高鐵網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)分析

高速鐵路不同于一般的鐵路系統(tǒng)，高鐵本身即是一個系統(tǒng)化、集成化的大型工程，僅通信部門就涉及到10多個子系統(tǒng)，包括有線、數(shù)據(jù)、傳輸、調(diào)度、應(yīng)急通信、視頻監(jiān)控等等。高鐵與普通鐵路或地鐵區(qū)別很大，例如地鐵通常時(shí)速在60公里左右，列車間隔約在3分鐘，而高鐵時(shí)速可能達(dá)到300公里，但時(shí)間間隔可能與地鐵差不多，這就對高鐵的通信指揮系統(tǒng)提出了很高的要求，同時(shí)，作為一個重要的輔助設(shè)施，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也相應(yīng)的非常高。

1.高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

高鐵的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，要求采用先進(jìn)的視頻監(jiān)控技術(shù)，基于鐵路系統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建數(shù)字化、智能化、分布式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，滿足公安、安監(jiān)、客運(yùn)、調(diào)度、車務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車輛、供電等業(yè)務(wù)部門及防災(zāi)監(jiān)控、救援搶險(xiǎn)和應(yīng)急管理等多種需求，實(shí)現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)資源和信息資源共享。高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)視頻的采集、編碼壓縮存儲、轉(zhuǎn)發(fā)及虛擬矩陣的功能。攝像機(jī)采集到視頻信號通過同軸電纜連接到DVR或編碼器，實(shí)現(xiàn)視頻的采集、編碼壓縮和傳輸，PTZ攝像機(jī)的控制信號通過RS485進(jìn)行傳輸；編碼器將視頻流通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到NVR進(jìn)行集中存儲備份；存儲服務(wù)器可以將DVR或NVR的視頻資料進(jìn)行重點(diǎn)備份；流媒體服務(wù)器可以在多個用戶訪問時(shí)進(jìn)行集中視頻轉(zhuǎn)發(fā)而減少網(wǎng)絡(luò)及前端設(shè)備的壓力；解碼器與電視墻連接，實(shí)現(xiàn)視頻的集中大屏幕顯示還原。

2.視頻分析技術(shù)

高鐵的特點(diǎn)是系統(tǒng)跨度大、地理分布廣，視頻分析的環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)霜雨雪霧、攝像機(jī)抖動、火車燈光、城市燈光、昆蟲、云影等現(xiàn)象均是視頻分析可能會遇到的問題，良好的VCA系統(tǒng)應(yīng)該能夠很好地平衡漏報(bào)與誤報(bào)之間的問題。鐵路不同于實(shí)驗(yàn)室，對攝像機(jī)的任何角度、焦距等調(diào)整均需要一定的人力、物力，視頻分析對場景(FOV)的要求很高，在日后的配置中需要不斷調(diào)整確。因此，不難理解多數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻分析攝像機(jī)采用的也是PTZ攝像機(jī)而不是固定攝像機(jī)了。分析模式固定后，攝像機(jī)FOV調(diào)整好，需要進(jìn)入分析設(shè)置，通常，一路攝像機(jī)視頻只能進(jìn)行一個模式。在鐵路應(yīng)用中，主要有兩種VCA模式，一種是在重要區(qū)段及咽喉區(qū)設(shè)置入侵探測，用來識別人或動物入侵到高鐵路軌(高鐵沿線多半封閉或柵欄保護(hù)等物理方式，但還是有可能有入侵進(jìn)入)；公跨鐵區(qū)域設(shè)置高空落物分析，防止高空落物對列車運(yùn)行產(chǎn)生影響。目前這兩個視頻分析應(yīng)用模式在鐵路視頻監(jiān)控中均有一定應(yīng)用并表現(xiàn)良好。

目前視頻分析技術(shù)主要有兩種架構(gòu)方式，一種是基于后端服務(wù)器的方式，另外一種是采用前端DSP方式(DVS或IPC)。DSP方式，即分布式智能分析架構(gòu)下，視頻分析單元一般位于視頻采集設(shè)備附近，這樣可以有選擇地設(shè)置系統(tǒng)，讓系統(tǒng)只有在報(bào)警發(fā)生的時(shí)候才傳輸視頻到控制中心或存儲中心，相對于服務(wù)器方式，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)及存儲空間。視頻分析是復(fù)雜的過程，需要占用大量的系統(tǒng)計(jì)算資源，因此服務(wù)器方式可以同時(shí)進(jìn)行視頻分析的路數(shù)非常有限?；谝陨显?，目前市場上主流視頻分析技術(shù)多采用DSP方式，基于攝像機(jī)或編碼器。需要注意的是，基于前端DSP方式的視頻分析設(shè)備，一旦需要調(diào)整視頻分析點(diǎn)位，如增加或取消視頻分析功能，則通常需要更換DVS或IPC，而基于后端分析的模式則客運(yùn)直接在機(jī)房或控制中心調(diào)整完成，無需更換前端硬件。通常更換DVS或IPC方式，在鐵路項(xiàng)目中的成本非常高。

