数字视频技术在安徽高速公路监控系统中的应用
2010/3/8 11:50:00
高速公路视频监控现状
随着高速公路路网的扩大及管理要求的不断提高，收费系统，通信系统、监控系统已经是现代化高速公路建设中必不可少的一个部分。监控系统又以视频图像监控为主，由视频采集子系统、视频传输子系统以及视频处理子系统构成，在高速公路路网规模较小，视频监控距离较短的情况下，国内大部分的高速公路沿线已经具有了光纤传输线路，有的也正在建设中，并有足够的纤芯留给了视频传输系统使用，通过光端机以模拟的方式将视频图像传输到监控中心进行监控或录像。在路网规模不断扩大，监控距离不断增长的情况下，远距离的视频传输成本也在不断提高，图像传输质量明显下将，甚至无法忍受。为充分利用光纤线路资源，提高远距离图像传输质量及视频记录质量，在安徽高速公路联网监控系统中，我们提出了充分利用通信网络资源，采用数字化视频技术及设备，实现高速公路视频图像的远距离传输及处理，使收费监控与道路监控融合并达到全省三级联网监控的目的。
数字音视频技术
全省联网监控必然用到视频数字化技术，提起数字视频技术，人们首先想到的是MPEG系列标准，MPEG于1988年成立，是活动图像专家组（Moving Picture Exports Group）的缩写。目前MPEG已颁布了MPEG-1、MPEG-2及MPEG-4三个活动图像及声音编码的正式国际标准。MPEG优于其他压缩／解压缩技术主要是因为作为国际标准兼容性很好、具有最高可达200：l的更好压缩比、在高压缩比下具有很小的数据损失。
MPEG-1制定于1992年，为工业级标准而设计，可适用于不同带宽的设备。支持NTSC 352 x 240及PAL 362 x 288的SIF标准分辨率图像的压缩，编码速率最高可达4-5Mbps，传输速率为1．5Mbps，每秒播放30帧，具有CD唱盘的音质。MPEG-可以用于不同带宽的视频传输、视频记录系统及互联网应用。
MPEG-2制定于1994年，为高级工业标准的图像质量以及更高的传输率而设计。支持可达NTSC 720 x 480及PAL 720 x576的SIF标准分辨率图像的压缩，编码速率为3-100Mbps，同样具有广播级的视像及CD唱盘的音质。MPEG-2可以用于广播级的视频传输及视频记录系统。
MPEG-4传输速率要求较低，在4．8Kbps-6．4Mbps之间，主要应用于基于窄带的视像处理系统中，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。MPEG-4支持交互AV服务以及远程监控，MPEG-4的设计具有更广的适应性和可扩展性。
目前，基于MPEG视频压缩技术的设备已经在各个领域得到了应用，主要分为视频编码器／解码器及视频记录设备，实现了基于窄带的低画质的视频图像数字化及基于宽带的广播级视频图像数字化，基于硬盘的数字视频记录系统也得到了广泛的应用，逐渐取代了模拟录像机，成为市场的逐流。
高速公路的图像监控业务
——图像监控概述
高速公路图像监控系统主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程、收费员的收费过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督；同时，高速公路图像监控系统还可以对高速公路干线、互通立交、匝道等高速公路重点路段进行监视，掌握高速公路交通状况，及时发现交通阻塞路段、违章车辆，及时给与引导，保证高速公路的安全畅通。
——图豫监控结构
高速公路图像监控系统是一个树型分层控制结构，即区域联网分级监控，最顶层一般以级路网为单位建设监控总中心，实现对整个路网的全面监视与控制，监控总中心以下按路段下设监控中心，实现路段级的全面监视与控制，监控中心以下按收费站／所下设监控分中心，实现收费站／收费所级的全面监视与控制。
监控总中心、监控中心、监控分中心之间采用联网分级控制，监控总中心需要控制监控系统时，首先控制监控总中心的监控系统，同时通过网络转发控制到监控中心，监控中心在控制本级的监控系统，同时再通过网络转发控制到监控分中心，最后由监控分中心实现视频像的调度及摄像机的管理。区域联网分级监控是通过各级授权实现的，控制命令是通过IP网络逐级传输的。
——视频采集设备
视频采集设备主要完成监控现场的图像数据采集，高速公路一般对收费站进行全面监控，在收费车道、收费亭内、出入口收费广场、监控分中心机房分别安装视频采集设备，以期达到全面监控的目的，除此之外，部分高速公路还提供重点干线、互通立交、匝道等重点路段的图像监控。
