[00332611]基于H.264标准的轨道交通视频监控技术及体系研究

1.应用领域与技术原理 本项目成果主要应用领域为轨道交通视频监控系统。 视频监控系统作为轨道交通通信系统中的子系统,为轨道交通运营和轨道交通公安提供直观、实时的动态图像和特殊报警情况下的联动视频信息,同时还具有对图像进行记录和回放功能,是轨道交通运营管理和公安保障的重要组成部分。 截止2013年6月,上海轨道交通线网已开通运营13条线、290座车站,运营里程达470公里,网络化规模逐步扩大。随着轨道交通网络化的形成,视频监控系统也逐渐形成网络化。视频监控系统中涉及众多技术,包括视频压缩技术、存储技术、信息与网络安全、质量分析、传输技术和高清技术等。 视频压缩是视频监控中的核心技术,视频压缩的效率直接影响着监控系统的性能。由于上海轨道交通建设年限较长,目前上海轨道交通视频监控网是基于MPEG-2编码制式建立的。而H.264是新一代的视频压缩标准,具有压缩比高、图像质量好、容错能力和网络适应性强的特点,非常适合应用于视频监控领域。目前市场上视频监控系统的编码器主流产品也逐步由H.264代替MPEG-2。国内其它城市的轨道交通以及其它行业的视频监控系统,大多都在逐步采用H.264编码制式,MPEG-2在视频监控领域内逐步被淘汰。 视频压缩技术有两套标准,国际电联（ITU-T）的H.26x 系列,包括H.261、H.263、H.263+等;还有国际标准化组织（ISO/IEC）的MPEG（Motion Picture Expert Group）系列,包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等等。H.264 是两大组织集合H.263+和MPEG-4 的优点联合推出的最新标准,其编码效率要明显高于现有的编码标准。图1显示了视频编码技术的发展历程。 图1 视频压缩技术发展历程 H.264 集中了以往标准的优点,并吸收了以往标准制定中积累的经验, 设计简洁,比MPEG-4 更容易推广。H.264 创造性采用多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术,使用了更精细的子像素运动矢量（1/4、1/8）和新一代的环路滤波器,使得压缩性能大大提高,系统更加完善。 视频监控系统都进行了视频图像存储,为运营管理和应急处置等提供事后现场第一手视频资料。目前,视频存储技术主要有DVR、NVR和IP-SAN等。 DVR（Digital Video Recorder,数字硬盘录像机）,它是一套进行图像存储处理的计算机系统,具有对图像/语音进行长时间录像、录音、远程监视和控制的功能,DVR集合了录像机、画面分割器、云台镜头控制、报警控制、网络传输等五种功能于一身,用一台设备就能取代模拟监控系统一大堆设备的功能,而且在价格上也逐渐占有优势。DVR系统中视频、音频信号的采集、存储主要为数字形式,质量较高;系统功能较为强大、完善;与信息系统可以交换数据;应用的灵活性较好。但是,由于其本身技术架构的局限性,数字硬盘录像机始终无法解决网络远程监控环境中的长延时、无法多路同时监控、高集成度集中监控等问题。 NVR（Network Video Recorder,网络视频录像机）,通过IP网络接入前端视音频采集设备和报警装置,实现监控图像浏览、录像、回放、摄像机控制和报警功能的监控主机设备。由于NVR采取高度集成化的芯片技术,拥有先进的数字化录像、存储和重放功能,不需要更换和存储录像带,无需电脑配合和日常维护,因此,能够实现高分辨率（可达到Full-D1分辨率）、高质量实时监控,并且简单易用。简单来说,NVR系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,通过NVR设备上的网络接口,以IP包的形式在网络上传输,在DVR的基础上,实现了系统的网络化。 SAN（Storage Area Network）存储区域网络,是一种高速的、专门用于存储操作的网络,通常独立于计算机局域网（LAN）。SAN将主机和存储设备连接在一起,能够为其上的任意一台主机和任意一台存储设备提供专用的通信通道。SAN将存储设备从服务器中独立出来,实现了服务器层次上的存储资源共享。SAN将通道技术和网络技术引入存储环境中,提供了一种新型的网络存储解决方案,能够同时满足吞吐率、可用性、可靠性、可扩展性和可管理性等方面的要求。 