鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方案選擇

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方案選擇

鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)從一個單線建設(shè)發(fā)展到多個線收集。施工系統(tǒng)必須連接已開放系統(tǒng)，并要求平臺之間的互聯(lián)。構(gòu)建鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng),必須對各種關(guān)鍵技術(shù)方案選擇加以規(guī)范、統(tǒng)一。通過梳理現(xiàn)階段工程技術(shù)方案應(yīng)用情況,對視頻監(jiān)控組網(wǎng)技術(shù)、編解碼技術(shù)、存儲技術(shù)、智能分析技術(shù)、互聯(lián)互通等不同技術(shù)方案的優(yōu)缺點進行分析,提出適合鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)方案選擇建議。1視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著社會發(fā)展和技術(shù)進步,視頻監(jiān)控組網(wǎng)技術(shù)已從模擬視頻技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù),發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)。1.1基于矩陣的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)20世紀(jì)80年代末,我國鐵路逐漸在特大型車站內(nèi)建設(shè)和使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)。1988年,天津站投入使用基于矩陣的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。隨后,沈陽、長春、濟南、呼和浩特、漢口、深圳、北京西等特大型客站相繼開通基于矩陣的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由模擬攝像機、專用電纜、視頻切換矩陣、模擬監(jiān)視器、模擬錄像設(shè)備和盒式錄像帶等構(gòu)成。由于維護工作繁瑣,缺少遠程聯(lián)網(wǎng)功能,無法進行遠程訪問,模擬視頻錄像占用大量存儲空間,海量存儲難以做到,錄像質(zhì)量隨時間推移下降,模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用存在很大局限性。1.2etwelldrt系統(tǒng)數(shù)字視頻技術(shù)包括以DVR(DigitalVideoRecorder)系統(tǒng)為代表的模擬與數(shù)字混合視頻監(jiān)視模式和以NVR(NetworkDVR)系統(tǒng)為代表的數(shù)字視頻監(jiān)控模式。DVR系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn),逐步被市場認(rèn)知并大面積投入商用,幾乎替代了模擬監(jiān)控市場。其主要標(biāo)志是用DVR設(shè)備代替了模擬視頻切換矩陣,將模擬視頻信號進行數(shù)字化,視頻圖像存儲在電腦硬盤上,用戶可通過DVR來控制攝像機,并可方便快速地對圖像信息進行檢索。DVR系統(tǒng)主要由模擬攝像機、專用電纜/(光纜+視頻光端機)和DVR設(shè)備等構(gòu)成。1.3新一代安全監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)最早出現(xiàn)于2001年,為目前正在蓬勃發(fā)展的視頻監(jiān)控技術(shù)。它是完全基于IP技術(shù),面向Internet/Intranet應(yīng)用的新一代安全監(jiān)視系統(tǒng)。2006年12月,基于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)的青藏鐵路格拉段線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)第一次正式投入使用。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)的特點是:在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上,基于IP數(shù)據(jù)網(wǎng)實現(xiàn)大容量多級聯(lián)網(wǎng),統(tǒng)一呼叫信令格式、視音頻媒體編解碼格式、控制與報警格式,采用流媒體技術(shù)實現(xiàn)視頻在網(wǎng)上傳輸,滿足跨地區(qū)、多級別用戶對視頻資源的共享。其主要優(yōu)勢是:遠程控制訪問能力和存儲能力大、經(jīng)濟實用、擴展靈活等。1.4網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)的時代展望借助網(wǎng)絡(luò)和計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力,自動識別和分析圖像所含信息,過濾掉用戶不關(guān)心的信息,為不同用戶提供不同關(guān)注點的有用信息,網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻技術(shù)為視頻監(jiān)控系統(tǒng)向高度智能化方向發(fā)展搭建了技術(shù)平臺。