——视频传输设备
所有现场监控的视频图像由于距离监控分中心较近，一般采用模拟传输方式，直接将现场图像传输到监控分中心，监控分中心一般需要选取收费站数路视频图像上传监控中心，监控中心一般也将需要选取路段数路视频图像上传到监控总中心，这两种类型的传输一般距离有远有近，近的一二十公里，远的数百公里。视频传输需要解决远程传输的图像质量，传输成本、光纤资源情况、传输可行性等因素。
——视频处理设备
视频处理设备一般是指视频切换矩阵、视频显示设备、视频记录设备等，视频记录设备是取代模拟录像机的关键设备。高速公路一般要求对每一路图像均进行24小时不间断录像并对特殊事件进行特殊处理，以便检索回放；也存在仅对通行车辆进行录像，对特殊事件进行录像的要求。一般要求在监控总中心，监控中心、监控分中心可以任意对所辖路段、收费站的录像资料进行按事件发生时间、收费站，收费员、车道，车型、车种、事件类型等检索和回放。
视频数字化设备
基于MPEG技术的视频数字化设备应用相当广泛，视频数字化设备按使用方式一般可以区分为通用数字视频设备与高速公路工业化专用数字视频设备。通用设备一般用于较为独立的监控系统中，与所应用的领域结合较为疏松：而高速公路工业化专用数字视频设备一般可以与高速公路的监控业务紧密集成，使得视频图像监控系统更加方便、直观，下面以皖通WT系列数字视频设备为例来介绍高速公路专用数字化视频设备。
——数字硬盘录像机
◆系统基本功能
皖通WT系列数字硬盘录像机主要完成上传监控分中心、监控中心、监控总中心的视频进行24小时连续不间断录像，并对特殊事件车辆的视频进行标记。 实时录像功能，系统提供基于MPEG-1、MPEG-2及MPEG-4的视频编码格式，具有单路或多路音视频同步实时录像功能，可设置每路的录像和录音模式（如：单视频、单音频、混合同步）。
特殊录像标记功能，数字硬盘录像机 在录像过程中可以对特殊事件录像进行标记，以便录像管理器或控制软件对特殊录 像进行检索。一个录像标记可以记录8个属 性（如：事件发生时间、收费站、收费员、车道、车型、车种、事件类型等），发生特殊情况时，通过网络或RS-232接口，控制系统可以将8个属性传送到数字硬盘录像机，数字硬盘录像机自动将录像属性标记到录像文件中。录像回放时可以直接回放特殊事件标记前后的图像。
影像品质可调整，数字录像机支持10个等级的连续录像品质，较低的影像品质有较高的压缩比，较高的影像品质有较低的压缩比。在录像过程中，日常的24小时连续录像可以采用较低品质的影像录像状态，当发生特殊事件需要标记录像时，系统可以根据设置，自动进入较高品质的影像录像状态，事件结束后或系统定时时间到，系统自动恢复正常的较低品质的影像录像状态，这样可以保证长时间的24小时录像，并且在发生特殊事件时，可以保证较高的影像质量。
◆录像管理器
录像管理器是数字硬盘录像机的网络监控套件，可以运行于网络中的任何计算机上，主要实现对网络内所有数字录像机的远程配置、监控、录像检索、回放及备份等功能。
录像实时监控功能，录像管理器可以提供单路或多路音视频同步实时监控功能，每路均可达到30帧／每秒。
可调整影像参数，可以实时调整录像参数，如：亮度，对比，饱和度、色调和音量等，还可以对录像品质进行监控与调整。录像检索、回放，录像管理器提供所有录像机的集中检索功能，可以按照特殊录像的属性一次性检索所有录像机中的录像，例如：可以检索所有车型冲突的录像、所有免费车录像等，系统检索后可以逐一进行回放，录像文件资料的检索满足高速公路领域的特殊管理要求，是其他通用数字视频设备所不具有的。回放速度达25帧／秒，可以快进、快退、单帧回放、放大等功能，录像回放不影响系统正常录像及特殊事件的图像标记功能。
剪辑及备份功能，由于连续录像的文件较大且历史使用价值较小，一般仅需要对特殊标记录像及指定录像进行备份，录像管理器提供特殊录像及指定录像的自动或手动剪辑功能，可以对录像中的特殊标记录像进行剪辑，复制备份到光盘或硬盘，形成历史资料。
状态实时监控功能，录像管理器提供所有数字硬盘录像机实时的状态信息，指示录像状态、录像设备资源状态、故障状态等。
◆录像软件开发包
软件开发包是数字硬盘录像机的二次开发套件，主要为系统集成商提供一套简单的系统集成接口，可以方便地由系统集成商直接控制与监控数字硬盘录像机，主要用于视频图形处理软件中。软件开发包提供一套数字硬盘录像机管理控件及开发指南。
