鐵路貨場綜合視頻監控系統的設計及視頻壓縮和編碼與解碼研究

韓宇峰

(北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

鐵路貨場綜合視頻監控系統的設計及視頻壓縮和編碼與解碼研究

韓宇峰

(北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

主要介紹視頻監控系統在鐵路貨場的應用，具體描述視頻監控系統的功能、設計方案及視頻編、解碼技術，闡述目前視頻監控系統在鐵路系統存在的問題。

貨場；視頻監控系統；功能；總體方案；編碼；解碼；存在問題

1 概述

隨著中國鐵路的高速發展,視頻監控系統已成為鐵路運輸系統的重要組成部分,它是一種防范能力較強的綜合系統。視頻監控以其直觀、準確、及時和信息內容豐富而廣泛應用于鐵路系統的許多場合,如行車室、通信機房、信號機房、信息機房、牽引變電所、開閉所、分區所、AT所、電力配電所、車站廣場、候車大廳、售票廳、站臺、車站咽喉區、公跨鐵立交橋、鐵路沿線、橋、涵、隧道、貨場、整備場和編組場等。

2 視頻監控技術的發展歷程

近年來視頻監控技術先后經歷了模擬視頻與近距離監控、模擬視頻與遠距離聯網監控、數字視頻與IP網絡監控、數字視頻與光纖網絡監控4個階段。目前,隨著數字矩陣、光纖及傳輸技術的發展,模擬視頻的“數字化”與光纖網絡監控的技術又得到了廣泛的應用。由此可見,視頻監控技術今后的發展方向將會向數字化、網絡化、智能化和平臺化發展。

3 鐵路視頻監控系統的結構和功能

3.1 系統結構

根據鐵路綜合視頻監控系統規范要求,鐵路綜合視頻監控系統由視頻區域節點、視頻接入節點、視頻采集點、視頻網絡和用戶終端組成。

鐵路綜合視頻監控系統應用結構如圖1所示。

圖1 鐵路綜合視頻監控系統應用結構圖

3.2 主要系統功能

1)視頻監控系統主要功能應包括視頻采集、視頻處理、視頻存儲、視頻回放、視頻控制、視頻內容分析、視頻分發/轉發、視頻顯示、系統管理、與其他系統互聯或聯動及告警功能等。

2)視頻處理功能應符合下列要求。

*視頻處理功能包括對模擬、視頻信息進行壓縮編碼和解碼。

*對視頻流進行點對點、點對多點并發處理。

*應能對實時圖像和歷史圖像進行中文字符疊加。

*能對告警信息輸入輸出。

*根據安全管理要求,能進行音頻采集。

*根據圖像內容變化能自動調節幀率(1～25 f/s)

*經過處理的視頻信息和音頻信息應具有原始完整性。

3) 系統應具有斷網保護功能,承載網絡中斷后,用戶設置和圖像顯示狀態不會丟失,并可報告網絡故障。網絡重連后系統設置和顯示狀態恢復到故障前狀態。

4) 系統應具有與其他相關系統互聯互動告警功能。

4 鐵路局某貨場設計方案

4.1 總體方案

工程建設根據貨場和倉庫運營管理特點,監控系統從使用上滿足管理人員對相應的管轄區域進行監視,了解和掌握生產、工作狀況。動態掌握進出場貨車的運行及貨物裝卸情況,并可以有效防止貨盜行為。還可以提高管理人員對貨場運營情況的宏觀調控能力及為相關部門創造一個良好的工作環境。

鐵路貨場因為復雜的地理位置和特殊功能,結合現場實際情況,本系統采用有線傳輸,由于監控點分布散,采集節點選用光纖和視頻纜傳輸,從而滿足貨場監控的需求。由于監控點分布在較廣闊的范圍內,并且與監控中心的距離較遠,視頻信號的接入采用有線連接方式。

