目前，中國(guó)的鐵路建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入到了高速發(fā)展的階段，在數(shù)字化監(jiān)控潮流的影響下,對(duì)圖像清晰度的追求已成為視頻監(jiān)控—個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，高清攝像機(jī)及高清監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸被鐵路行業(yè)所重視，本文將就高清視頻監(jiān)控技術(shù)在鐵路建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用作初步的探討。

高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)

      近幾年中國(guó)的鐵路建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，為了保障鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，視頻監(jiān)控得到了大量應(yīng)用。同時(shí)，人們對(duì)圖像的要求也越來(lái)越高，從最開(kāi)始的能看到圖像，到現(xiàn)在的要看到清晰的圖像，再到今后的能進(jìn)行處理分析的高清晰圖像……等等。在數(shù)字監(jiān)控潮流下，對(duì)圖像清晰度的追求成為了視頻監(jiān)控一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，高清攝像機(jī)及高清監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用也逐漸被鐵路行業(yè)所重視。

      什么是高清攝像機(jī)，什么樣的系統(tǒng)算是高清監(jiān)控系統(tǒng)昵9國(guó)際上，SMPTE(美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì))定義的兩個(gè)HDTV標(biāo)準(zhǔn)是SMPTE296M和SMPTE274M。SMPTE2694(HDTV720P)定義的主要參數(shù)有：分辨率為1280×720像素、16．9格式的高保真色彩，逐行掃描頻率25／30Hz。SIVWrE274M(HDTV1080)則要求：分辨率為1920x1080像素、16：9格式的高保真色彩、使用25／30Hz和5ff60Hz的隔行或逐行掃描頻率。符合SMPTE標(biāo)準(zhǔn)的攝像機(jī)表示遵從HDTV質(zhì)量，并應(yīng)提供HDTV的所有分辨率、色彩保真度和幀速率優(yōu)點(diǎn)。參考國(guó)際上HDTV高清電視的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的需求，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的定義為“錄像視頻分辨率達(dá)到或超過(guò)720P(1280×720，25fps)，水平解析度達(dá)到或超過(guò)700線的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)”。而其它高分辨率的攝像機(jī)可稱為百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)或MEGAIPC。從目前市場(chǎng)上發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，HDTV的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能夠獲得后端高清LCD、PDP,DLP，高清監(jiān)視器等更好的支持，從而獲得比MEGEIPC更好的顯示效果，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。而高清監(jiān)控系統(tǒng)是指其傳輸?shù)拿恳宦穲D像都能達(dá)到高清分辨率，且視頻采集、編碼、傳輸、瀏覽、錄像、回放等全面高清，并能夠支持前端HIXFV高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。

高清視頻監(jiān)控在鐵路行業(yè)的應(yīng)用方案

      在鐵路行業(yè)，高清監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)的不僅是更清晰的圖像和更好的效果，也帶來(lái)了更大的系統(tǒng)性能需求、遠(yuǎn)距離傳輸帶寬和存儲(chǔ)等問(wèn)題。什么樣的高清系統(tǒng)才能適合鐵路行業(yè)多級(jí)調(diào)閱、遠(yuǎn)距離傳輸、監(jiān)控規(guī)模大的行業(yè)特點(diǎn)呢?

      如圖1所示，在整個(gè)傳統(tǒng)鐵路行業(yè)視頻監(jiān)控方案中，其中心是流媒體服務(wù)器，這種方式常見(jiàn)于車站監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)中。前端的編碼器或者IPC輸出的單播流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒职l(fā)／存儲(chǔ)服務(wù)器，由分發(fā)／存儲(chǔ)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)單播轉(zhuǎn)多播、按需分發(fā)、按需存儲(chǔ)。整個(gè)數(shù)據(jù)流如圖1所示。在全標(biāo)清系統(tǒng)的情況下，該方案還能基本滿足多用戶操作的需求，但是如果此方案應(yīng)用于高清系統(tǒng)，則流媒體分發(fā)方式的弊端將會(huì)凸顯出來(lái)：

