基于H.264技術(shù)的西銅高速公路視頻全程監(jiān)控方案

引言

高速公路與一般公路相比，具有線型好，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，交通流量大，行車速度快等特點(diǎn)，若不采用先進(jìn)的監(jiān)控管理措施，在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生交通事故和交通阻塞。為此，在高速公路上部署視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的工。全程監(jiān)控與以往對(duì)重點(diǎn)路段的監(jiān)控是有本質(zhì)區(qū)別的，全程監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)高速公路交通運(yùn)行狀況進(jìn)行全范圍無(wú)盲點(diǎn)監(jiān)視,能完全整體地掌握高速公路全線運(yùn)營(yíng)狀況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況并采取應(yīng)急措施，大幅縮短事故反應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化高速公路監(jiān)管模式，保證高速公路高速、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營(yíng)和管理。視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)中需配置大量的外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備，因而將提高監(jiān)控系統(tǒng)的建造成本，但是視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和監(jiān)管效果，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，也具有較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

隨著我國(guó)高速公路的飛速發(fā)展，全程監(jiān)控系統(tǒng)在高速公路監(jiān)管系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，極大地方便了相關(guān)部門對(duì)高速公路全線運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行監(jiān)管，有效提升了高速公路的服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)大量通信設(shè)備的使用也增加了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。西銅高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)中需要采集公路全線的監(jiān)控圖像,其包括外場(chǎng)攝像機(jī)圖像、治超圖像、收費(fèi)站監(jiān)控圖像等多路視頻、數(shù)字信號(hào),大量的信號(hào)采集設(shè)備和傳輸設(shè)施的使用，因而增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，其中包括信號(hào)傳輸帶寬限制和視頻采集設(shè)備的使用等問(wèn)題。

另外,高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)涉及兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是高速公路全程監(jiān)控錄像信息的存儲(chǔ)，二是收費(fèi)站及廣場(chǎng)錄像信息、圖片和數(shù)據(jù)等多種類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。由于各類數(shù)據(jù)的保存周期延長(zhǎng)，以及高清攝像機(jī)的廣泛應(yīng)用，以往硬盤錄像機(jī)存儲(chǔ)模式的應(yīng)用遇到瓶頸,西銅高速視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)的各類視頻、數(shù)字信號(hào)的記錄和存儲(chǔ)也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

1  H.264技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

鑒于上述技術(shù)難題,本次視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)的核心在于H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。H.264技術(shù)較之以往的（諸如H.263++和MPGE-4等）視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)具有更高的壓縮比和更流暢、清晰的畫面質(zhì)量，值得一提的是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓芾砉δ?，使得視頻壓縮與網(wǎng)絡(luò)傳輸一體化,其綜合性能顯著提高。

1.1  核心算法

H.264釆用DPCM加變換編碼的混合編碼模式是基于塊的編碼模式，在編碼器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)一些核心算法進(jìn)行改進(jìn)，可以獲得比H. 263++和MPGE-4更好的性能。由于在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法中改進(jìn)了宏塊的劃分方式，從而大大提高了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的適應(yīng)能力；增加了對(duì)于小塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì),提高了編碼過(guò)程中對(duì)于細(xì)節(jié)的處理能力，同時(shí)也提高了解碼圖像的主觀質(zhì)量；而釆用多幀預(yù)測(cè)方案，則可獲得更好的編碼效率和解碼質(zhì)量。H.264中采用了一種新的整數(shù)變換方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DCT變換，在編碼器和解碼器中允許精度相同的變換和反變換。另外,使用簡(jiǎn)單的定點(diǎn)運(yùn)算，完全避免了由于可變字長(zhǎng)等因素所引起的反變換誤差。事實(shí)上，在H.264中，當(dāng)編碼Intra圖像時(shí)，采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)可在空間域上進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼，因而可有效地取出相鄰塊之間的空間冗余度,從而得到更為有效的壓縮效果。