目前該技術(shù)已在高速鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用,一定時期內(nèi)必將日趨完善與成熟。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)重點考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笕萘考案咝?信息處理的實時性。具體組網(wǎng)方案與數(shù)據(jù)壓縮編解碼技術(shù)、存儲技術(shù)、智能分析技術(shù)、互聯(lián)互通技術(shù)、用戶終端數(shù)量、用戶地點及用戶并發(fā)播放路數(shù)等密切相關(guān)。2解碼方案性能分析視頻壓縮編碼主要實現(xiàn)模擬視頻圖像的數(shù)字化,將有大量冗余信息的數(shù)字視頻壓縮并重新編碼為適合存儲及遠程傳輸?shù)囊曨l格式。視頻壓縮編碼是網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的核心技術(shù),直接影響視頻存儲、傳輸和播放等環(huán)節(jié)。目前,視頻監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域編解碼技術(shù)主要有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4,H.261,H.263,H.264和AVS。MPEG-1,MPEG-2,H.261和H.263編解碼技術(shù)為第一代壓縮編解碼技術(shù),設(shè)計主要著眼于圖像信號的統(tǒng)計特性,屬于波形編解碼范疇。這種編解碼方案存在明顯缺陷,目前應(yīng)用較少,下面主要針對MPEG-4,H.264及AVS編解碼技術(shù)逐一進行分析比較。MPEG-4視頻壓縮算法相對于MPEG-1/2,在低比特率壓縮上有顯著提高。在CIF(352×288)標(biāo)清或更高清晰度4CIF(768×576)情況下,MPEG-4可方便地動態(tài)調(diào)整幀率、比特率,以降低存儲量。錄像每小時占用100M~200M空間,圖像清晰度高,即達到DVD級圖像效果。網(wǎng)絡(luò)傳輸占用帶寬小,一般1路圖像占用帶寬1.5M~2Mb/s,能通過多種傳輸方式進行遠程視頻圖像傳輸。H.264算法在概念上可分為兩層:視頻編碼層負(fù)責(zé)高效視頻壓縮,網(wǎng)絡(luò)適配層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)適配,即針對不同的網(wǎng)絡(luò)要求,以恰當(dāng)?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進行打包和傳送。H.264可根據(jù)不同應(yīng)用增加不同的NAL片頭,以適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境,減少碼流傳輸差錯。H.264采用很多新技術(shù),如幀內(nèi)預(yù)測、自適應(yīng)塊大小編碼模式、高精度亞像素運動估計、多幀運動補償技術(shù)、4X4塊整形變換編碼等,大大節(jié)省了帶寬資源。H.264的碼流比MPEG-4還要節(jié)省30%的資源,其網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性更好,圖像質(zhì)量更好。但H.264性能上的改進是以增加復(fù)雜性為代價的,實現(xiàn)難度也顯著增加。AVS(音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn),AudioVideoCodingstandard)是我國第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。AVS的編碼效率與H.264相當(dāng),而算法復(fù)雜度僅相當(dāng)于H.264的30%,解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的70%,軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264。同時,由于我國掌握自主知識產(chǎn)權(quán),專利授權(quán)模式簡單,專利費用低。2.4編碼技術(shù)方面MPEG-4,H.264及AVS編解碼技術(shù)為基于模型/對象的第二代壓縮編解碼技術(shù),它充分利用人眼視覺特性,抓住圖像信息傳輸本質(zhì),從輪廓、紋理思路出發(fā),適應(yīng)了多媒體信息應(yīng)用由播放型轉(zhuǎn)向基于內(nèi)容訪問、檢索及存儲的發(fā)展趨勢;實現(xiàn)了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對象和內(nèi)容的現(xiàn)代編碼技術(shù)轉(zhuǎn)變,編碼效率大幅度提高,符合網(wǎng)絡(luò)化傳輸要求;提供了基于內(nèi)容的交互,壓縮范圍可調(diào)整,并具有通用的訪問性能。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)因發(fā)布較早,產(chǎn)品相對成熟,算法復(fù)雜度較低,價格也較低。但相對于H.264和AVS而言,編碼效率低,需占用較多帶寬。對于H.264標(biāo)準(zhǔn),已有多家廠商提供H.264芯片,產(chǎn)品開始成熟。因采用多項提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施,在不影響視頻效果情況下,比MPEG-4節(jié)約30%的碼率。