胡雄偉 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

近年來，隨著中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司運(yùn)營線路的不斷延伸和擴(kuò)展，配套布置的視頻監(jiān)控點(diǎn)位也不斷增加，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模越來越大。依據(jù)2016年10月路局客運(yùn)處統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全局客運(yùn)車站視頻監(jiān)控前端攝像機(jī)共計7 863個。如虹橋站、杭州東站及南京南站等大型鐵路客站，攝像機(jī)數(shù)量在700～800個。鐵路車站攝像機(jī)的大量部署極大提升了鐵路安全運(yùn)營的保障能力。

2016年，原上海鐵路局發(fā)布《上海鐵路局綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用及維護(hù)管理辦法》。系統(tǒng)對文中規(guī)定需定期抽查的視頻圖像丟失、圖像質(zhì)量差、視頻圖像不能回放、云鏡控制功能失效等事件都能進(jìn)行自動巡視與狀態(tài)檢測。根據(jù)上述需求，我所開發(fā)了鐵路客站視頻監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)巡視系統(tǒng)。系統(tǒng)利用圖像識別等技術(shù)對視頻圖像質(zhì)量進(jìn)行批量自動巡視、利用硬件檢測技術(shù)對云臺、變焦鏡頭及視頻存儲設(shè)備等硬件進(jìn)行測試，及時反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息。

本系統(tǒng)的開發(fā)，在提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的同時，將極大減輕維護(hù)人員的作業(yè)量，對于減員增效、保障鐵路安全運(yùn)營具有重要意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)可同時支持模擬視頻信號及數(shù)字視頻信號。從監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)獲取視頻信號后，利用視頻診斷服務(wù)器完成視頻診斷功能，利用Web服務(wù)器完成用戶交互，利用數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲診斷結(jié)果和系統(tǒng)配置。依據(jù)用戶網(wǎng)絡(luò)狀況、監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模及用戶需求，上述各個服務(wù)可以采用一臺或多臺服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，可以集中部署在監(jiān)控中心，也可分布在各個分中心。

視頻診斷服務(wù)器從硬盤錄像機(jī)（DVR）接入模擬視頻信號，使用網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）接入數(shù)字視頻信號。視頻診斷服務(wù)器將診斷結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用戶可以通過Web頁面進(jìn)行信息查詢、統(tǒng)計，診斷預(yù)案設(shè)置，設(shè)備信息維護(hù)及系統(tǒng)管理等各種操作。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件模塊設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用高度模塊化設(shè)計，對視頻質(zhì)量診斷分析過程、業(yè)務(wù)處理應(yīng)用和系統(tǒng)管理進(jìn)行功能劃分，設(shè)計各個功能模塊。

圖2 系統(tǒng)軟件模塊示意圖

如圖2所示，系統(tǒng)軟件包含用戶交互層、業(yè)務(wù)邏輯層和視頻數(shù)據(jù)源三層。用戶交互層實(shí)現(xiàn)各種用戶交互操作，包括用戶登錄、系統(tǒng)管理、攝像頭管理、信息分析查詢、視頻診斷管理、故障處理等六個模塊。業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)視頻質(zhì)量診斷，業(yè)務(wù)邏輯控制、視頻數(shù)據(jù)接入、分析結(jié)果存儲、Web服務(wù)等功能，包括Web服務(wù)、中央控制、邏輯控制模塊、視頻質(zhì)量診斷模塊、視頻切換模塊、數(shù)據(jù)庫等六個模塊。視頻數(shù)據(jù)源提供用于進(jìn)行視頻質(zhì)量診斷的視頻數(shù)據(jù)，包括模擬視頻和數(shù)字視頻。

2.3 客戶端設(shè)計

客戶端是人機(jī)交互的終端，采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)行于各管理終端計算機(jī)的瀏覽器上。用戶登錄界面如圖3所示。

用戶通過客戶端的可視化界面，進(jìn)行視頻源管理、事件規(guī)則設(shè)置、事件規(guī)則文件導(dǎo)入導(dǎo)出、事件信息接收、事件記錄分類查詢、報表打印等操作。客戶端主界面如圖4所示。

圖4 客戶端主界面

客戶端界面左側(cè)為功能區(qū)，右側(cè)信息界面給出了今日巡檢次數(shù)、今日正常通道數(shù)、今日故障通道數(shù)、今日修復(fù)數(shù)量、各類不同故障數(shù)及各類故障占比。

3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)利用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)與人工智能技術(shù)，提取圖像時空特征，并從人眼感知的角度來進(jìn)行定性，實(shí)現(xiàn)視頻清晰度異常檢測、視頻亮度異常檢測、視頻噪聲干擾或雪花干擾檢測、視頻偏色檢測、畫面凍結(jié)檢測、視頻信號缺失檢測、視頻畫面抖動、滾屏檢測、PTZ控制檢測、視頻數(shù)據(jù)接入狀況檢測及DVR錄像診斷等功能。