3.冗余技術(shù)(可靠性)

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要具有高可靠性，以實(shí)現(xiàn)對不同部門的運(yùn)營、安全、維護(hù)等各個需求支持。對于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以采用不同的冗余方式來增強(qiáng)穩(wěn)定性，從前端編碼器、傳輸網(wǎng)絡(luò)到轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、管理服務(wù)器及存儲系統(tǒng)，均可實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)。

·編碼器

編碼器可以采用雙電源、雙網(wǎng)卡方式增強(qiáng)穩(wěn)定性；或者采用“N+1”冗余方式增強(qiáng)可靠性，以保證單機(jī)故障或更換設(shè)備時(shí)系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行。

·NVR

NVR可采用“N+1”冗余增強(qiáng)可靠性，以保證單機(jī)故障或更換設(shè)備時(shí)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。

·CMS

CMS可以采用“雙機(jī)冗余熱備”方式增強(qiáng)穩(wěn)定性，以保證系統(tǒng)無停機(jī)運(yùn)行。

·存儲

存儲系統(tǒng)可以采用磁盤陣列的RAID技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠數(shù)據(jù)存儲。

完全冗余的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)所示，從前端設(shè)備IPC、DVS、傳輸網(wǎng)絡(luò)、NVR、存儲設(shè)備NVR、核心管理平臺CMS都實(shí)現(xiàn)了冗余功能，保證了系統(tǒng)24小時(shí)高可靠運(yùn)行，減少了因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)、電源、硬件、存儲、軟件等故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)停機(jī)或數(shù)據(jù)丟失。

IPC是單體設(shè)備，提高穩(wěn)定性的辦法是在網(wǎng)絡(luò)短暫中斷時(shí)進(jìn)行本地存儲；對于大路數(shù)DVS，可以采用“N+1”方式進(jìn)行冗余，防止單體設(shè)備軟硬體失效；對于NVR，可以采用“N+1”方式進(jìn)行備份，防止單體設(shè)備軟硬體失效；對于存儲設(shè)備，可采用成熟的RAID技術(shù)實(shí)現(xiàn)冗余保護(hù)；對于網(wǎng)絡(luò)，可以采用“雙網(wǎng)絡(luò)”實(shí)現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)傳輸；對于CMS，采用雙機(jī)熱備方式，雙機(jī)共享RAID磁盤陣列，實(shí)現(xiàn)冗余。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.編碼壓縮技術(shù)

視頻編碼壓縮是網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的前提和基礎(chǔ)，沒有經(jīng)過壓縮的視頻數(shù)據(jù)是海量的。目前典型的視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)是MPEG-4和H.264。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)采用的仍然是類似以前標(biāo)準(zhǔn)(H.261/3和MPEG-1/2)的基本編碼框架，即典型的三步：預(yù)測編碼、變換量化和熵編碼。新的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)都是基于優(yōu)化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，將先前標(biāo)準(zhǔn)中的某些技術(shù)加以改進(jìn)。例如在原來的基礎(chǔ)上提出1/4和1/8像素精度的運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)，使得預(yù)測編碼的性能大大提高。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)不僅僅給出了具體壓縮算法，它是針對數(shù)字電視、交互式多媒體應(yīng)用、視頻監(jiān)控等整合及壓縮技術(shù)的需要而制定的。MPEG-4將多種多媒體應(yīng)用集成在一個完整的框架里，為不同的應(yīng)用提供了相應(yīng)的類別(Profile)和檔次(Level)。H.264，同時(shí)也是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC動態(tài)圖像專家組(MPEG)聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組(JVT，JointVideoTeam)提出的高壓縮率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264也是采用預(yù)測編碼加變換編碼的混合編碼模式，它集中了以往各個編碼標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并吸收了標(biāo)準(zhǔn)制定過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，獲得了比以往其他編碼方式好得多的壓縮性能。H.264標(biāo)準(zhǔn)最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比，在同等圖像質(zhì)量的前提條件下，H.264編碼的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍。H.264采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理，以滿足不同速率、不同解析度以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲場合的需求。

在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，產(chǎn)品間的互編互解能力是非常重要的，可以降低系統(tǒng)的集成難度，便于擴(kuò)展并保護(hù)成本。目前，不同廠商設(shè)備互編互解情況并不理想，也就是說兼容性不好。主要原因是不同廠家采用的編碼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(profile)及等級(level)不同，另外數(shù)據(jù)封裝格式不兼容，其次是加入的私有信息(在基本碼流/包)。