王凡，周謙，劉俊博，程雨，趙鑫欣，王寧，夏博光

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

截至2020年底，我國鐵路運(yùn)營總里程已達(dá)14.63萬km，其中，高速鐵路里程突破3.79萬km，鐵路運(yùn)輸正向高速度、高密度的趨勢發(fā)展。高速鐵路運(yùn)行環(huán)境安全檢測是高速鐵路運(yùn)營檢測和聯(lián)調(diào)聯(lián)試[1]的重要工作，基于高速綜合檢測列車的視頻采集系統(tǒng)能夠獲取全線路運(yùn)行環(huán)境信息，檢測人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路中的安全隱患，有效保障高速鐵路運(yùn)營安全。此外，通過與高速綜合檢測列車中其他檢測系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，能夠依據(jù)可靠的視頻數(shù)據(jù)對(duì)故障檢測結(jié)果進(jìn)一步分析，減少檢測結(jié)果的誤報(bào)率。

目前，世界各國綜合檢測列車均配備車載視頻采集系統(tǒng)[2]，如日本“East-Ⅰ”綜合檢測列車，最高檢測速度為275 km/h，其視頻采集系統(tǒng)能夠同時(shí)獲取列車前后的運(yùn)行環(huán)境信息，視頻分辨率為720×480，幀率為30幀/s。我國用于聯(lián)調(diào)聯(lián)試和運(yùn)營檢測的高速綜合檢測列車，在司機(jī)室操作臺(tái)與擋風(fēng)玻璃之間安裝高清攝像機(jī)，視頻數(shù)據(jù)采用最新的H.264視頻編碼技術(shù)[3]，視頻圖像的分辨率為1 920×1 080，幀率為25幀/s。

但現(xiàn)有視頻采集系統(tǒng)受制于網(wǎng)絡(luò)承載能力限制，無法在會(huì)議車大屏幕上實(shí)時(shí)察看線路運(yùn)行環(huán)境狀況。且系統(tǒng)容易受到天氣等自然因素影響。光照條件較差時(shí)，采集的視頻圖像存在亮度低、噪聲大等問題，不利于進(jìn)一步分析和處理，無法適應(yīng)快速增長的聯(lián)調(diào)聯(lián)試和運(yùn)營檢測任務(wù)需求。

為解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，提出一種新型基于高速綜合檢測列車的運(yùn)行環(huán)境視頻采集增強(qiáng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)和分布式多計(jì)算機(jī)切換器（KVM）實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的多終端實(shí)時(shí)展示，利用Retinex圖像增強(qiáng)算法解決視頻圖像亮度低、噪聲大等問題。在真實(shí)高鐵線路的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以全天候地獲取高質(zhì)量的高鐵運(yùn)行環(huán)境視頻數(shù)據(jù)，并可在檢測列車多個(gè)顯示終端上實(shí)時(shí)展示，能夠滿足當(dāng)前高鐵線路運(yùn)行環(huán)境安全檢測任務(wù)的需求。該系統(tǒng)已推廣應(yīng)用于多輛高速綜合檢測列車，為高鐵運(yùn)行環(huán)境安全檢測任務(wù)提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

1 視頻采集增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)

高速鐵路運(yùn)行環(huán)境視頻采集增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1，該系統(tǒng)由1號(hào)車和8號(hào)車的司機(jī)室環(huán)境視頻槍機(jī)、高清視頻采集處理服務(wù)器、會(huì)議車高清大屏、集中監(jiān)控顯示屏和多套分布式KVM構(gòu)成，其中2套分布式KVM的輸入節(jié)點(diǎn)分別與高清視頻采集處理服務(wù)器和定位同步服務(wù)器相連接，輸出節(jié)點(diǎn)分別與集中監(jiān)控顯示屏和會(huì)議車2K分辨率的高清大屏連接，即可實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控顯示屏同時(shí)監(jiān)視2臺(tái)服務(wù)器的界面，而高清大屏展示某臺(tái)視頻槍機(jī)的圖像。全新設(shè)計(jì)的全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)為視頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，定位同步服務(wù)器可通過串口為視頻數(shù)據(jù)提供里程、速度等信息。

