高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成及其技術(shù)方案分析

高玉　張瑋　邢紅霞

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，視頻編碼技術(shù)在視頻監(jiān)控中的作用越來(lái)越重要，它對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的圖像質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬、系統(tǒng)間的互聯(lián)互通、資源共享等很多方面都具有十分重要的作用。文章主要介紹了高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)成，并對(duì)高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)編碼技術(shù)方案選擇等進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；綜合視頻監(jiān)控；視頻編碼技術(shù)

1.研究背景

視頻監(jiān)控對(duì)于安全防范具有非常重要的作用，它的防范能力較強(qiáng)，采用視頻監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將被監(jiān)控的畫(huà)面以錄像的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣方便事后進(jìn)行查看和回放。隨著鐵路的快速發(fā)展，為了滿(mǎn)足高速鐵路經(jīng)營(yíng)管理和客貨營(yíng)銷(xiāo)等管理需求，并方便相關(guān)部門(mén)對(duì)高速鐵路的車(chē)站和線路行車(chē)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，高速鐵路部門(mén)大多數(shù)應(yīng)用了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，促進(jìn)了鐵路業(yè)務(wù)的正?；⒔】蛋l(fā)展。視頻編碼技術(shù)作為高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展，保證了視頻監(jiān)控中的圖像質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)傳輸寬帶。

2.高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)成

高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括：視頻節(jié)點(diǎn)（視頻核心節(jié)點(diǎn)、視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)、視頻接入節(jié)點(diǎn)）、視頻采集點(diǎn)、視頻網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)終端，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1視頻節(jié)點(diǎn)

（1）視頻核心節(jié)點(diǎn)。視頻核心節(jié)點(diǎn)設(shè)在鐵道部，具有視頻分發(fā)、存儲(chǔ)、系統(tǒng)管理、認(rèn)證授權(quán)、信令控制、GIS服務(wù)和與其他系統(tǒng)互聯(lián)等功能。

（2）視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)。視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)設(shè)置于鐵路局和客專(zhuān)調(diào)度所，作為系統(tǒng)的主要管理機(jī)構(gòu)，具有視頻分發(fā)/轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、系統(tǒng)管理、認(rèn)證授權(quán)、信令控制、GIS服務(wù)和與其他系統(tǒng)互聯(lián)等功能。

（3）視頻接入節(jié)點(diǎn)。視頻接入節(jié)點(diǎn)分為2類(lèi)：I類(lèi)視頻接入節(jié)點(diǎn)和II類(lèi)視頻接入節(jié)點(diǎn)。

I類(lèi)視頻接入節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)量選擇大型客運(yùn)站、編組站或段所在地，具有視頻接入、視頻分發(fā)/轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、視頻分析、系統(tǒng)管理、認(rèn)證授權(quán)、信令控制、GIS服務(wù)和與其他系統(tǒng)互聯(lián)等主要功能。

II類(lèi)視頻接入節(jié)點(diǎn)設(shè)置在采集點(diǎn)較集中且具有傳輸條件的點(diǎn)和沿線部分車(chē)站，具有對(duì)采集點(diǎn)的視頻匯聚及上傳、存儲(chǔ)、調(diào)用等功能。

2.2視頻采集點(diǎn)

根據(jù)安全、管理、防災(zāi)等要求，視頻采集點(diǎn)設(shè)置在鐵路車(chē)站、段所及沿線區(qū)間的重點(diǎn)場(chǎng)所和區(qū)域，通過(guò)前端監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的監(jiān)控，生成的視頻圖像可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原始模擬圖像的編解碼，也可以通過(guò)視頻網(wǎng)絡(luò)傳送到視頻接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編解碼。

2.3視頻網(wǎng)絡(luò)

視頻網(wǎng)絡(luò)包含了視頻接入和視頻傳輸，主要完成視頻信號(hào)從視頻和相關(guān)控制信息由采集點(diǎn)傳到視頻節(jié)點(diǎn)、用戶(hù)監(jiān)視終端和視頻接入節(jié)點(diǎn)傳到視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)/視頻核心節(jié)點(diǎn)的功能。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成可采用SDH網(wǎng)、MSTP、有線（光纜、電纜）或無(wú)線等方式接入。

