銅川職業技術學院，陜西 銅川 727031）

隨著鐵路電氣化和現代化發展，高鐵視頻監控系統肩負著巡查、威懾、預警、取證、指揮救援等一系列重要的職責。高鐵視頻監控畫面的質量直接影響著高鐵工作的正常運行，也關系著人民群眾的切身利益，因而不斷提高視頻監控畫面質量尤為重要。

1 研究背景和目的

在實際工作中，監控視頻有時會出現不流暢現象，表現為跳幀、丟包現象，有時調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，對鐵路運行安全形成隱患，必須采取有效措施提高鐵路視頻監控畫面質量。根據《中華人民共和國鐵道部鐵路有線通信維護暫行規則》中的圖像評價指標體系，以鄭西高鐵視頻監控畫面為例，畫面抖動率為5.48%，跳幀率為11.78%，畫面質量不合格率為14.25%，必須依靠有效手段提高視頻監控畫面質量，要求采用的方法性能可靠，效果明顯，可實施性強，容易實現。

提高視頻監控畫面質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。擬設定研究目標，實現畫面無抖動，視頻畫面無明顯電磁干擾，畫面清晰；畫面基本流暢，較長時間內無明顯跳幀現象；北監控中心管轄視頻監控系統監控畫面模糊干擾嚴重圖像數量降到3%以下；畫面跳幀（丟包）頻率降到0.3次/小時以下。

2 研究內容

首先對監控畫面不清晰的原因進行分析，分別從設備終端和網絡層找到可能的原因如圖1所示：

圖1 監控畫面不清晰的原因

對各項原因進行逐一排查后發現，信號干擾和視頻交換機端口帶寬低是導致畫面不清晰的主要原因。

3 視頻圖像干擾問題

鐵路監控系統處在一個非常嚴重的干擾區域，視頻信號所在的區域很多都有干擾信號，且干擾強弱不一。調取視頻監控畫面發現，干擾最為嚴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。電源干擾會導致視頻畫面出現輕微扭曲、圖像不穩定；而脈沖干擾會導致視頻畫面出現跳動、閃爍。

復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，主要是因為視頻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，經過對信號先放大后壓縮的處理后，輸出到顯示設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，單從監視器屏幕上看，原來很強的干擾會變弱，而原來不強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、不同網絡的監控視頻的影響因素也有很大差異，攝像機碼流，交換機性能，視頻服務器性能，網絡帶寬等因素均能影響視頻的流暢性，會導致視頻出現跳幀現象。通常來說，帶寬越高，視頻的流暢度也越高。

例如有4路視頻，每路視頻數據流為2Mbps，傳輸通道的帶寬應設置為（4×2M）×125%左右，約為10M。在網絡帶寬偏低的情況下，需要提高網絡帶寬。通過數據配置為通道分配帶寬可以達到提高帶寬的效果。例如臨潼東三層交換機接入數據網帶寬為155M，然而交換機數據進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行對比分析，從有效性、可操作性、經濟性、可靠性方面進行綜合考量，最終選定加裝抗干擾器件和重新配置交換機端口帶寬作為解決方案。

6 實踐效果

6.1 抗干擾的實施效果

圖是添加干擾器前后的視頻圖像，從圖像質量上能明顯看出，抗干擾的效果較好

圖2

6.2 解決跳幀的實施效果

研究區域共有監控畫面621個，以48小時為時間節點，跳幀次數由原來的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、提高網絡帶寬、提高服務器性能對解決視頻跳幀現象效果顯著

6.3 總體效果

解決辦法方便快捷，成本低，效果明顯，實現了預期目標，將畫面質量不合格率由14.25%降至3.6%，超過了預期的4%的目標。從經濟效益來看，與傳統敷設光纖方案進行對比，現有方案可提高經濟效益約140萬元。同時，畫面識別準確率的提高，可避免工作人員多次重復檢測，從而有效降低勞動強度和難度，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不定期檢查交換機端口配置，做好維護工作；③巡查視頻畫面情況，做好相關記錄和數據統計；④發現問題及時向工作人員反映，及時解決。

6.4 進一步打算

高鐵的飛速發展對視頻監控的要求越來越高，本文雖然在提高畫面質量上做了一些工作，但畫面清晰度仍有待提高，下一步的研究重點將放在如何提高畫面清晰度上，以期更好地實現監控功能。