AVS產(chǎn)業(yè)化進程落后于H.264,但AVS的編碼效率與H.264相當(dāng),軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264?？梢灶A(yù)見,AVS標(biāo)準(zhǔn)將成為支撐國家數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求編解碼技術(shù)能以更低的碼率實現(xiàn)更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量,需要較高的編碼效率且適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。因此,現(xiàn)階段建議采用以MPEG-4,H.264為主的壓縮編碼格式,但不排除AVS技術(shù)成熟后被逐步引入的可能。3基于網(wǎng)絡(luò)的存儲結(jié)構(gòu)視頻存儲技術(shù)需綜合考慮鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)、存儲容量、用戶分布、網(wǎng)絡(luò)帶寬及視頻存儲模式等諸多因素,其技術(shù)類型選擇在很大程度上影響著網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案、系統(tǒng)應(yīng)用與工程投資。目前主流存儲技術(shù)有以下幾種。DAS(DirectAttachedStorage,直接連接存儲),是以服務(wù)器為中心的存儲結(jié)構(gòu),采用存儲設(shè)備直接和服務(wù)器連接,接口主要為SCSI(SmallComputerSystemInterface,小型計算機系統(tǒng)接口)。存儲設(shè)備可外掛在服務(wù)器上,也可內(nèi)置于服務(wù)器。服務(wù)器連接在網(wǎng)絡(luò)上,網(wǎng)絡(luò)上任何客戶端訪問某存儲設(shè)備上的資源必須經(jīng)過服務(wù)器。由于連接在每個采集點服務(wù)器上的存儲設(shè)備是獨立的,視頻網(wǎng)絡(luò)上的存儲設(shè)備無法實現(xiàn)共享,資源利用率較低。SAN(StorageAreaNetwork,存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)),是一種以網(wǎng)絡(luò)為中心的存儲結(jié)構(gòu),主要采用FC(光纖通道)將存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化,接口為FC。SAN以數(shù)據(jù)存儲為中心,通過具有高傳輸速率的光通道或者iSCSI(internetSmallComputerSystemInterface)直接連接,將數(shù)據(jù)存儲管理集中在相對獨立的存儲區(qū)域網(wǎng)內(nèi)。SAN與傳統(tǒng)DAS區(qū)別在于,DAS的存儲設(shè)備專門服務(wù)于所連接的服務(wù)器,而SAN模式下所有存儲設(shè)備可高度共享,系統(tǒng)可靠性較高,但成本較高。如果SAN是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò),則可實現(xiàn)IPSAN存儲技術(shù),其成本較采用光纖通道標(biāo)準(zhǔn)的SAN要低很多,因此在需要海量存儲視頻錄像文件時經(jīng)常被采用。NAS(NetworkAttachedStorage,網(wǎng)絡(luò)連接存儲),是一種專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)文件存儲和文件備份設(shè)備。采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以數(shù)據(jù)為中心的存儲結(jié)構(gòu),可完全脫離服務(wù)器,通過與網(wǎng)絡(luò)直接連接的磁盤陣列,接口為TCP/IP。它具備磁盤陣列的所有主要特征:高容量、高效能和高可靠;使系統(tǒng)整體管理和設(shè)置較為簡單;即插即用產(chǎn)品,用戶可直接通過網(wǎng)絡(luò)共享NAS設(shè)備中的數(shù)據(jù),解決了DAS存儲對服務(wù)器的依賴及服務(wù)器的瓶頸問題。3.4視頻存儲模式應(yīng)綜合運用多種存儲技術(shù)DAS和SAN技術(shù)主要是進行“塊”存儲,而NAS技術(shù)主要是進行“文件”存儲。DAS和SAN技術(shù)更適合視頻信息存儲,NAS技術(shù)更適合文本信息存儲。綜上所述,DAS技術(shù)適合應(yīng)用于存儲視頻路數(shù)較少的地方(Ⅰ,Ⅱ類視頻節(jié)點),宜應(yīng)用在分散存儲模式中;SAN技術(shù)適合應(yīng)用于存儲視頻路數(shù)多且視頻匯集較集中的地方(視頻區(qū)域節(jié)點),較為廣泛地應(yīng)用在集中存儲模式下;當(dāng)采用相對集中存儲模式時,可同時選用兩種存儲技術(shù)。除正確選擇存儲技術(shù)外,存儲策略也很重要,它將直接影響系統(tǒng)應(yīng)用質(zhì)量。系統(tǒng)應(yīng)具有按時間、地點、事件等方式觸發(fā)存儲的策略,應(yīng)避免無人值守機房連續(xù)對黑屏圖像進行存儲等情況發(fā)生,避免加大工程投資和維護成本。無論采用何種架構(gòu)進行存儲系統(tǒng)搭建,龐大的視頻監(jiān)控系統(tǒng)都會存在成本較大、磁盤碎片及檢索性能等問題。隨著存儲技術(shù)不斷發(fā)展,不排除針對視頻存儲特點而專門開發(fā)存儲新技術(shù)的可能性。4鐵路運輸視頻分析技術(shù)應(yīng)用視頻智能分析技術(shù)已在鐵路得到大量應(yīng)用,青藏鐵路和京津、石太、合寧、合武等高速鐵路已在咽喉區(qū)、公跨鐵立交橋等場所采用入侵探測和逗留檢測等視頻分析技術(shù)。