圖1 高速鐵路運(yùn)行環(huán)境視頻采集增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)配置2臺(tái)高清視頻槍機(jī)，視頻圖像的最大分辨率為2 048×1 536，幀率為25幀/s，分別安裝于檢測列車1號(hào)車和8號(hào)車的司機(jī)室操作臺(tái)上（見圖2（a）），能夠沿線路中心線拍攝清晰的線路及周邊環(huán)境（如建筑物、電桿、護(hù)欄、聲屏障）的視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)通過解碼、疊加定位同步系統(tǒng)[4]提供的線路名稱、里程、速度、車次和時(shí)間等字符信息，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。系統(tǒng)采集的夜間視頻圖像見圖2（b）。

圖2 運(yùn)行環(huán)境視頻采集

全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)通過多臺(tái)工業(yè)級(jí)全千兆網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)搭建而成（見圖3），視頻圖像可通過全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)和分布式KVM在檢測列車的高清大屏上實(shí)時(shí)展示，方便檢測人員實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路安全隱患。

圖3 全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)架構(gòu)

全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)由主備3層核心交換機(jī)與各車的2層主干交換機(jī)組成冗余環(huán)網(wǎng)，通過應(yīng)用光纖介質(zhì)作為傳輸通道，能夠有效降低磁場對(duì)圖像信號(hào)的傳輸影響，保障數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)全面達(dá)到千兆帶寬的通信能力。冗余環(huán)網(wǎng)共享主備3層核心交換機(jī)，形成4條冗余通道，依靠路由冗余協(xié)議（VRRP）[5]，能夠保證主3層交換機(jī)在出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換至備3層交換機(jī)，從而持續(xù)提供路由服務(wù)。此外，通過對(duì)各車廂的交換機(jī)進(jìn)行虛擬局域網(wǎng)（VLAN）規(guī)劃與配置，可對(duì)廣播風(fēng)暴進(jìn)行有效抑制。

高速綜合檢測列車中安裝多臺(tái)顯示終端，包括高清視頻采集系統(tǒng)的顯示器、高清大屏和集中監(jiān)控顯示屏等。分布式KVM自帶視頻推送和拉取功能，可通過全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)將視頻信號(hào)同步推送至多臺(tái)顯示終端，進(jìn)行實(shí)時(shí)展示（見圖4）。全千兆光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與分布式KVM的結(jié)合，確保數(shù)據(jù)能無損傳輸至高清大屏，保證了視頻顯示的流暢度與清晰度。

圖4 視頻展示

2 視頻圖像增強(qiáng)

高速鐵路日常檢測和聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作通常全天候進(jìn)行，檢測過程中會(huì)遇到各種天氣情況，高清視頻槍機(jī)采集的原始視頻圖像通常存在低亮度、噪聲大等問題，不利于運(yùn)行環(huán)境的安全檢測。因此，需要利用圖像增強(qiáng)方法提升視頻圖像的質(zhì)量。

Retinex理論[6]常用于提升圖像亮度、降低圖像噪聲。該理論主要基于2個(gè)假設(shè)：（1）物體顏色是由物體對(duì)長波、中波和短波光線的反射能力所決定；（2）物體色彩不受光照的非均勻性影響。原始圖像S可表示為照射分量L與反射分量R的乘積：

式中：x、y為圖像的像素坐標(biāo)，分別代表圖像的行和列。

將式（1）的等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)，可將計(jì)算過程轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)域的加法運(yùn)算，以降低運(yùn)算的復(fù)雜度：

由于物體的真實(shí)顏色取決于反射分量R（x，y）[7]，因此可通過提取原始圖像的反射分量來提升圖像亮度、降低噪聲，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)原始圖像質(zhì)量的目的。然而，直接獲取原始圖像的反射分量非常困難。通常先估計(jì)原始圖像的照射分量[7]，再利用式（3）得到原始圖像的反射分量，即在對(duì)數(shù)域用原始圖像減去照射分量便可得到反射分量。