随着高速公路路网的扩大及管理要求的不断提高，收费系统，通信系统、监控系统已经是现代化高速公路建设中必不可少的一个部分。监控系统又以视频图像监控为主，由视频采集子系统、视频传输子系统以及视频处理子系统构成，在高速公路路网规模较小，视频监控距离较短的情况下，国内大部分的高速公路沿线已经具有了光纤传输线路，有的也正在建设中，并有足够的纤芯留给了视频传输系统使用，通过光端机以模拟的方式将视频图像传输到监控中心进行监控或录像。在路网规模不断扩大，监控距离不断增长的情况下，远距离的视频传输成本也在不断提高，图像传输质量明显下将，甚至无法忍受。为充分利用光纤线路资源，提高远距离图像传输质量及视频记录质量，在安徽高速公路联网监控系统中，我们提出了充分利用通信网络资源，采用数字化视频技术及设备，实现高速公路视频图像的远距离传输及处理，使收费监控与道路监控融合并达到全省三级联网监控的目的。
数字音视频技术
全省联网监控必然用到视频数字化技术，提起数字视频技术，人们首先想到的是MPEG系列标准，MPEG于1988年成立，是活动图像专家组（Moving Picture Exports Group）的缩写。目前MPEG已颁布了MPEG-1、MPEG-2及MPEG-4三个活动图像及声音编码的正式国际标准。MPEG优于其他压缩／解压缩技术主要是因为作为国际标准兼容性很好、具有最高可达200：l的更好压缩比、在高压缩比下具有很小的数据损失。
MPEG-1制定于1992年，为工业级标准而设计，可适用于不同带宽的设备。支持NTSC 352 x 240及PAL 362 x 288的SIF标准分辨率图像的压缩，编码速率最高可达4-5Mbps，传输速率为1．5Mbps，每秒播放30帧，具有CD唱盘的音质。MPEG-可以用于不同带宽的视频传输、视频记录系统及互联网应用。
MPEG-2制定于1994年，为高级工业标准的图像质量以及更高的传输率而设计。支持可达NTSC 720 x 480及PAL 720 x576的SIF标准分辨率图像的压缩，编码速率为3-100Mbps，同样具有广播级的视像及CD唱盘的音质。MPEG-2可以用于广播级的视频传输及视频记录系统。
MPEG-4传输速率要求较低，在4．8Kbps-6．4Mbps之间，主要应用于基于窄带的视像处理系统中，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。MPEG-4支持交互AV服务以及远程监控，MPEG-4的设计具有更广的适应性和可扩展性。
目前，基于MPEG视频压缩技术的设备已经在各个领域得到了应用，主要分为视频编码器／解码器及视频记录设备，实现了基于窄带的低画质的视频图像数字化及基于宽带的广播级视频图像数字化，基于硬盘的数字视频记录系统也得到了广泛的应用，逐渐取代了模拟录像机，成为市场的逐流。
高速公路的图像监控业务
——图像监控概述
高速公路图像监控系统主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程、收费员的收费过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督；同时，高速公路图像监控系统还可以对高速公路干线、互通立交、匝道等高速公路重点路段进行监视，掌握高速公路交通状况，及时发现交通阻塞路段、违章车辆，及时给与引导，保证高速公路的安全畅通。
——图豫监控结构
高速公路图像监控系统是一个树型分层控制结构，即区域联网分级监控，最顶层一般以级路网为单位建设监控总中心，实现对整个路网的全面监视与控制，监控总中心以下按路段下设监控中心，实现路段级的全面监视与控制，监控中心以下按收费站／所下设监控分中心，实现收费站／收费所级的全面监视与控制。
监控总中心、监控中心、监控分中心之间采用联网分级控制，监控总中心需要控制监控系统时，首先控制监控总中心的监控系统，同时通过网络转发控制到监控中心，监控中心在控制本级的监控系统，同时再通过网络转发控制到监控分中心，最后由监控分中心实现视频像的调度及摄像机的管理。区域联网分级监控是通过各级授权实现的，控制命令是通过IP网络逐级传输的。
——视频采集设备
视频采集设备主要完成监控现场的图像数据采集，高速公路一般对收费站进行全面监控，在收费车道、收费亭内、出入口收费广场、监控分中心机房分别安装视频采集设备，以期达到全面监控的目的，除此之外，部分高速公路还提供重点干线、互通立交、匝道等重点路段的图像监控。
