王 玉 上海鐵路局上海通信段

1 前言

近幾年來，隨著數(shù)字通信媒體技術(shù)在有線電視、衛(wèi)星、IP寬帶網(wǎng)絡(luò)、3G通信等領(lǐng)域迅速發(fā)展，數(shù)字高清技術(shù)在當(dāng)前的數(shù)字視頻監(jiān)控領(lǐng)域成為主流趨勢。網(wǎng)絡(luò)化、智能化和高清化，已經(jīng)是當(dāng)前數(shù)字安防行業(yè)的發(fā)展主線?！白屛覀兛吹酶宄?，人們不再像以前感覺到那么的遙遠(yuǎn)。隨著數(shù)字化鐵路建設(shè)的要求，高清技術(shù)在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，必將進(jìn)一步發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路運(yùn)輸安全保障上的作用。

2 數(shù)字高清概述

在視頻監(jiān)控行業(yè)內(nèi)，人們對(duì)高清攝像機(jī)的理解分為兩種，一種為模擬高清攝像機(jī)，一種為數(shù)字高清攝像機(jī)。模擬攝像機(jī)受其本身性能的限制，其分辨率達(dá)到D1或4CIF的產(chǎn)品(4CIF 分辨率：PAL 制 704×576，NTSC 制 704×480；D1分辨率：PAL 制 720×576，NTSC 制 720×480)我們便稱之為標(biāo)清。而對(duì)于數(shù)字高清攝像機(jī)的定義，我們主要指分辨率為720P與1080P兩種格式，其畫面寬高比定義為16：9。720P即是1280×720分辨率，而1080P則是1920×1080分辨率，其中后綴“P”代表的是逐行掃描。

模擬高清攝像機(jī)一般可以達(dá)到4CIF或D1的分辨率，約為44萬像素，清晰度在300至500電視線之間；而采用數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可達(dá)到800電視線的清晰度要求，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的分辨率至少要達(dá)到1280×720的標(biāo)準(zhǔn)，約100萬像素左右；若采用200萬像素的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，就達(dá)到了超高清圖像的要求，寬高比為16:9的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，對(duì)應(yīng)分辨率為1920×1080，約200萬像素左右。行業(yè)內(nèi)更多的是借用電視領(lǐng)域的高清劃分標(biāo)準(zhǔn)，以分辨率100萬像素為準(zhǔn)，高于100萬像素的俗稱為"高清"，低于100萬像素的俗稱為"標(biāo)清"。當(dāng)前市場中已經(jīng)出現(xiàn)了分辨率能夠達(dá)到1080P和720P的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)際上鐵路專用IP網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足高清視頻的傳輸，并且提供了一個(gè)很高的保障。

3 高清視頻壓縮技術(shù)

目前視頻監(jiān)控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術(shù)。對(duì)于用戶而言他最為關(guān)心的主要有：清晰度、存儲(chǔ)量（帶寬）、穩(wěn)定性還有價(jià)格這幾個(gè)因素。采用不同的壓縮技術(shù)，將很大程度影響以上幾大要素。MPEG4(SP/ASP)和H.264是當(dāng)前監(jiān)控領(lǐng)域中的主流技術(shù)。

MPEG-4視頻壓縮算法相對(duì)于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有著顯著提高，在 CIF（352×288）或者更高清晰度（768×576）情況下的視頻壓縮，無論從清晰度還是從存儲(chǔ)量上都比MPEG1具有更大的優(yōu)勢，也更適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。另外MPEG-4可以方便地動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率、比特率，以降低存儲(chǔ)量。

H.264技術(shù)集中了以往標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到突破性進(jìn)展，使得它獲得比以往標(biāo)準(zhǔn)好得多的整體性能：和H.263+和MPEG-4相比最多可節(jié)省50%的碼率，使存儲(chǔ)容量大大降低；H.264在不同分辨率、不同碼率下都能提供較高的視頻質(zhì)量。采用"網(wǎng)絡(luò)友善"的結(jié)構(gòu)和語法，使其更有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。高清最大的挑戰(zhàn)在于需要大量的存儲(chǔ)空間和巨大的帶寬占用成本。H.264的優(yōu)點(diǎn)之一就是高效的壓縮比。在這里我們可以拿H.264與MPEG-2、MPEG-4的壓縮比來比較一下，舉個(gè)例子，假設(shè)原始文件的大小為90GB，采用MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25∶1，而采用H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮后變?yōu)?80MB，從90GB到880MB，H.264的壓縮比達(dá)到了102∶1。也就是說，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。高壓縮比帶來優(yōu)勢就是低碼流，在同等的畫質(zhì)條件下，H.264比上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG2平均節(jié)約64%的傳輸碼流，而比MPEG4平均節(jié)約39%的傳輸碼流。這樣，H.264將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間，減少用戶的數(shù)據(jù)流量和費(fèi)用。具有優(yōu)秀壓縮比的H.264壓縮技術(shù)就成功為用戶解決了清晰度、存儲(chǔ)量、穩(wěn)定性還有價(jià)格這些問題，正是由于上述優(yōu)點(diǎn)，H.264已成為高清視頻壓縮技術(shù)的真正主流。