      1．服務(wù)器規(guī)模隨著監(jiān)控點(diǎn)數(shù)的增加成等比例上升尤其是高清IFC想要得到較好的應(yīng)用效果，輸出碼流一股莊6M-SM，是傳統(tǒng)標(biāo)清的3-4假分發(fā)／存儲(chǔ)服務(wù)器數(shù)量將會(huì)大增，并且必須增加服務(wù)器的檔次，因?yàn)榉?wù)器的性能成為了方案中的性能瓶頸。

      2．系統(tǒng)存在著較多的局部故障點(diǎn)，當(dāng)其中某臺(tái)分發(fā)／存儲(chǔ)BR務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)影響其所管理的多路視頻圖像的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)監(jiān)看，不符合交通行業(yè)對(duì)安防系統(tǒng)高可靠性的要求。雖然可以通過(guò)冗余服務(wù)器解決該問(wèn)題，但是每個(gè)車站配置冗余服務(wù)器從成本角度考慮，現(xiàn)實(shí)工程中很少被實(shí)際采用。

      3．前端IPC輸出單播流，造成存儲(chǔ)流和實(shí)時(shí)流占用同樣帶寬，如果為了得到高清系統(tǒng)帶來(lái)的良好圖像質(zhì)量，那么磁盤陣列將會(huì)面臨較大的壓力，尤其是成本將會(huì)大幅提高：若是為了減小磁盤成本的壓力，增大存儲(chǔ)流壓縮比，又會(huì)大大降低高清監(jiān)控圖像的清晰度。

      4．大量的服務(wù)器及其設(shè)備機(jī)架不僅占據(jù)了大量設(shè)備的空間，不符合綠色環(huán)保的要求，更致命的是增加了系統(tǒng)的不可靠性，增多了故障點(diǎn)。當(dāng)面對(duì)突發(fā)事件出現(xiàn)多個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域的時(shí)候，大規(guī)模突發(fā)的流量很容易導(dǎo)致整個(gè)服務(wù)器群的癱瘓。

      在圖2中，則代表了目前比較先進(jìn)的一種視頻監(jiān)控解決方案，它采用電信領(lǐng)域比較成熟的軟交換架構(gòu)：NGN架構(gòu)。管理服務(wù)器僅負(fù)責(zé)處理設(shè)備管理、信令分發(fā)、會(huì)話的建立，且不參與到實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)流之中(實(shí)時(shí)流和存儲(chǔ)流)。在圖2中，存儲(chǔ)流和實(shí)時(shí)流均是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)酱疟P陣列、解碼器或監(jiān)控客戶端，如此解決了此前的服務(wù)性能和可靠性瓶頸的問(wèn)題。當(dāng)有多個(gè)用戶同時(shí)調(diào)閱同一路圖像實(shí)時(shí)視頻時(shí)，則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組播提供支持，如圖2中標(biāo)號(hào)①的視頻流所示：解碼器和監(jiān)控客戶端同時(shí)調(diào)閱同一路圖像，此時(shí)因?yàn)榍岸薎PC輸出的是組播流，則由網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)提供類似碼流復(fù)制的功能，解決對(duì)前端IPC大規(guī)模同時(shí)調(diào)閱而帶來(lái)的性能和帶寬的沖擊問(wèn)題。這種解決方案在高清系統(tǒng)中帶來(lái)了較多的優(yōu)點(diǎn)：

      1．監(jiān)控點(diǎn)數(shù)的規(guī)模和服務(wù)器數(shù)量不存在強(qiáng)相關(guān)性，視頻管理服務(wù)器僅參與會(huì)話的建立過(guò)程，而不參與視頻流的分發(fā)，因此系統(tǒng)不存在系統(tǒng)瓶頸問(wèn)題。單臺(tái)視頻管理服務(wù)器可以滿足幾千路的標(biāo)清高清圖像監(jiān)控。