——视频传输设备
所有现场监控的视频图像由于距离监控分中心较近，一般采用模拟传输方式，直接将现场图像传输到监控分中心，监控分中心一般需要选取收费站数路视频图像上传监控中心，监控中心一般也将需要选取路段数路视频图像上传到监控总中心，这两种类型的传输一般距离有远有近，近的一二十公里，远的数百公里。视频传输需要解决远程传输的图像质量，传输成本、光纤资源情况、传输可行性等因素。
——视频处理设备
视频处理设备一般是指视频切换矩阵、视频显示设备、视频记录设备等，视频记录设备是取代模拟录像机的关键设备。高速公路一般要求对每一路图像均进行24小时不间断录像并对特殊事件进行特殊处理，以便检索回放；也存在仅对通行车辆进行录像，对特殊事件进行录像的要求。一般要求在监控总中心，监控中心、监控分中心可以任意对所辖路段、收费站的录像资料进行按事件发生时间、收费站，收费员、车道，车型、车种、事件类型等检索和回放。
视频数字化设备
基于MPEG技术的视频数字化设备应用相当广泛，视频数字化设备按使用方式一般可以区分为通用数字视频设备与高速公路工业化专用数字视频设备。通用设备一般用于较为独立的监控系统中，与所应用的领域结合较为疏松：而高速公路工业化专用数字视频设备一般可以与高速公路的监控业务紧密集成，使得视频图像监控系统更加方便、直观，下面以皖通WT系列数字视频设备为例来介绍高速公路专用数字化视频设备。
——数字硬盘录像机
◆系统基本功能
皖通WT系列数字硬盘录像机主要完成上传监控分中心、监控中心、监控总中心的视频进行24小时连续不间断录像，并对特殊事件车辆的视频进行标记。 实时录像功能，系统提供基于MPEG-1、MPEG-2及MPEG-4的视频编码格式，具有单路或多路音视频同步实时录像功能，可设置每路的录像和录音模式（如：单视频、单音频、混合同步）。
特殊录像标记功能，数字硬盘录像机 在录像过程中可以对特殊事件录像进行标记，以便录像管理器或控制软件对特殊录 像进行检索。一个录像标记可以记录8个属 性（如：事件发生时间、收费站、收费员、车道、车型、车种、事件类型等），发生特殊情况时，通过网络或RS-232接口，控制系统可以将8个属性传送到数字硬盘录像机，数字硬盘录像机自动将录像属性标记到录像文件中。录像回放时可以直接回放特殊事件标记前后的图像。
影像品质可调整，数字录像机支持10个等级的连续录像品质，较低的影像品质有较高的压缩比，较高的影像品质有较低的压缩比。在录像过程中，日常的24小时连续录像可以采用较低品质的影像录像状态，当发生特殊事件需要标记录像时，系统可以根据设置，自动进入较高品质的影像录像状态，事件结束后或系统定时时间到，系统自动恢复正常的较低品质的影像录像状态，这样可以保证长时间的24小时录像，并且在发生特殊事件时，可以保证较高的影像质量。
◆录像管理器
录像管理器是数字硬盘录像机的网络监控套件，可以运行于网络中的任何计算机上，主要实现对网络内所有数字录像机的远程配置、监控、录像检索、回放及备份等功能。
录像实时监控功能，录像管理器可以提供单路或多路音视频同步实时监控功能，每路均可达到30帧／每秒。
可调整影像参数，可以实时调整录像参数，如：亮度，对比，饱和度、色调和音量等，还可以对录像品质进行监控与调整。录像检索、回放，录像管理器提供所有录像机的集中检索功能，可以按照特殊录像的属性一次性检索所有录像机中的录像，例如：可以检索所有车型冲突的录像、所有免费车录像等，系统检索后可以逐一进行回放，录像文件资料的检索满足高速公路领域的特殊管理要求，是其他通用数字视频设备所不具有的。回放速度达25帧／秒，可以快进、快退、单帧回放、放大等功能，录像回放不影响系统正常录像及特殊事件的图像标记功能。
剪辑及备份功能，由于连续录像的文件较大且历史使用价值较小，一般仅需要对特殊标记录像及指定录像进行备份，录像管理器提供特殊录像及指定录像的自动或手动剪辑功能，可以对录像中的特殊标记录像进行剪辑，复制备份到光盘或硬盘，形成历史资料。
状态实时监控功能，录像管理器提供所有数字硬盘录像机实时的状态信息，指示录像状态、录像设备资源状态、故障状态等。
◆录像软件开发包
软件开发包是数字硬盘录像机的二次开发套件，主要为系统集成商提供一套简单的系统集成接口，可以方便地由系统集成商直接控制与监控数字硬盘录像机，主要用于视频图形处理软件中。软件开发包提供一套数字硬盘录像机管理控件及开发指南。
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