1.2  高低碼流傳輸

西銅高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)傳輸可為監(jiān)控分中心向省監(jiān)控中心上傳8路符合H.264碼流標(biāo)準(zhǔn)的高碼流（2M）及低碼流（200K）H.264編碼圖像。高碼流圖像可通過(guò)高速公路通信專網(wǎng)提供的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上傳至省監(jiān)控中心、集團(tuán)公司監(jiān)控中心、廳應(yīng)急辦等處。高碼流圖像可以還原到監(jiān)視器、大屏幕投影上清晰顯示，低碼流圖像則可在計(jì)算機(jī)上顯示，它們均可對(duì)路段內(nèi)圖像實(shí)現(xiàn)調(diào)控。視頻發(fā)布的視頻流數(shù)據(jù)通常采用H.264低碼流（CIF：352X288,25幀/秒/單路,PAL制）編碼格式

1.3  網(wǎng)絡(luò)組播

綜合監(jiān)控視頻發(fā)布系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)可支持網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)用戶監(jiān)視同一路視頻圖像，即監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多個(gè)部門可同時(shí)監(jiān)視接收同一路視頻圖像，編碼器只需發(fā)出1路視頻碼流，而無(wú)需向每個(gè)終端設(shè)備都發(fā)送，避免多用戶訪問(wèn)同一視頻源時(shí)造成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)流量的增加。網(wǎng)絡(luò)組播更大的優(yōu)點(diǎn)在于多個(gè)部門對(duì)同一視頻的共同關(guān)注,從而使得監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的信息共享、事件的協(xié)同處理更加快捷有效。

2  西銅高速的管理模式

2.1  西銅高速的業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)及職能

西銅高速全程設(shè)立了西安北收費(fèi)站和銅川收費(fèi)站兩個(gè)站區(qū)，其中西安北所轄站點(diǎn)包括西安北主線站、涇河匝道站等5個(gè)站點(diǎn)，銅川收費(fèi)站下轄銅川主線站、耀南匝道站等5個(gè)站點(diǎn)。在各收費(fèi)站設(shè)立的監(jiān)控室可實(shí)時(shí)監(jiān)視各路視頻、治超視頻及收費(fèi)監(jiān)控視頻圖像;征費(fèi)室負(fù)責(zé)依據(jù)過(guò)往車輛型號(hào)等內(nèi)容進(jìn)行費(fèi)用征收;養(yǎng)護(hù)辦主要維護(hù)高速公路各硬件設(shè)施的安全運(yùn)行;辦公室負(fù)責(zé)人員管理、文件收發(fā)等后勤保障工作。

2. 2  西銅高速地理空間分布特點(diǎn)

西銅高速公路（含機(jī)場(chǎng)專用線）全長(zhǎng)115.619公里，南起西安市張家堡，途徑西安、涇陽(yáng)、三原、銅川，終點(diǎn)與銅黃高速公路在銅川川口互通相接，沿線設(shè)有肖家村互通、高陵互通等8個(gè)互通路段。這些互通路段是交通事故的頻發(fā)點(diǎn)，因此部署嚴(yán)密的視頻監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要。西銅高速公路是陜西省省會(huì)西安通往陜北地區(qū)的大通道，也是陜西省三條南北縱向交通線的重要組成部分。西銅高速是西安通往人文始祖黃帝陵、革命圣地延安的必經(jīng)之路，被譽(yù)為紅色旅游路，同時(shí)也是一條經(jīng)濟(jì)路,承擔(dān)著陜北能源化工基地對(duì)外運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù),其良好的運(yùn)營(yíng)和管理在陜西省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。

3  技術(shù)方案

西銅高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)基于數(shù)字視頻光纖傳輸平臺(tái)構(gòu)建,監(jiān)控系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為交通監(jiān)控子系統(tǒng)、閉路電視子系統(tǒng)和呼叫服務(wù)子系統(tǒng),三個(gè)子系統(tǒng)相互配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)路段交通流的有效控制。

3.1  數(shù)字視頻光纖傳輸交換平臺(tái)架構(gòu)

3.2  大屏圖像調(diào)度