鐵路貨場視頻監控系統示意如圖2所示。

4.2 接入節點方案

本工程在某貨場辦公樓設置中心機房設置接入節點設備。接入節點設備主要由視頻存儲設備、視頻分/轉發設備、視頻管理終端設備、編碼器設備和網絡設備組成。

圖2 鐵路貨場視頻監控系統示意圖

4.3 視頻采集方案

系統前端攝像機采集視頻信號后,通過光端機或視頻電纜傳送至控制中心。

前端設備由攝像機、光端機組成。

4.3.1 貨場視頻采集點設置

鐵路貨場地理位置復雜,裝卸車作業區、站臺、中轉站臺、倉庫、雨棚、集裝箱堆箱區、平交道咽喉區、笨重區裝卸作業等位置交錯,因此需根據被監控區域的特點、現場情況、實際使用需求、資金情況等加以選擇設置不同型號的攝像機。攝像機種類如下所述。

1)根據安裝區域不同可分為室內、室外的;

2)根據傳輸信號的不同可分為模擬、數字的;

3)根據照度不同可分為純彩、低照度、超低照度、星光級的;

4)根據補光類型不同可分為白光、紅外、激光的;

5)根據圖像質量不同可分為標清、高清的;

6)根據成像原理不同可分為主動成像、熱成像的;

7)根據外觀不同可分為針孔、半球、槍機、球機、一體化云臺;

8)根據能否支持視頻行為分析可分為普通攝像機、智能攝像機。

貨場設置的球機、槍機、云臺槍機如圖3所示。

圖3 球機、槍機、云臺槍機照片圖

4.3.2 貨場視頻傳輸方案

貨場視頻監控系統前端攝像機采集視頻信號后,通過光端機、光纜或視頻電纜傳送至控制中心機房,但對于傳輸距離超過5 km的視頻信號,普通光端機不能滿足傳輸需要,應采用適合遠距離傳輸的SDH、PDH傳輸設備或數據網傳輸設備+光纜的傳輸方式。

采集點的光端機位置確定后,通過終端于各個光端機內的光纜連接至控制中心的局端光端機設備,其組網方式根據監控區域不同、采集點位置不同可分為環形、鏈形、相切環形等。

4.4 視頻分析及存儲

4.4.1 視頻分析

本工程針對關鍵位置的習慣行為采用前端分析,對庫房內、貨場進出口、停車場等地區的圖形增加行為分析,使用帶分析功能的編碼器及控制終端實現行為分析功能。

根據實際需求分別提供對視頻圖像內容的智能分析和告警功能,提供支持入侵檢測、逗留(滯留)檢測和逆行檢測等基本檢測模式。

提供在同一場景內劃分多個防區,并支持在同一防區內實現多種檢測模式。提供運動目標信息檢測:目標大小、位置和軌跡。

提供單向、雙向跨越警戒線事件檢測及報警;提供進入、離開、出現于警戒區域事件檢測及報警。

4.4.2 視頻存儲

視頻編碼器對視頻圖像進行編碼。視頻圖像信息采用H.264數字編碼格式進行壓縮,基于IP傳輸,圖像顯示的分辨率為4CIF(704×576)或CIF (352×288)等,傳輸幀率為25 f/s。

視頻圖像存儲通過視頻服務器進行存儲,按每路帶寬1 Mbit/s考慮,存儲周期為30天,采用自動循環方式。

4.5 視頻顯示及監控終端設置

本工程在某貨場貨運樓一層設置視頻監控機房。機房內設置操作終端及窄邊液晶顯示器,在公安派出所監控室設置監視終端。

5 視頻壓縮編碼和解碼

5.1 視頻壓縮原理

視頻信號的傳輸由于信息量大,傳輸網絡寬帶要求高,如果直接對視頻信號進行傳輸,以現在的網絡寬帶來看很難達到,所以要求在視頻信號傳輸前先進行壓縮編碼,進行視頻源壓縮編碼,然后再傳送以節省帶寬和存儲空間。

