基于H.265 的隧道施工全景無線視頻監控系統研究

程梨明，周永，陳軍程，馬軍旗，王進進，張志增

（1.中原工學院建筑工程學院，鄭州450007；2.中電建路橋集團玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪653100）

1 引言

伴隨著我國經濟的持續發展，綜合國力不斷增強，對交通運輸業的發展有很大的刺激作用[1]。其中，公路運輸與鐵路運輸在交通運輸業起著不可替代的作用，隧道能夠通過優化線形和縮短距離來減少旅行與運輸時間，有效地提高運營收益，達到節能減排的效果。隧道的造價較高，而且隧道施工的管理也相對復雜，存在著較多的安全隱患。利用無線全景視頻監控技術進行施工監控，能夠在隧道施工過程中確保工程質量[2]，在保證工程質量安全可靠的前提下降低施工成本，實現項目信息的高效管理。及時全面地收集、分析隧道內的實時情況，也將提高公路隧道、城市隧道、鐵路隧道工程項目的管理與施工技術水平，可以為探索高效模式提供實踐與應用基礎。

H.265 是一種高效視頻壓縮編碼技術，與H.264 相比，傳輸同樣質量的視頻需原來帶寬的1/2[3]，完美地解決了由于帶寬限制傳輸圖片時容易出現丟幀、畫面延時及傳輸干擾容易造成的連接中斷現象[4]。全景視頻需要的帶寬較高，H.265 的高壓縮性能使高清的全景視頻無線傳輸得以實現。

2 系統優勢

系統優勢主要體現在以下幾個方面：

1）由于隧道內的施工環境較為復雜，人員流動量大，機械設備較多[5]，如果采用有線的形式進行信號的傳輸，不僅布線會遇到困難，而且固定的網絡線路難以適應隧道內多變的施工環境。機械運作時難以避免發生線路破壞的問題，整個監控系統由于信號傳輸環節的失效而導致整個監控系統癱瘓。

2）隨著隧道的掘進，可以隨時根據需求布設新的全景攝像頭或對全景攝像頭的位置進行合理的調整。采用全景攝像機進行布控的優勢在于，全景相機的監控范圍較大，使用1 臺機器就可以對一個監控點的全方位布控，可大大減少布控成本。

3）H.265 編碼標準是在現有的H.264 編碼標準的基礎上進行改進而來，可以改善碼流、編碼的質量、延遲及算法復雜度之間的關系[6]。傳輸單路720P（分辨率1 280×720）普通高清視頻利用H.265 編碼標準進行視頻編碼只需要1～2Mb/s 就可完成信號的傳輸，更能實現4K（4 096×2 160）與8K（8 192×4 320）超高清視頻的傳輸。隧道施工過程中需要監控的點較多，加上全景高清視頻的傳輸占用帶寬較高，采用H.265 進行視頻的編碼能夠很好地解決全景無線視頻監控系統中無線傳輸的問題。

3 系統的搭建

系統由全景視頻采集模塊、無線信號傳遞模塊、文件與全景相機管理模塊、監控視頻播放模塊4 部分組成。全景視頻采集模塊由全景攝像頭、輔助照明設備、無線網橋組成；無線信號傳遞模塊由交換機和無線網橋、網線組成；文件與全景相機管理模塊由無線網橋、交換機、網絡硬盤錄像機、文件服務器組成；監控視頻播放模塊由電腦、顯示器、頭戴式VR 顯示設備組成。圖1 為全景無線視頻監控系統示意圖。

圖1 全景無線視頻監控系統示意圖

3.1 全景視頻采集與編碼

考慮隧道內光線問題，加之部分隧道具有彎道，根據極限原則，應以彎道或監控死角為基準點，以全景攝像頭的最大夜視半徑的2 倍為安裝距離進行攝像頭的安裝。

在不影響施工的前提下，一般安裝在隧道側壁或拱頂，并配備輔助照明設備以確保拍攝出的全景視頻的清晰度，方便技術人員做出正確判斷與決定。拍攝的全景視頻以H.265 的編碼標準進行編碼，每臺全景網絡攝像機連接1 臺無線網橋（也可鄰近的多臺攝像機通過1 臺小型交換機共用1 臺無線網橋）進行全景視頻的信號傳輸，設備由電源或就近電路進行供電。

3.2 無線信號的傳遞

市場上常見的無線頻段為2.4Hz 頻段和5.0Hz 頻段2種。2.4Hz 頻段的繞射能力與穿墻能力強于5.0Hz 頻段，但傳播距離、信號強度、穩定性、傳播數據的速率均不如5.0Hz，且由于隧道大部分呈直線型，故選用5.0Hz 用于信號傳遞較為合適。為了保證系統的可靠性，網橋的有效傳輸距離不得低于5km，傳輸速率不得低于500Mb/s，安裝方式以隧道拐點為基準點，以500～600m 的距離進行中繼點的布設，布設位置在不影響施工的情況下以隧道拱頂為宜。

3.3 文件與全景相機管理

根據視頻拍攝模塊總數據流量的大小，由1 臺或多臺無線網橋進行信號的接收，同時傳遞到交換機進行匯總，由交換機將視頻信號傳遞到網絡硬盤錄像機中進行本地的數據備份與管理（硬盤錄像機可以把視頻根據不同攝像頭和不同的時間段進行管理，以便于使用時的精確調用）。

硬盤錄像機還可以對前端的攝像機進行設置管理，例如，對攝像機的開關機及定時錄像。可將硬盤錄像機的儲存路徑更改至文件服務器，既可在局域網內也可利用外網通過手機、電腦等登錄系統賬號，對視頻文件進行權限內的訪問與管理。此外，要注意文件服務器與儲存空間的配置，以保證視頻的保存時間能夠滿足需求。可根據所選攝像機的碼率，布設總個數，保存天數由：總容量（GB）=位率（Kbit/s）/8×保存時間周期×通道數/1 024/1 024 估算需要配備的硬盤容量。例如，32 路視頻，碼率4M，保存90d：計算出大概硬盤容量為=4/8×3 600s×24h×90d×32 路視頻/1 024/1 024=118T。

3.4 監控視頻播放模塊

首先要給監控中心配置必要的硬件設施，才能發揮全景無線視頻監控的畫面優勢。需要配置的硬件包括電腦、電視墻、頭戴式VR 播放設備，以及必要的供電設施。所有硬件安裝連接到位以后，在監控電腦中根據提供的賬號密碼對監控文件進行訪問。這種監控中心除了能對全景視頻進行常規的分屏觀看，還可以通過VIVEPORT 播放器連接頭戴式VR 視頻播放設備觀看全景視頻。這種觀看模式更具有真實感，給人以身臨其境的感覺，帶來更好的觀看體驗與效果。

4 結語

隨著科學技術的發展，越來越多的高新技術將會被應用到工程建設之中，工程建設將迎來智能化時代。基于H.265 的全景無線視頻監控系統具有監控覆蓋面廣、畫質清晰，對各種環境適應能力強，系統布設方便簡潔，投入小收益大，能夠通過多客戶端進行監控的調用，還能夠通過全景設備進行全景視頻的觀看，H.265 的全景無線視頻監控系統必將在今后的隧道施工中受到越來越多的關注。此設計也給隧道全景無線監控系統的布設提供借鑒。