網絡攝像機在列車駕駛仿真器中的應用

孫會會，錢雪軍

（同濟大學電子與信息工程學院，上海200092）

隨著軌道交通的迅猛發展，列車駕駛員合格上崗成為保障人民生命安全的重要環節，而如何全方位培訓駕駛員成為重中之重。列車駕駛仿真器作為培訓列車駕駛員的工具，不僅為駕駛員提供了駕駛列車的現場感，也為教員全面監控學員的訓練過程提供了條件。

1 列車駕駛仿真器的視頻監控系統

列車駕駛仿真器主要包括全功能列車駕駛仿真器、設備間、教員監控系統和學員觀摩系統。全功能列車駕駛仿真器由司機室、視景仿真系統、聲音仿真系統和司機室運動系統組成。設備間集中放置各種硬件設備，便于統一管理。教員可通過教員監控系統對駕駛模擬訓練的各個環節進行監控和指導，學員也可通過學員觀摩系統對訓練過程觀看和學習。

教員通過列車駕駛仿真器的視頻監控系統，不僅要指導學員操縱司機控制臺和處理故障，還要監控整個仿真器的狀態，以及查看觀摩學員上課時的表現。鑒于以上要求，列車駕駛仿真器的視頻監控系統中的攝像機布局如圖1。其中，攝像機1監視司機控制臺D上的操縱手柄、按鈕等的狀態；攝像機2監控學員操縱司機控制臺D的情況，以及故障排除訓練中學員對電器柜E的操作情況；攝像機3監控客室中的車門開啟關閉狀況，以及學員對二端電器柜F的操作情況；攝像機4監控設備間中各硬件設備的狀態；攝像機5監控培訓過程中其他學員的上課情況。教員通過這5個攝像機可全方位監控整個培訓過程，學員也可全面地學習列車駕駛。

圖1 列車駕駛仿真器的視頻監控系統

2 網絡（IP）攝像機

2.1 IP攝像機的基本原理

視頻監控系統通常采用模擬攝像機或IP攝像機，而IP攝像機是模擬攝像機與網絡視頻技術相結合的產物。

模擬攝像機以CCD或CMOS圖像傳感器為核心，采集圖像信號，并轉換為電信號輸出模擬信號。目前普遍應用于基于PC機的數字視頻監控系統，如圖2。模擬攝像機輸出的模擬信號，經視音頻壓縮卡轉換為數字信號。配有顯示器和大容量硬盤的計算機成為系統的核心，可利用軟件實現攝像機到監視器的視頻矩陣切換、錄像和云臺控制，并利用網絡資源實現遠程監控。

圖2 基于模擬攝像機的數字視頻監控系統

IP攝像機可進一步將模擬信號轉換為數字信號，并經編碼器進行壓縮，再在控制器的作用下，由網絡服務器轉換為基于TCP/IP網絡標準的數據包。視頻監控系統中，IP攝像機可通過自身的RJ-45以太網接口或WIFI WLAN無線接口直接將數據包傳送到網絡上，用戶可在PC機上使用標準的瀏覽器或安裝監控軟件，實現遠端監控。

2.2 IP攝像機的優點

（1）布線簡單，抗干擾性強。

IP攝像機可通過自身的接口直接連接到網絡上，所以只需網絡布線。另外，IP攝像機可采用PoE供電（Power Over Ethernet），即用一條通用以太網電纜同時傳輸以太網信號和直流電源。

（2）設備簡潔，可擴展性強。

只需安裝IP攝像機以及在PC機上安裝網絡視頻監控軟件就可構成監控系統運行。當需要增添攝像機或用戶時，只需在現有網絡基礎上增加IP攝像機或PC機即可，而不需要對現有布線做任何改動。

（3）技術先進，便于二次開發。

內置的系統軟件可實現即插即用，為用戶免去復雜的網絡配置。同時IP攝像機所提供的SDK功能強大，易于做二次開發。

3 IP攝像機在列車駕駛仿真器視頻監控系統中的應用

鑒于IP攝像機無可比擬的優越性，本文研究基于IP攝像機的列車駕駛仿真器視頻監控系統（如圖3），并運用Microsoft Visual C++ 6.0實現。

3.1 權限設置

教員設置為超級用戶，具有監視各攝像機圖像、控制云臺、語音對講和限定普通用戶的使用權限等所有權限。學員設置為普通用戶，只可以觀看訓練過程、錄像和回放。這種多級用戶權限管理不僅提高了安全性，也為教員掌控整個訓練過程提供了便利。

圖3 基于IP攝像機的列車駕駛仿真器視頻監控系統

3.2 視頻壓縮標準的選擇

教員不僅需要清晰的圖像觀察學員的駕駛情況，也需要實時的畫面了解學員處理故障的反應能力。這就要求在低存儲情況下獲得較好的圖像質量和在低帶寬情況下獲得較快的圖像傳輸，解決問題的關鍵是選擇合適的視頻編碼技術。

目前，市場上的IP攝像機主要采用MPEG-4標準和H.264標準。在相同的重建圖像質量下，H.264的數據壓縮比能比MPEG-4高1.5～2倍，因此在網絡傳輸中需要的帶寬就少。H.264具有較好的網絡適應性和錯誤恢復功能，有效保證了網絡傳輸中的可靠性和實時性。因此選用基于H.264標準的IP攝像機。

3.3 網絡協議

系統采用通用的TCP/IP協議。其中網絡層采用IP協議，傳輸層采用TCP協議。

如圖3，系統需進行多點對多點的通信，所以采用IP組播技術。教員監控系統和學員觀摩系統中的PC機可組成一個組播組，使用一個D類IP地址作為組地址，范圍從224.0.0.0到239.255.255.255，保證流向組地址的數據立即向接收者傳輸，組中的所有成員都能接收到數據。由此，IP攝像機發出的數據可同時傳達給視頻監控系統中的任一PC機。

3.4 實現錄像及回放

視頻監控系統需實現邊預覽邊下載和回放功能，以便任一PC機查看所有的監控視頻。經網絡傳輸的IP報按相反的順序將RTP報頭和視頻數據提取出來，根據RTP報頭中的數據報序列號將視頻數據順序放入緩存供給解碼器解碼，實現視頻預覽。錄像時，視頻數據存放于硬盤之前需先檢測硬盤剩余存儲空間是否足夠，若不足，刪除較早創建的文件，以保證充分利用PC機的硬盤資源。為方便教員迅速查找到各學員相應的錄像資料，可將文件的名字設置為學員名字。

根據教員和學員的回放需求，本文實現了兩種回放方式：按時間回放和按學員名字回放。首先根據需求查找到相應文件，再用播放器軟件進行播放。

3.5 網絡監控軟件的實現

運用Microsoft Visual C++ 6.0對SDK進行二次開發，實現上述功能，可得教員監控系統中的網絡視頻監控軟件主界面如圖4。

圖4 網絡視頻監控軟件主界面

4 結束語

基于IP攝像機的列車駕駛仿真器監控系統，簡單方便，圖像質量和實時傳輸較好，充分利用了網絡資源，為考核學員提供了便利。伴隨IP攝像機的標準化、高清化和智能化，將會進一步優化列車駕駛仿真器視頻監控系統。

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[2] 沈蘭蓀，卓力. 小波編碼與網絡視頻傳輸[M] .北京：科學出版社，2005.

[3] 宋坤，劉銳寧，馬文強. Visual C++視頻技術方案寶典[M] . 北京：人民郵電出版社，2008.

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