視頻壓縮通過減少和去除冗余視頻數據的方式,達到有效發送和存儲數字視頻文件的目的。在壓縮過程中,需要應用壓縮算法對源視頻進行壓縮以創建壓縮文件,進行傳輸和存儲。如果要播放壓縮文件,必須要進行相反的解壓縮算法對視頻進行還原,還原后的視頻內容與原始的源視頻內容幾乎完全相同。壓縮、發送、解壓縮和顯示文件所需的時間稱為延時。在相同處理能力下,壓縮算法越高級,延時就越長。

5.2 視頻編碼、解碼

視頻編碼是通過特定的壓縮技術,將某個視頻格式的文件轉換成另一種視頻格式文件的方式。輸入的視頻圖像通常被分割為宏塊分別進行編碼,宏塊通常是由亮度塊信息和對應的色度塊信息組成。然后使用分塊的運動補償從已編碼的幀對當前幀的數據進行預測,再使用塊變換或子帶分解來減少空域的統計相關性。最常見的變換是離散余弦變換(DCT fordiscrete cosine transform)。變換的輸出系數接下來被量化,量化后的系數進行熵編碼并成為輸出碼流的一部分。

解碼基本上是編碼過程的逆過程。其中不能被完全恢復原來信息的步驟是量化,需要盡可能接近的恢復原來信息。這個過程被稱為反量化,盡管量化本身已經注定是個不可逆過程。

視頻編、解碼是需要標準化的,為了使編碼的碼流具有互操作性(即由A編碼器編成的碼流可以由B解碼器解碼),目前編碼的過程并不完全被一個標準所定義,用戶有設計自己編碼器的自由,只要用戶設計的編碼器編碼產生的碼流是符合解碼規范的就可以了。因此,由不同的編碼器對同樣的視頻源按照同樣的標準進行編碼,再解碼后輸出圖像的質量往往可能相差很多,這也就是目前視頻監控系統在編、解碼技術上存在的一個問題。

視頻編解碼工作原理示意如圖4所示。

圖4 視頻編解碼工作原理示意圖

視頻編解碼組網示意如圖5所示。

圖5 視頻編解碼組網示意圖

圖5中的編碼方式采用的是目前比較流行的前端解碼方式,視頻模擬信號經過前端編碼器轉成數字信號,通過傳輸網絡在視頻機房進行存貯并解碼傳到監控終端。

6 鐵路視頻監控系統存在的問題

6.1 共享性差

鐵路視頻監控系統涉及眾多業務部門,比如公安、車務段、機務段、電務段、工務段、旅服系統、客運段、貨運段等都有各自獨特的視頻監控需求,由于鐵路部門專業分割明顯,各專業的關聯度較低,因此需要鐵路總公司、鐵路局及相關站段預留與鐵路信息化應用系統互聯接口及上傳視頻信息條件,以加強對既有視頻資源的整合、調取,以發揮鐵路綜合視頻監控系統更大的共享作用。

6.2 體系規范不統一

由于生產視頻監控系統產品的廠家較多,這樣導致視頻圖像編解碼標準的多樣性,如:各個鐵路局下的各個貨場視頻監控系統的產品由不同廠家提供,系統數據交換環節規范的缺位,使得各廠家在目前國際編解碼標準(比如H.264和MPEG4、MJPEG)框架下,各自制定自身私有算法,視頻信號在壓縮的過程中每個廠家打包的原理和方式不同、花樣繁多、標準不一,功能側重點也各不相同,不同廠商的視頻產品無法兼容,互通性不強,如果項目前期采用一家公司的產品容易形成壟斷,不利于監控系統的長期穩定的發展及維護、擴容。

7 結束語

如今,視頻監控系統已成為鐵路建設及鐵路客專、高鐵“四電”中的一個重要系統,其直觀、準確、及時和豐富的信息內容為鐵路各個系統提供了可靠的安全保障,期待視頻監控技術的數字化、網絡化、智能化和平臺化的發展也能向中國高鐵的速度一樣快。但鐵路各個系統的順利運行很大程度上還是取決于管理人員及工作人員的維護、監督、審核、管理,只有這樣視頻監控系統才能發揮出它的的巨大作用。

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）