视频质量分析属于智能视频监控技术之一,其通过智能检测和分析算法,对视频图像出现信号丢失、转动、遮挡、失焦模糊、雪花、滚屏、偏色、冻结、增益失衡和云台失控等常见摄像头故障时,视频质量智能监控系统可以通过实时分析这些图像,在第一时间发现这些故障,进而可以提高系统的有效性。 轨道交通视频监控系统作为服务轨道交通运营管理的重要系统,安全性逐渐得到了重视。为保障其安全性,应保证非授权用户不能对网络的设备进行操作、不能对网络内的设备状态进行修改、不能随意获取实时视频图像与录像资料。同时,由于视频监控网络化的形成,网络内的细小病毒都可能影响网络的整体性能,造成系统正常功能无法实现,因此应保证系统的安全性。 视频监控行业中,常见的几种视频传输方式有：视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线传输和宽频共缆传输。 高清视频监控近年来得以迅速发展,主要是为了解决人们在正常监控过程中“细节”看不清的问题。“高清”即“高分辨率”,关于高清的定义,最早来源于数字电视领域,高清电视,又叫“HDTV”,是由美国电影电视工程师协会确定的高清晰度电视标准格式。 目前,在安防行业传统监控系统最高可达标准清晰度,进行数字编码后,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。安防行业更多的是借用电视领域的高清划分标准,俗称为“高清”和“标清”。安防市场中已经出现了分辨率能够达到1080i和720p的网络摄像机,这是因为网络给高清视频的传输提供了一个很高的保障。 高清视频监控系统涉及到高清视频的前端采集、传输、存储和显示。 2.考核指标 本研究的主要考核指标有： 1)完成《基于H.264标准的轨道交通视频监控技术及体系研究》报告; 2)开发人机操作界面软件1套、数据库生成工具1套; 3)形成H.264编码标准及编码器与解码器控制协议标准; 4)形成轨道交通网络安全防范技术方案（初稿）; 5)论文2篇; 6)软件著作权1项; 7)搭建基于统一H.264的视频监控系统实验平台。 3.与国内外同类技术比较 目前在国内外各城市的轨道交通中均有视频监控系统,目前建设年限较早的城市轨道交通中,视频监控系统的编码方式以MPEG-2为主,如上海、北京等;新线的二线城市的轨道交通视频监控系统的编码方式已经开始在应用H.264,如武汉、苏州等。但其也仅是从线路角度出发,未从网络化、标准化角度来研究基于H.264标准的视频监控体系化,因此,本项目从网络化、兼容性和标准化角度,从视频监控编码技术发展趋势,研究基于H.264编码制式的视频监控体系,包括存储、传输、安全和相应的智能技术应用,研究与既有系统合理的兼容性方案,从而在未来工程建设中,提供指导或借鉴,节约建设和维护资金。 4.成果的创造性、先进性 本研究从视频监控系统技术发展角度出发,立足于轨道交通标准化、网络化对视频监控系统技术体系中的关键技术进行研究,其创新性体现在： 1)从标准化、技术前瞻性角度,研究上海轨道交通统 一、标准的H.264编码制式,并基于统 一、标准的H.264制式开展后续所有的研究; 2)从网络化、兼容性角度,研究H.264编码器、解码器之间以及与控制设备之间的统一协议和控制方式; 3)独立开发统一的人机界面软件,提升企业的技术创新能力; 4)从网络化角度来研究视频存储技术、网络安全技术和视频传输技术;同时从维护角度出发来研究视频质量分析技术; 5)研究轨道交通视频监控网络的病毒防护机制和策略,用于指导视频监控系统病毒防护体系的建立。 6)基于以上研究内容,搭建实验平台。 5.作用和意义 随着上海轨道交通的飞速发展以及视频监控技术的发展,传统的MPEG-2编码技术将逐步被H.264取代。研究形成的基于H.264的统一标准,配合前期的兼容性协议标准,可以在未来由MPEG-2向H.264过渡中很好地解决兼容性问题,避免了以后出现改造而造成的额外的改造成本的增加,同时新线建设时也不会影响到既有系统,产生较好的社会效益和经济效益。 本课题在研究的统一H.264标准编码技术,将应用于以后上海轨道交通视频监控系统的技术升级,同时基于H.264研究的视频存储技术、视频质量分析技术、视频传输制式、组播技术等都将为上海轨道交通的工程应用提供参考,必要时上升到建设指导意见。 另外,本项目的研究成果及其理念可为其它城市的轨道交通网络化建设提供一定的借鉴意义。