目前智能分析技術(shù)主要分為以下2種。4.1視頻分析技術(shù)在視頻接入節(jié)點的計算機/服務(wù)器上安裝視頻分析軟件,對接收到的視頻內(nèi)容進行分析稱為后端視頻分析。4.2前視頻分析通過嵌入到編碼器或攝像機中的硬件處理器,完成核心算法的運行和相關(guān)計算,實現(xiàn)視頻內(nèi)容分析的方法稱為前端視頻分析技術(shù)。4.3前端視頻分析技術(shù)后端視頻分析技術(shù)配置靈活,系統(tǒng)可對指定攝像頭的視頻圖像實施分析,但由于視頻移動偵測算法全部由后臺服務(wù)器完成,要求后臺服務(wù)器有較強的數(shù)據(jù)處理能力。目前該技術(shù)應(yīng)用案例較少。前端視頻分析技術(shù)通過在前端加入視頻分析模塊,在前端模塊中對視頻圖像進行分析。當(dāng)有違反規(guī)則的事件發(fā)生時,向后臺服務(wù)器報警并上傳相應(yīng)信息。該技術(shù)響應(yīng)時間較快,對網(wǎng)絡(luò)帶寬和后臺服務(wù)器資源占用較小。目前流行的視頻分析技術(shù)大多采用這一方式。其缺點是:將前端視頻分析攝像機和視頻分析模塊進行綁定,系統(tǒng)無法對隨意指定的攝像頭視頻圖像實施分析,靈活性稍差?；阼F路承載網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀,建議視頻智能分析技術(shù)優(yōu)先選擇前端視頻分析技術(shù)。5sip/rtsp協(xié)議鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)就是要通過統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)各類視頻信息的充分共享和系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。其技術(shù)關(guān)鍵是協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,也就是要求各視頻監(jiān)控系統(tǒng)所對應(yīng)的TCP/IP協(xié)議棧應(yīng)用層的信令協(xié)議必須統(tǒng)一。目前,用于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的信令協(xié)議主要包括HTTP(超文本傳輸協(xié)議),RTSP(實時流協(xié)議)和SIP(會話初始協(xié)議)。HTTP屬于應(yīng)用層面的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議,適用于分布式超媒體信息系統(tǒng);RTSP由IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)制定,該協(xié)議定義了客戶和服務(wù)器程序之間如何進行媒體播放會話控制的交互;SIP是IETF制定的多媒體通信系統(tǒng)框架協(xié)議之一,與RTSP一樣,它是基于文本的應(yīng)用層控制協(xié)議,用于建立、修改和終止IP網(wǎng)上的雙方或多方多媒體會話。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用HTTP協(xié)議傳輸信令流和媒體流,這種傳輸方式開銷大,不利于管理,不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)需求。綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)采用信令流和媒體流分通道傳輸方式。SIP和RTSP協(xié)議都是基于文本的應(yīng)用層信令協(xié)議,具備很強的擴展能力,采用媒體流和信令流分離的傳輸方式。SIP與RTSP的主要區(qū)別在于:(1)RTSP協(xié)議基于TCP;SIP未對下層協(xié)議進行規(guī)定。(2)SIP是一個會話協(xié)議,協(xié)議本身不具備媒體控制功能。針對具體應(yīng)用,SIP需與其他協(xié)議配合使用,或進行協(xié)議擴展。RTSP相對較完整,除定義了會話控制信令外,還定義了完整的媒體控制信令,也提供了信令擴展功能。(3)SIP會話可用于點對點或點對多點;RTSP會話一般是點對點。綜上所述,SIP和RTSP協(xié)議各有利弊,但SIP協(xié)議簡單,靈活性好,擴展性強。除視頻監(jiān)控應(yīng)用外,SIP還可在視頻會議、網(wǎng)絡(luò)視頻點播及各類網(wǎng)絡(luò)多媒體中應(yīng)用,實際應(yīng)用越來越廣泛,代表了未來的發(fā)展方向,鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)宜采用SIP信令協(xié)議做會話控制。系統(tǒng)無論選用SIP還是RTSP作為信令協(xié)議,報警信息無論采用信令通道還是數(shù)據(jù)(媒體流)通道傳輸,都應(yīng)對協(xié)議擴展部分作出明確約定,才能做到真正的互連互通。目前,鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范已明確規(guī)定了系統(tǒng)的通信協(xié)議,并在《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(試行)》規(guī)定了視頻節(jié)點互聯(lián)互通功能單元(認(rèn)證授權(quán)單元AA、接入網(wǎng)關(guān)單元AGU、信令控制單元SCU)基礎(chǔ)上,進一步明確互聯(lián)互通需要增加的功能單元(目錄服務(wù)單元DSU、數(shù)據(jù)分