高铁网络视频监控关键技术浅析

　　高速铁路不同于一般的铁路系统，高铁本身即是一个系统化、集成化的大型工程，仅通信部门就涉及到10多个子系统，包括有线、数据、传输、调度、应急通信、视频监控等等。高铁与普通铁路或地铁区别很大，例如地铁通常时速在60公里左右，列车间隔约在3分钟，而高铁时速可能达到300公里，但时间间隔可能与地铁差不多，这就对高铁的通信指挥系统提出了很高的要求，同时，作为一个重要的辅助设施，视频监控系统的要求也相应的非常高。

　　高铁视频监控系统特点

　　高铁的视频监控系统，要求采用先进的视频监控技术，基于铁路系统的IP网络，构建数字化、智能化、分布式的网络视频监控系统，满足公安、安监、客运、调度、车务、机务、工务、电务、车辆、供电等业务部门及防灾监控、救援抢险和应急管理等多种需求，实现视频网络资源和信息资源共享。高铁视频监控系统一般基于网络架构，实现视频的采集、编码压缩存储、转发及虚拟矩阵的功能。摄像机采集到视频信号通过同轴电缆连接到DVR或编码器，实现视频的采集、编码压缩和传输，PTZ摄像机的控制信号通过RS485进行传输；编码器将视频流通过网络发送到NVR进行集中存储备份；存储服务器可以将DVR或NVR的视频资料进行重点备份；流媒体服务器可以在多个用户访问时进行集中视频转发而减少网络及前端设备的压力；解码器与电视墙连接，实现视频的集中大屏幕显示还原。

　　高铁视频监控系统关键技术

　　1.编码压缩技术

　　视频编码压缩是网络视频监控的前提和基础，没有经过压缩的视频数据是海量的。目前典型的视频编码压缩标准是MPEG-4和H.264。MPEG-4标准采用的仍然是类似以前标准(H.261/3和MPEG-1/2)的基本编码框架，即典型的三步：预测编码、变换量化和熵编码。新的压缩编码标准都是基于优化的思想进行设计的，将先前标准中的某些技术加以改进。例如在原来的基础上提出1/4和1/8像素精度的运动补偿技术，使得预测编码的性能大大提高。MPEG-4标准不仅仅给出了具体压缩算法，它是针对数字电视、交互式多媒体应用、视频监控等整合及压缩技术的需要而制定的。MPEG-4将多种多媒体应用集成在一个完整的框架里，为不同的应用提供了相应的类别(Profile)和档次(Level)。H.264，同时也是MPEG-4标准的第十部分，是由ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC动态图像专家组(MPEG)联合组成的联合视频组(JVT，Joint Video Team)提出的高压缩率视频编码标准。和以前的标准一样，H.264也是采用预测编码加变换编码的混合编码模式，它集中了以往各个编码标准的优点，并吸收了标准制定过程中积累的经验，获得了比以往其他编码方式好得多的压缩性能。H.264标准最大的优势是具有很高的数据压缩比，在同等图像质量的前提条件下，H.264编码的压缩比是MPEG-4的1.5～2倍。H.264采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理，以满足不同速率、不同解析度以及不同网络传输、存储场合的需求。如图1所示。
 

图1    视频编码压缩过程示意图

　　在网络视频监控系统中，产品间的互编互解能力是非常重要的，可以降低系统的集成难度，便于扩展并保护成本。目前，不同厂商设备互编互解情况并不理想，也就是说兼容性不好。主要原因是不同厂家采用的编码的标准规范(profile)及等级(level)不同，另外数据封装格式不兼容，其次是加入的私有信息(在基本码流/包)。

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