4 高清技術(shù)在鐵路中應(yīng)用要求

高清在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用是全過程的應(yīng)用，其中包括了從視頻采集、視頻壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸、集中存儲(chǔ)到顯示控制均為基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化高清產(chǎn)品，并能兼容接入已經(jīng)通過鐵路部相關(guān)鑒定和測試的既有監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)，并能與既有傳統(tǒng)視頻系統(tǒng)混合使用。圖1是一個(gè)比較典型的鐵路高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 鐵路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

前端采用高清攝像機(jī)采集現(xiàn)場視頻信號(hào)，有兩種方式，方式一：通過如HDMI等的數(shù)字接口傳送至高清編碼器，再有編碼器通過本地網(wǎng)絡(luò)或IP網(wǎng)絡(luò)傳輸至1類節(jié)點(diǎn)的集中存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集中存儲(chǔ)。方式二：通過一體化高清球機(jī)的自帶的編碼器直接通過本地網(wǎng)絡(luò)或IP網(wǎng)絡(luò)傳輸至1類節(jié)點(diǎn)的集中存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集中存儲(chǔ)。高清攝像機(jī)的視頻流可接入既有視頻監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)可提供本地顯示、控制功能，可以顯示高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)圖像，控制高清攝像機(jī)云臺(tái)鏡頭，接收?qǐng)?bào)警信息，對(duì)IP攝像機(jī)進(jìn)行各類參數(shù)配置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)高清歷史圖像的調(diào)用和回放。區(qū)域節(jié)點(diǎn)處通過數(shù)字高清矩陣接口服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各類高清和標(biāo)清圖像進(jìn)行軟解碼或硬解碼輸出的圖像進(jìn)行兼容，并實(shí)現(xiàn)多路時(shí)評(píng)矩陣輸出功能。矩陣接口服務(wù)器必須同時(shí)支持兼容標(biāo)清AV模擬接口和高清HDMI數(shù)字接口或VGA數(shù)字接口，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各類標(biāo)清與高清圖像的同時(shí)顯示功能。同時(shí)可通過畫面拼割器，可實(shí)現(xiàn)多畫面多場景的拼接，以滿足全場景的覆蓋同時(shí)顯示要求。

現(xiàn)階段高清技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)用的場景主要在室內(nèi)環(huán)境中，可用180度或120度的全景式高清攝像機(jī)對(duì)車站內(nèi)重要區(qū)域進(jìn)行大范圍全覆蓋監(jiān)控，如候車室、售票大廳、出入站口、車站站臺(tái)等。使用高清技術(shù)可獲得比標(biāo)清更為清晰的高質(zhì)量圖像，并利用高清的圖像結(jié)合后端智能分析平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)智能分析工作，如對(duì)客流量人數(shù)統(tǒng)計(jì)、物體丟失、入侵檢測等能力。甚至在高速鐵路的建設(shè)中，都可以運(yùn)用高清技術(shù)進(jìn)行視頻監(jiān)控，例如對(duì)公跨鐵橋等重點(diǎn)部位安全監(jiān)控、對(duì)綜合工區(qū)重點(diǎn)部位視頻監(jiān)控、對(duì)通信、信號(hào)、信息機(jī)房、運(yùn)轉(zhuǎn)室視頻監(jiān)控、對(duì)SCADA系統(tǒng)和電源環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控，都將采用高清技術(shù)，以獲得更加清晰的高質(zhì)量圖像，來進(jìn)行更加精準(zhǔn)智能的分析。圖2為寧杭高鐵綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖。

圖2 寧杭高鐵綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

5 高清技術(shù)驗(yàn)證測試要求

由于當(dāng)前高清技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)用還較少，而現(xiàn)階段高清的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并不完整和統(tǒng)一，市場上的各類高清視頻產(chǎn)品魚龍混雜，良莠不一，很多產(chǎn)品并未得到國家權(quán)威部門的檢測和認(rèn)證。所以必須對(duì)高清技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行充分的驗(yàn)證測試，驗(yàn)證是否滿足鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)條件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，提出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和要求，以便推廣高清技術(shù)在鐵路中應(yīng)用。驗(yàn)證測試主要分為功能與性能二個(gè)主要方面。功能測試主要包括了現(xiàn)有的各類高清技術(shù)與既有的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)軟件的兼容接入能力，是否能滿足實(shí)時(shí)調(diào)用、存儲(chǔ)、回放、控制、顯示等各方面的功能要求。性能測試主要包括了單路高清視頻流的平均帶寬要求、最大帶寬要求，最大分辨率測試、調(diào)用時(shí)延大大小、壓縮協(xié)議分析、圖像質(zhì)量的評(píng)估、存儲(chǔ)容量的要求、存儲(chǔ)的穩(wěn)定性和可靠性等方面。通過上述項(xiàng)目的測試后，得到一系列的科學(xué)數(shù)據(jù)，方可對(duì)高清技術(shù)在鐵路監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以滿足高清技術(shù)對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲(chǔ)容量、顯示與控制設(shè)備的基本技術(shù)要求。

6 結(jié)束語

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)呼聲越來越高，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中高清技術(shù)的應(yīng)用必將成為大勢所趨。