2.4用戶(hù)終端

用戶(hù)終端包括鐵道部、鐵路局/客專(zhuān)調(diào)度所和站段級(jí)用戶(hù)的監(jiān)控/顯示終端，各級(jí)用戶(hù)按業(yè)務(wù)部門(mén)可分為調(diào)度、公安、安監(jiān)、車(chē)務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車(chē)輛、客運(yùn)、貨運(yùn)、供電等。各類(lèi)用戶(hù)終端可以根據(jù)業(yè)務(wù)范圍和使用權(quán)限對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的視頻資源進(jìn)行訪問(wèn)和控制操作。

3.高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)編碼技術(shù)方案選擇

編碼器主要負(fù)責(zé)把多路模擬的視頻、音頻信號(hào)（如攝像機(jī)、麥克風(fēng)、音箱等視音頻源信號(hào)）進(jìn)行數(shù)字化和壓縮編碼，形成IP數(shù)據(jù)包，利用網(wǎng)絡(luò)傳送到指定的目的地址。視頻壓縮編碼主要是對(duì)模擬視頻圖像進(jìn)行數(shù)字化，并將含有大量冗余信息的數(shù)字視頻進(jìn)行壓縮、編碼，壓縮、編碼之后方便遠(yuǎn)程傳輸和儲(chǔ)存。視頻壓縮編碼作為網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的核心技術(shù)之一，其編碼質(zhì)量直接影響視頻的傳輸、存儲(chǔ)和播放等相關(guān)環(huán)節(jié)。

近年來(lái)，隨著視頻編碼技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了AVS，MPEG-4，H.264，MPEG-2，H.263，MPEG-1，H.261等相關(guān)技術(shù)，其中H.264和MPEG-4技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)檫@兩項(xiàng)技術(shù)具有靈活性高和壓縮效率高等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也最為廣泛。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，選擇視頻壓縮編碼技術(shù)主要考慮價(jià)格、穩(wěn)定性、存儲(chǔ)量帶寬及清晰度等幾方面的因素。

由于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前已經(jīng)十分成熟，其發(fā)布較早，并且已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展規(guī)模，因此，其性?xún)r(jià)比較高、內(nèi)容也十分豐富，同時(shí)算法比較簡(jiǎn)單，但是和H.264相比，其編碼效率不高，并且占用較多的寬帶，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求也較高。

H.264技術(shù)也具有自身的優(yōu)勢(shì)，并且在很多領(lǐng)域都得到了突破性的進(jìn)展，使其整體性能顯著提升，編碼效率高，并且顯著降低了存儲(chǔ)的容量，對(duì)碼率和分辨率的要求不高，在不同分辨率、不同碼率下都能獲得較好的視頻觀看質(zhì)量，采用“網(wǎng)絡(luò)友善”的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)法，提高了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，降低了傳輸過(guò)程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)寬帶的要求。經(jīng)過(guò)H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，提高了視頻的清晰度，降低了視頻傳輸過(guò)程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求，提高了視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性，正是由于這些優(yōu)點(diǎn)H.264已成為高清視頻壓縮技術(shù)中的主流技術(shù)。

由于高速鐵路中的視頻監(jiān)控點(diǎn)位路數(shù)較多，并且要求實(shí)施對(duì)視頻監(jiān)控錄像進(jìn)行觀看，對(duì)畫(huà)面的質(zhì)量也有較高的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)圖像的多級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)等功能，這就對(duì)編碼技術(shù)提出了更高的要求，要求其圖像質(zhì)量更加優(yōu)秀，編碼效率較高，并且適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。因此，在采用以MPEG-4，H.264為主的壓縮編碼格式，能夠滿(mǎn)足高速鐵路視頻監(jiān)控的需求。

4.結(jié)語(yǔ)

高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前已成為高速鐵路安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，隨著高清視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字化、高清化、智能化的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高速鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)為滿(mǎn)足鐵路視頻資源網(wǎng)絡(luò)化傳輸、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的需求，全網(wǎng)應(yīng)選用適合的編解碼技術(shù)，從而充分利用有限的傳輸資源，獲得更好的圖像質(zhì)量，為整網(wǎng)帶來(lái)較高性?xún)r(jià)比。