铁路综合视频监控系统方案设计

宁 娟

铁路综合视频监控系统方案设计

宁 娟*

从铁路综合视频监控系统的业务需求出发,分析了铁路视频监控系统方案的选择,提出了智能数字视频监控系统是铁路视频监控系统的发展方向。并对H.264、M-JPEG、MPEG-4几种视频压缩编码方案的优缺点进行比较,选择了适合铁路视频监控的编解码方案。

铁路;视频监控;设计

随着铁路综合视频监控系统的应用越来越广泛,在方案设计中应特别考虑以下几个方面。

1 监控点选择

铁路综合视频监控系统主要是为行车调度员、信号值班员、电力调度员、供电值班员、铁通公司、公安派出所、客运值班员等提供线路重点部位的监测。监控点一般选择在如道岔区、特大桥隧、公路跨越铁路处、通信机械室、信号机械室、运转室、配电所、牵引变电所、分区所、候车室、站台、进出站口、站前广场等地,以便了解人员进入、设备运行安全等情况。该系统应具有完善的系统管理、故障管理、录像管理、权限管理及视频行为分析等功能,并与动力环境监控系统、防灾安全监控系统实行联动。

2 系统方案选择

2.1 模拟、数字及全数字视频监控系统

视频监控系统发展到今天已经历了3代:第1代为模拟系统(VCR),由模拟摄像机、模拟监视器、视频切换矩阵及模拟录像设备构成;第2代为模拟与数字相结合的方式,即前端采用模拟摄像机,通过编码器将模拟信号转换为数字信号,再经过压缩,通过IP网络上传,实现了视频信号数字化存储、视频档案信息数字化传播和视频图像共享;第3代为数字视频监控系统,即采用数字摄像机,通过IP网络组网,用户可以通过网络上的任意一台电脑来观看、录制和管理实时的视频信息。网络的管理和扩展性更强。

这3代视频监控系统虽然在功能和性能上逐代提高,但仍然是靠人来观察和分析图像。随着摄像内容的大量增加,视频监控系统在很大程度上失去了预防与积极干预功能,系统明显存在误报、漏报、报警响应时间长、录像数据分析困难等缺陷,降低了整个系统的安全性和实用性,所以视频监控系统必须向着智能化方向发展。

2.2 智能视频技术

智能视频技术借助计算机的数据处理能力,自动识别和分析图像所含的信息,过滤用户不关心的信息,为监控人员提供有用的信息。例如,在车站人员密集的区域进行客流量统计及人群控制,包括人群的整体运动特征如速度、方向等,避免形成拥塞,及时提醒工作人员注意,并采取必要的防范措施;对车站及区间重点区域遗留物、异物侵限的监视;对可疑人员及移动物品通过不同的摄像机进行跟踪;对机房人员出入的监视;对配电设备工作状态的监视等等。智能数字视频监控系统是发展方向,在进行投资和实用性比较的情况下,可适当采用。

3 视频压缩方案选择

所谓视频编码方式就是指通过特定的压缩技术,将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式的文件。目前,视频流传输中最为广泛应用的编解码标准有国际电联(ITU-T)的H.264、运动静止图像专家组的M-JPEG和国际标准化组织(ISO)运动图像专家组的MPEG-4系列标准。

M-JPEG(Motion JPEG)压缩技术,主要是基于静态视频压缩发展起来的,其主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化,只单独对某一帧进行压缩。该项技术可以获取清晰度很高的视频图像,可以动态调整帧率、分辨率。但由于没有考虑到帧间变化,会造成大量冗余信息被重复存储,因此单帧视频的占用空间较大。目前流行的M-JPEG技术最好的也只能做到每帧字节数3KB,通常需要8～20KB。由于无法进行大比例压缩,数据量较高,录像每小时占用1～2GB空间,网络传输耗费大量的带宽资源,不太适用于移动物体图像的压缩,也不太适用于国内长时间保存录像的需求。