      2．由于采用了先進(jìn)的軟交換NGN(業(yè)務(wù)流和控制流相分離)架構(gòu)，管理月盼器發(fā)生故障不會(huì)中斷監(jiān)控實(shí)時(shí)流，存儲(chǔ)流也不受影響，保障了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)仍然正常的記錄，從架構(gòu)上極大地保證了系統(tǒng)的高可靠性，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)局部故障點(diǎn)。

      3．前端IPC通過(guò)輸出雙碼流(存儲(chǔ)流和實(shí)時(shí)流)，兩路視頻流可以單獨(dú)設(shè)置碼流大小，能夠最大限度地發(fā)揮高清監(jiān)控帶來(lái)的高清晰效果，同時(shí)，又能顯著降低存儲(chǔ)的代價(jià)保障用戶的投資。

      4．當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件或事故、出現(xiàn)多個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域的時(shí)候，大規(guī)模突發(fā)的流量通過(guò)組播技術(shù)由交換機(jī)來(lái)進(jìn)行復(fù)制、分發(fā)，從而輕松解決大規(guī)模多用戶的問(wèn)題，滿足了公安和企業(yè)管理方在緊急情況下對(duì)高可靠性的調(diào)度要求。

      上面所示場(chǎng)景主要應(yīng)用于車站內(nèi)監(jiān)控，它不可避免地面臨上級(jí)調(diào)度中心遠(yuǎn)程共享調(diào)閱的問(wèn)題。傳統(tǒng)的流媒體分發(fā)方案應(yīng)該說(shuō)能方便實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，而如果僅采用軟交換NGN架構(gòu)，組播模式的方式在鐵路行業(yè)廣域網(wǎng)、低寬的情況下將遇到較大的麻煩，因此還必須對(duì)圖2進(jìn)行—定的改進(jìn)。

      如圖3所示，傳統(tǒng)方案由于流媒體轉(zhuǎn)發(fā)的特性，天然具備支持多級(jí)的架構(gòu)，此時(shí)車站內(nèi)的流媒體服務(wù)器除了負(fù)責(zé)分發(fā)和存儲(chǔ)，還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，這勢(shì)必又增加了服務(wù)器的性能壓力。但是這種方案解決了對(duì)鐵路廣域網(wǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)組播、帶寬有限的問(wèn)題。它將本車站內(nèi)的視頻圖像轉(zhuǎn)發(fā)給上—級(jí)流媒體服務(wù)器，由上—級(jí)流媒體服務(wù)器完成分發(fā)功能，解決了多用戶同時(shí)調(diào)閱同—路圖像的問(wèn)題。

      而采用圖2的方式，由于鐵路多級(jí)監(jiān)控中，網(wǎng)絡(luò)往往無(wú)法開(kāi)啟組播的功能，若采用前端IPC單播直接發(fā)送到上級(jí)平臺(tái)，必然會(huì)消耗有限的廣域網(wǎng)帶寬，同時(shí)也受限于IPC的分發(fā)能力。那么，如何對(duì)圖2的方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，使其能獲得高可靠性、大容量、高性能的特點(diǎn)，同時(shí)又能適應(yīng)鐵路行業(yè)廣域網(wǎng)的共享調(diào)閱呢?

      其實(shí)相應(yīng)的解決辦法也很簡(jiǎn)單，也就是借鑒傳統(tǒng)方案的經(jīng)驗(yàn)，在車站一級(jí)的監(jiān)控平臺(tái)上增加一臺(tái)媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，便可解決上述問(wèn)題，如圖4所示。但必須注意，此時(shí)在車站一級(jí)的監(jiān)控軟件平臺(tái)必需能同時(shí)支持前端視頻流單播、組播方式，且能夠根據(jù)不同的調(diào)閱需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)單播／組播切換功能。這樣的解決方案才能適應(yīng)未來(lái)高清系統(tǒng)在鐵路行業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用，并能保證整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)高效可靠的運(yùn)行。相信高清監(jiān)控系統(tǒng)必將在鐵路行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用，而如何應(yīng)對(duì)高清監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有解決方案的沖擊是值得大家共同重視的課題。