数字高清技术在铁路综合视频监控中应用分析

王 玉 上海铁路局上海通信段

1 前言

近几年来，随着数字通信媒体技术在有线电视、卫星、IP宽带网络、3G通信等领域迅速发展，数字高清技术在当前的数字视频监控领域成为主流趋势。网络化、智能化和高清化，已经是当前数字安防行业的发展主线。“让我们看得更清楚”，人们不再像以前感觉到那么的遥远。随着数字化铁路建设的要求，高清技术在铁路综合视频监控系统的应用，必将进一步发挥视频监控系统在铁路运输安全保障上的作用。

2 数字高清概述

在视频监控行业内，人们对高清摄像机的理解分为两种，一种为模拟高清摄像机，一种为数字高清摄像机。模拟摄像机受其本身性能的限制，其分辨率达到D1或4CIF的产品(4CIF 分辨率：PAL 制 704×576，NTSC 制 704×480；D1分辨率：PAL 制 720×576，NTSC 制 720×480)我们便称之为标清。而对于数字高清摄像机的定义，我们主要指分辨率为720P与1080P两种格式，其画面宽高比定义为16：9。720P即是1280×720分辨率，而1080P则是1920×1080分辨率，其中后缀“P”代表的是逐行扫描。

模拟高清摄像机一般可以达到4CIF或D1的分辨率，约为44万像素，清晰度在300至500电视线之间；而采用数字高清网络摄像机可达到800电视线的清晰度要求，高清网络摄像机的分辨率至少要达到1280×720的标准，约100万像素左右；若采用200万像素的网络摄像机，就达到了超高清图像的要求，宽高比为16:9的网络摄像机，对应分辨率为1920×1080，约200万像素左右。行业内更多的是借用电视领域的高清划分标准，以分辨率100万像素为准，高于100万像素的俗称为"高清"，低于100万像素的俗称为"标清"。当前市场中已经出现了分辨率能够达到1080P和720P的网络摄像机，实际上铁路专用IP网络完全可以满足高清视频的传输，并且提供了一个很高的保障。

3 高清视频压缩技术

目前视频监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种视频编码技术。对于用户而言他最为关心的主要有：清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有价格这几个因素。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。MPEG4(SP/ASP)和H.264是当前监控领域中的主流技术。

MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在 CIF（352×288）或者更高清晰度（768×576）情况下的视频压缩，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。另外MPEG-4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。

H.264技术集中了以往标准的优点，在许多领域都得到突破性进展，使得它获得比以往标准好得多的整体性能：和H.263+和MPEG-4相比最多可节省50%的码率，使存储容量大大降低；H.264在不同分辨率、不同码率下都能提供较高的视频质量。采用"网络友善"的结构和语法，使其更有利于网络传输。高清最大的挑战在于需要大量的存储空间和巨大的带宽占用成本。H.264的优点之一就是高效的压缩比。在这里我们可以拿H.264与MPEG-2、MPEG-4的压缩比来比较一下，举个例子，假设原始文件的大小为90GB，采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB，压缩比为25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为880MB，从90GB到880MB，H.264的压缩比达到了102∶1。也就是说，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。高压缩比带来优势就是低码流，在同等的画质条件下，H.264比上一代编码标准MPEG2平均节约64%的传输码流，而比MPEG4平均节约39%的传输码流。这样，H.264将大大节省用户的下载时间，减少用户的数据流量和费用。具有优秀压缩比的H.264压缩技术就成功为用户解决了清晰度、存储量、稳定性还有价格这些问题，正是由于上述优点，H.264已成为高清视频压缩技术的真正主流。

4 高清技术在铁路中应用要求

高清在铁路视频监控系统的应用是全过程的应用，其中包括了从视频采集、视频压缩、网络传输、集中存储到显示控制均为基于IP网络的数字化高清产品，并能兼容接入已经通过铁路部相关鉴定和测试的既有监控系统软件平台，并能与既有传统视频系统混合使用。图1是一个比较典型的铁路高清网络视频监控系统网络拓扑图。

图1 铁路高清视频监控系统网络拓扑图

前端采用高清摄像机采集现场视频信号，有两种方式，方式一：通过如HDMI等的数字接口传送至高清编码器，再有编码器通过本地网络或IP网络传输至1类节点的集中存储设备进行网络集中存储。方式二：通过一体化高清球机的自带的编码器直接通过本地网络或IP网络传输至1类节点的集中存储设备进行网络集中存储。高清摄像机的视频流可接入既有视频监控平台，监控平台可提供本地显示、控制功能，可以显示高清摄像机实时图像，控制高清摄像机云台镜头，接收报警信息，对IP摄像机进行各类参数配置，并实现对高清历史图像的调用和回放。区域节点处通过数字高清矩阵接口服务器对系统内各类高清和标清图像进行软解码或硬解码输出的图像进行兼容，并实现多路时评矩阵输出功能。矩阵接口服务器必须同时支持兼容标清AV模拟接口和高清HDMI数字接口或VGA数字接口，以实现系统内各类标清与高清图像的同时显示功能。同时可通过画面拼割器，可实现多画面多场景的拼接，以满足全场景的覆盖同时显示要求。

现阶段高清技术在铁路视频监控系统中运用的场景主要在室内环境中，可用180度或120度的全景式高清摄像机对车站内重要区域进行大范围全覆盖监控，如候车室、售票大厅、出入站口、车站站台等。使用高清技术可获得比标清更为清晰的高质量图像，并利用高清的图像结合后端智能分析平台可实现更为精准智能分析工作，如对客流量人数统计、物体丢失、入侵检测等能力。甚至在高速铁路的建设中，都可以运用高清技术进行视频监控，例如对公跨铁桥等重点部位安全监控、对综合工区重点部位视频监控、对通信、信号、信息机房、运转室视频监控、对SCADA系统和电源环境监控系统联动视频监控，都将采用高清技术，以获得更加清晰的高质量图像，来进行更加精准智能的分析。图2为宁杭高铁综合视频监控系统图。

图2 宁杭高铁综合视频监控系统图

5 高清技术验证测试要求

由于当前高清技术在铁路视频监控系统内运用还较少，而现阶段高清的技术标准并不完整和统一，市场上的各类高清视频产品鱼龙混杂，良莠不一，很多产品并未得到国家权威部门的检测和认证。所以必须对高清技术和产品进行充分的验证测试，验证是否满足铁路综合视频监控系统的技术条件相关标准要求，提出相应的技术规范和要求，以便推广高清技术在铁路中应用。验证测试主要分为功能与性能二个主要方面。功能测试主要包括了现有的各类高清技术与既有的监控系统平台软件的兼容接入能力，是否能满足实时调用、存储、回放、控制、显示等各方面的功能要求。性能测试主要包括了单路高清视频流的平均带宽要求、最大带宽要求，最大分辨率测试、调用时延大大小、压缩协议分析、图像质量的评估、存储容量的要求、存储的稳定性和可靠性等方面。通过上述项目的测试后，得到一系列的科学数据，方可对高清技术在铁路监控系统内的应用进行统一规划和设计，以满足高清技术对传输网络带宽、存储容量、显示与控制设备的基本技术要求。

6 结束语

随着高清视频监控技术的发展，全数字化、高清化、智能化的网络视频监控系统呼声越来越高，铁路视频监控系统中高清技术的应用必将成为大势所趋。