铁路货场综合视频监控系统的设计及视频压缩和编码与解码研究

韩宇峰

(北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073)

铁路货场综合视频监控系统的设计及视频压缩和编码与解码研究

韩宇峰

(北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073)

主要介绍视频监控系统在铁路货场的应用，具体描述视频监控系统的功能、设计方案及视频编、解码技术，阐述目前视频监控系统在铁路系统存在的问题。

货场；视频监控系统；功能；总体方案；编码；解码；存在问题

1 概述

随着中国铁路的高速发展,视频监控系统已成为铁路运输系统的重要组成部分,它是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于铁路系统的许多场合,如行车室、通信机房、信号机房、信息机房、牵引变电所、开闭所、分区所、AT所、电力配电所、车站广场、候车大厅、售票厅、站台、车站咽喉区、公跨铁立交桥、铁路沿线、桥、涵、隧道、货场、整备场和编组场等。

2 视频监控技术的发展历程

近年来视频监控技术先后经历了模拟视频与近距离监控、模拟视频与远距离联网监控、数字视频与IP网络监控、数字视频与光纤网络监控4个阶段。目前,随着数字矩阵、光纤及传输技术的发展,模拟视频的“数字化”与光纤网络监控的技术又得到了广泛的应用。由此可见,视频监控技术今后的发展方向将会向数字化、网络化、智能化和平台化发展。

3 铁路视频监控系统的结构和功能

3.1 系统结构

根据铁路综合视频监控系统规范要求,铁路综合视频监控系统由视频区域节点、视频接入节点、视频采集点、视频网络和用户终端组成。

铁路综合视频监控系统应用结构如图1所示。

图1 铁路综合视频监控系统应用结构图

3.2 主要系统功能

1)视频监控系统主要功能应包括视频采集、视频处理、视频存储、视频回放、视频控制、视频内容分析、视频分发/转发、视频显示、系统管理、与其他系统互联或联动及告警功能等。

2)视频处理功能应符合下列要求。

*视频处理功能包括对模拟、视频信息进行压缩编码和解码。

*对视频流进行点对点、点对多点并发处理。

*应能对实时图像和历史图像进行中文字符叠加。

*能对告警信息输入输出。

*根据安全管理要求,能进行音频采集。

*根据图像内容变化能自动调节帧率(1～25 f/s)

*经过处理的视频信息和音频信息应具有原始完整性。

3) 系统应具有断网保护功能,承载网络中断后,用户设置和图像显示状态不会丢失,并可报告网络故障。网络重连后系统设置和显示状态恢复到故障前状态。

4) 系统应具有与其他相关系统互联互动告警功能。

4 铁路局某货场设计方案

4.1 总体方案

工程建设根据货场和仓库运营管理特点,监控系统从使用上满足管理人员对相应的管辖区域进行监视,了解和掌握生产、工作状况。动态掌握进出场货车的运行及货物装卸情况,并可以有效防止货盗行为。还可以提高管理人员对货场运营情况的宏观调控能力及为相关部门创造一个良好的工作环境。

铁路货场因为复杂的地理位置和特殊功能,结合现场实际情况,本系统采用有线传输,由于监控点分布散,采集节点选用光纤和视频缆传输,从而满足货场监控的需求。由于监控点分布在较广阔的范围内,并且与监控中心的距离较远,视频信号的接入采用有线连接方式。

铁路货场视频监控系统示意如图2所示。

4.2 接入节点方案

本工程在某货场办公楼设置中心机房设置接入节点设备。接入节点设备主要由视频存储设备、视频分/转发设备、视频管理终端设备、编码器设备和网络设备组成。

图2 铁路货场视频监控系统示意图

4.3 视频采集方案

系统前端摄像机采集视频信号后,通过光端机或视频电缆传送至控制中心。

前端设备由摄像机、光端机组成。

4.3.1 货场视频采集点设置

铁路货场地理位置复杂,装卸车作业区、站台、中转站台、仓库、雨棚、集装箱堆箱区、平交道咽喉区、笨重区装卸作业等位置交错,因此需根据被监控区域的特点、现场情况、实际使用需求、资金情况等加以选择设置不同型号的摄像机。摄像机种类如下所述。

1)根据安装区域不同可分为室内、室外的;

2)根据传输信号的不同可分为模拟、数字的;

3)根据照度不同可分为纯彩、低照度、超低照度、星光级的;

4)根据补光类型不同可分为白光、红外、激光的;

5)根据图像质量不同可分为标清、高清的;

6)根据成像原理不同可分为主动成像、热成像的;

7)根据外观不同可分为针孔、半球、枪机、球机、一体化云台;

8)根据能否支持视频行为分析可分为普通摄像机、智能摄像机。

货场设置的球机、枪机、云台枪机如图3所示。

图3 球机、枪机、云台枪机照片图

4.3.2 货场视频传输方案

货场视频监控系统前端摄像机采集视频信号后,通过光端机、光缆或视频电缆传送至控制中心机房,但对于传输距离超过5 km的视频信号,普通光端机不能满足传输需要,应采用适合远距离传输的SDH、PDH传输设备或数据网传输设备+光缆的传输方式。