由于原始圖像的照射分量是圖像中低頻成分[8]，因此，可采用基于高斯核的非線性濾波方法來估計(jì)照射分量。目前，單尺度Retinex算法（Single-scale Retinex，SSR）[9]和多尺度 Retinex算法 （Multi-scale Retinex，MSR）[10]都是通過該原理來實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量的增強(qiáng)。具體來說，將原始圖像和1個(gè)高斯核進(jìn)行卷積來獲取照射分量（低頻成分），然后進(jìn)一步計(jì)算得到圖像的反射分量（高頻成分）[11-12]，計(jì)算過程見式（4）和式（5）。式（4）是空間域下反射分量的計(jì)算公式，式（5）是對(duì)數(shù)域下反射分量的計(jì)算公式：

式中：G為高斯核；ε為無窮小常量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為更好地應(yīng)用高速綜合檢測列車上采集到的視頻數(shù)據(jù)，有必要提升視頻圖像中環(huán)境要素的被識(shí)別能力，同時(shí)將圖像中的細(xì)節(jié)信息和邊緣信息進(jìn)行還原。目前，試驗(yàn)都是基于檢測列車現(xiàn)有視頻采集系統(tǒng)所生成的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在高鐵線路運(yùn)行中采集多組運(yùn)行環(huán)境視頻數(shù)據(jù)，并利用Retinex圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行增強(qiáng)。對(duì)于自帶圖像增強(qiáng)能力的低照度和寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，雖能改善拍攝主體的亮度，但圖像質(zhì)量會(huì)下降、防抖效果較差、噪點(diǎn)和模糊增多，有丟失畫面細(xì)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)采用高速綜合檢測列車為平臺(tái)，在真實(shí)高鐵線路的檢測過程中采集運(yùn)行環(huán)境視頻數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用SSR和MSR算法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以比較2種算法對(duì)視頻亮度的提升效果。

利用SSR和MSR算法增強(qiáng)后的視頻圖像見圖5。觀察發(fā)現(xiàn)，2種算法都可以降低原始圖像的細(xì)節(jié)模糊程度，而且很好地保留了物體的邊緣信息。將圖中“出站口”指示牌和軌道區(qū)域放大后查看，對(duì)于指示牌上文字，MSR算法的提升效果更為顯著，對(duì)高速鐵路運(yùn)行環(huán)境檢測中所關(guān)注的軌道區(qū)域及整體環(huán)境同樣有著更好的增強(qiáng)效果。

圖5 視頻圖像增強(qiáng)結(jié)果

在此，采用圖像熵[13]的方法評(píng)價(jià)圖像增強(qiáng)效果，該方法是一種無參考圖像的增強(qiáng)評(píng)價(jià)方法，熵值越大，說明圖像中像素灰度分布差異性越大、紋理越顯著，即圖像中包含更多的有效信息。利用SSR和MSR算法得到的局部熵圖像結(jié)果見圖6。觀察發(fā)現(xiàn)，MSR算法生成的局部熵圖像比SSR算法更為明亮，表明MSR算法增強(qiáng)后圖像的亮度提升和紋理豐富方面更具優(yōu)勢，對(duì)于后續(xù)基于視頻的高速鐵路運(yùn)行環(huán)境安全檢測任務(wù)的開展更為有利。

圖6 局部熵圖像

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有高速鐵路運(yùn)行環(huán)境視頻采集系統(tǒng)存在的問題，提出一種新型基于高速綜合檢測列車的運(yùn)行環(huán)境視頻采集增強(qiáng)系統(tǒng)。

（1）搭建全千兆光纖數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)和分布式KVM，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)在高清大屏幕等多個(gè)顯示終端實(shí)時(shí)顯示的功能，便于檢測人員實(shí)時(shí)監(jiān)控線路運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)。

（2）應(yīng)用Retinex算法提升視頻圖像質(zhì)量，解決了視頻數(shù)據(jù)亮度低、噪聲大的問題，為后續(xù)分析工作提供更高質(zhì)量的視頻圖像數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)際線路的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：該系統(tǒng)可全天候獲取高質(zhì)量的高速鐵路運(yùn)行環(huán)境視頻數(shù)據(jù)，并可同步在高速綜合檢測列車的多個(gè)顯示終端實(shí)時(shí)顯示。

（4）該系統(tǒng)已推廣應(yīng)用于多輛高速綜合檢測列車，為高鐵運(yùn)行環(huán)境安全檢測任務(wù)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，具有較高實(shí)用價(jià)值。