MPEG-1标准主要针对SIF标准分辨率(NTSC制为352×240,PAL制为352×288)的图像进行压缩。压缩位率主要目标为1.5Mb/s。较M-JPEG技术,MPEG-1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著提高。但MPEG-1也有较多缺点:存储容量还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。

MPEG-2在MPEG-1基础上进行了扩充和提升,和MPEG-1向下兼容,主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域,分辨率为:低(352 ×288),中(720×480),次高(1440×1080),高(1920×1080)。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率,满足了用户高清晰的要求,但由于压缩性能没有多少提高,使得存储容量还是太大,也不适合网络传输。

MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有显著提高,是在CIF(352×288)标清或者更高清晰度4CIF(768×576)情况下的视频压缩,可以方便地动态调整帧率、比特率,以降低存储量。录像每小时占用100～200MB空间,图像清晰度高,达到了DVD级图像效果。网络传输占用带宽小,一般一路图像占用带宽在1.5～2Mb/s,能够通过各种传输方式进行远程视频图像传输。2001年ISO的MPEG专家组和ITU-T的VCEG视频专家组组成视频联合工作组(JVT),共同推进视频压缩技术的进步。2003年3月,JVT形成了最终标准草案,分别提交ITU-T和ISO/ IEC。因此,该标准在ITU-T称为H.264,在ISO/ IEC称为MPEG-4的第10部分:先进视频编码(AVC)。

H.264的算法在概念上可以分为2层:视频编码层负责高效的视频压缩,网络适配层负责网络的适配,即针对不同的网络要求,以恰当的方式对数据进行打包和传送。这改变了传统的视频编码编完的视频码流,在任何应用领域下都是统一的码流模式,H.264可以根据不同应用,增加不同的NAL片头,以适应不同的网络应用环境,减少码流的传输差错。H.264采用了很多新技术,如帧内预测、自适应块大小编码模式、高精度亚像素运动估计、多帧运动补偿技术、4×4块的整形变换编码等,大大节省了带宽资源,H.264的码流相比较MPEG-4还要节省30%～50%的资源。网络适应性更好,图像质量更好。但是H.264所带来的性能上的改进是以增加复杂性为代价的,实现难度显著增加。

从技术发展上看,H.264优于MPEG-4,但MPEG-4标准发布比H.264早4年,MPEG-4商品化脚步快,市场占有率较高。所以这2种编码技术均可应用于铁路视频监控中。

另外,MPEG-4和H.264高昂的专利费会阻碍其商业应用,而具有自主知识产权的AVS编码技术的发展趋势还需要进一步观察。

4 系统兼容性选择

铁路综合视频监控系统是一条线、一条线单独建设的,要实现视频监控联网,就需要通过网络实现数据信号的传输和交换,并通过网络完成对系统内所有节点设备的管理与控制,用户登录到网络平台,就可实现对全网视频资源的调用。网络管理设备也需要监控,要能够管理本地和远程的视频监控系统资源,因此,系统应具有网络环境下多用户的管理功能,具有很高的稳定性和可靠性,同时兼容众多厂家的监控设备。

[1] 林信良.决战未来视频市场H.264冲击MPEG-4[J].电子技术,2008,11.

[2] 张季.未来视频监控系统的走向:智能化视频监控系统[J].中国安防,2008,11.

[3] 吕立波.电视监控技术现状及发展前瞻[J].中国公共安全,2006,12.

Based on the service requirements of railway comprehensive videomonitoring system,this paper analyzes optional solutions of railway comprehensive video monitoring system and proposes intelligent digital solution shall be the development direction of railway comprehensive videomonitoring.Furthermore,a comparison ofadvantagesand disadvantages of several video codingmodes,such as H.264,MJPEG,MPEG-4,weremade and the best suitablemodes for railway videomonitoring system are chosen.

Railway;Videomonitoring;Design

*中铁第一勘察设计院集团有限公司 高级工程师,710043 西安

2009-10-28

(责任编辑:诸红)

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