采集点的光端机位置确定后,通过终端于各个光端机内的光缆连接至控制中心的局端光端机设备,其组网方式根据监控区域不同、采集点位置不同可分为环形、链形、相切环形等。

4.4 视频分析及存储

4.4.1 视频分析

本工程针对关键位置的习惯行为采用前端分析,对库房内、货场进出口、停车场等地区的图形增加行为分析,使用带分析功能的编码器及控制终端实现行为分析功能。

根据实际需求分别提供对视频图像内容的智能分析和告警功能,提供支持入侵检测、逗留(滞留)检测和逆行检测等基本检测模式。

提供在同一场景内划分多个防区,并支持在同一防区内实现多种检测模式。提供运动目标信息检测:目标大小、位置和轨迹。

提供单向、双向跨越警戒线事件检测及报警;提供进入、离开、出现于警戒区域事件检测及报警。

4.4.2 视频存储

视频编码器对视频图像进行编码。视频图像信息采用H.264数字编码格式进行压缩,基于IP传输,图像显示的分辨率为4CIF(704×576)或CIF (352×288)等,传输帧率为25 f/s。

视频图像存储通过视频服务器进行存储,按每路带宽1 Mbit/s考虑,存储周期为30天,采用自动循环方式。

4.5 视频显示及监控终端设置

本工程在某货场货运楼一层设置视频监控机房。机房内设置操作终端及窄边液晶显示器,在公安派出所监控室设置监视终端。

5 视频压缩编码和解码

5.1 视频压缩原理

视频信号的传输由于信息量大,传输网络宽带要求高,如果直接对视频信号进行传输,以现在的网络宽带来看很难达到,所以要求在视频信号传输前先进行压缩编码,进行视频源压缩编码,然后再传送以节省带宽和存储空间。

视频压缩通过减少和去除冗余视频数据的方式,达到有效发送和存储数字视频文件的目的。在压缩过程中,需要应用压缩算法对源视频进行压缩以创建压缩文件,进行传输和存储。如果要播放压缩文件,必须要进行相反的解压缩算法对视频进行还原,还原后的视频内容与原始的源视频内容几乎完全相同。压缩、发送、解压缩和显示文件所需的时间称为延时。在相同处理能力下,压缩算法越高级,延时就越长。

5.2 视频编码、解码

视频编码是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文件的方式。输入的视频图像通常被分割为宏块分别进行编码,宏块通常是由亮度块信息和对应的色度块信息组成。然后使用分块的运动补偿从已编码的帧对当前帧的数据进行预测,再使用块变换或子带分解来减少空域的统计相关性。最常见的变换是离散余弦变换(DCT fordiscrete cosine transform)。变换的输出系数接下来被量化,量化后的系数进行熵编码并成为输出码流的一部分。

解码基本上是编码过程的逆过程。其中不能被完全恢复原来信息的步骤是量化,需要尽可能接近的恢复原来信息。这个过程被称为反量化,尽管量化本身已经注定是个不可逆过程。

视频编、解码是需要标准化的,为了使编码的码流具有互操作性(即由A编码器编成的码流可以由B解码器解码),目前编码的过程并不完全被一个标准所定义,用户有设计自己编码器的自由,只要用户设计的编码器编码产生的码流是符合解码规范的就可以了。因此,由不同的编码器对同样的视频源按照同样的标准进行编码,再解码后输出图像的质量往往可能相差很多,这也就是目前视频监控系统在编、解码技术上存在的一个问题。

视频编解码工作原理示意如图4所示。

图4 视频编解码工作原理示意图

视频编解码组网示意如图5所示。

图5 视频编解码组网示意图

图5中的编码方式采用的是目前比较流行的前端解码方式,视频模拟信号经过前端编码器转成数字信号,通过传输网络在视频机房进行存贮并解码传到监控终端。

6 铁路视频监控系统存在的问题

6.1 共享性差

铁路视频监控系统涉及众多业务部门,比如公安、车务段、机务段、电务段、工务段、旅服系统、客运段、货运段等都有各自独特的视频监控需求,由于铁路部门专业分割明显,各专业的关联度较低,因此需要铁路总公司、铁路局及相关站段预留与铁路信息化应用系统互联接口及上传视频信息条件,以加强对既有视频资源的整合、调取,以发挥铁路综合视频监控系统更大的共享作用。

6.2 体系规范不统一

由于生产视频监控系统产品的厂家较多,这样导致视频图像编解码标准的多样性,如:各个铁路局下的各个货场视频监控系统的产品由不同厂家提供,系统数据交换环节规范的缺位,使得各厂家在目前国际编解码标准(比如H.264和MPEG4、MJPEG)框架下,各自制定自身私有算法,视频信号在压缩的过程中每个厂家打包的原理和方式不同、花样繁多、标准不一,功能侧重点也各不相同,不同厂商的视频产品无法兼容,互通性不强,如果项目前期采用一家公司的产品容易形成垄断,不利于监控系统的长期稳定的发展及维护、扩容。

7 结束语

如今,视频监控系统已成为铁路建设及铁路客专、高铁“四电”中的一个重要系统,其直观、准确、及时和丰富的信息内容为铁路各个系统提供了可靠的安全保障,期待视频监控技术的数字化、网络化、智能化和平台化的发展也能向中国高铁的速度一样快。但铁路各个系统的顺利运行很大程度上还是取决于管理人员及工作人员的维护、监督、审核、管理,只有这样视频监控系统才能发挥出它的的巨大作用。

This paper describes the application of video monitoring systems in railway freight yards, gives a specific description of the function and design scheme of the system, as well as the technology of video encoding and decoding, and elaborates the current problems of video monitoring systems in railway systems.

railway freight yard; video monitoring system; function; encoding; decoding; problem

10.3969/j.issn.1673-4440.2014.04.011

2013-01-06）