視頻信號缺失、畫面凍結(jié)這兩種故障可通過人工設(shè)計的基于視頻圖像比對的方法得出結(jié)論。

視頻清晰度異常、視頻亮度異常、視頻噪聲、視頻偏色[2]等故障則可利用機(jī)器自學(xué)習(xí)的方法，設(shè)計不同的基于機(jī)器學(xué)習(xí)檢測器，每個檢測器負(fù)責(zé)分析一段視頻是否存在某一種故障，以及這種故障的嚴(yán)重性。當(dāng)獲取需要分析的一端固定長度的視頻，用戶可設(shè)定該路視頻的檢測項目，使用不同的故障檢測器，提取相應(yīng)的視頻圖像特征，輸入到已訓(xùn)練好的故障檢測模型中進(jìn)行計算，即可獲取對該段視頻的故障分析結(jié)果。

圖5 視頻噪聲檢測效果

云臺及鏡頭控制（PTZ，Pan/Tilt/Zoom）運(yùn)動失控則是由故障檢測系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)動指令，對視頻圖像進(jìn)行運(yùn)動分析來檢測是否有故障，若監(jiān)控球機(jī)不能正常轉(zhuǎn)動，則發(fā)出PTZ異常報警信息。一個PTZ正常的視頻監(jiān)控球機(jī)，其轉(zhuǎn)動必然是勻速、流暢的，即相鄰的視頻幀之間會有一定的像素變化且變化均勻，因此利用幀間差的方法，對相鄰圖像運(yùn)動點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行計算，以此判斷PTZ是否正常轉(zhuǎn)動。

視頻數(shù)據(jù)存儲完整性管理是視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)必須要具備的基礎(chǔ)功能，視頻設(shè)備廠家一般都提供軟件開發(fā)工具包，是為軟件工程師開發(fā)應(yīng)用軟件時提供的開發(fā)工具集合。開發(fā)包主要功能包括錄像文件回放和下載，可以利用它獲取錄像狀態(tài)及錄像文件信息。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新性

4.1 全面的視頻質(zhì)量檢測功能

系統(tǒng)可對視頻信號缺失、視頻清晰度異常、視頻亮度異常、視頻畫面偏色、視頻畫面抖動、視頻畫面凍結(jié)及視頻雪花干擾等異常情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析、判斷和記錄，做到檢測功能的全面覆蓋。系統(tǒng)可按照預(yù)設(shè)的檢測任務(wù)自動對視頻質(zhì)量進(jìn)行定期檢測，根據(jù)檢測時間、設(shè)備所在區(qū)域、故障類型等不同屬性生成圖形報表，進(jìn)行統(tǒng)計分析。

4.2 分類判據(jù)自我進(jìn)化技術(shù)

視頻質(zhì)量的分類判據(jù)應(yīng)包含鐵路客站視頻的特征，因此在應(yīng)用過程中需動態(tài)調(diào)整分類判據(jù)，以達(dá)到最優(yōu)檢測效果。首先給出一組初始判據(jù)，系統(tǒng)在檢出視頻異常事件后進(jìn)行人工復(fù)核。復(fù)核后，將人工發(fā)現(xiàn)的機(jī)器誤判事件特征向量及類別自動導(dǎo)入分類數(shù)據(jù)集，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對模型進(jìn)行再訓(xùn)練，得出新的分類判據(jù)。新的判據(jù)即已學(xué)習(xí)到了人工復(fù)核糾錯的新經(jīng)驗，后續(xù)檢測時將不再出現(xiàn)此類誤判。應(yīng)用過程中，分類判據(jù)將自我學(xué)習(xí)與進(jìn)化，持續(xù)提高檢測精度。

4.3 基于web與自適應(yīng)串流技術(shù)的客戶端

客戶端采用Bootstrap（Web框架）開發(fā)，Bootstrap基于HTML、CSS、JAVASCRIPT，它簡潔靈活，使得 Web開發(fā)更加快捷。其包含了十幾個可重用的組件，用于創(chuàng)建圖像、下拉菜單、導(dǎo)航、警告框、彈出框等等。系統(tǒng)可兼容筆記本、臺式機(jī)、平板電腦及智能手機(jī)的瀏覽器，自動排版，為不同終端的用戶提供更舒適的界面和更好的用戶體驗。

系統(tǒng)采用MPEG DASH流媒體協(xié)議[3]開發(fā)瀏覽器端播放器。經(jīng)由HTTP的動態(tài)自適應(yīng)串流（DASH）是一種自適應(yīng)串流協(xié)議。因此系統(tǒng)可對不同格式的視頻流進(jìn)行解碼，無需安裝任何插件即可播放視頻，而且可基于網(wǎng)絡(luò)性能來調(diào)整串流比特率，保證視頻流暢播放。

5 技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)可接入1000路視頻信號；

支持50個用戶同時訪問web服務(wù)器；

客戶端瀏覽器可同時播放8路實(shí)時視頻；

100路視頻狀態(tài)巡視時間≤2 min；

視頻及硬件不良狀態(tài)檢出率≥96%；

系統(tǒng)誤檢率≤3%。

6 應(yīng)用前景

系統(tǒng)根據(jù)大型客站現(xiàn)場需求和我局視頻監(jiān)控運(yùn)用維護(hù)管理辦法定制化開發(fā)，投入運(yùn)行后基本實(shí)現(xiàn)了用機(jī)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)巡檢效率，符合每2 h巡視一次的要求，具有廣闊的應(yīng)用空間，可有效解決目前大型客站視頻監(jiān)控系統(tǒng)人工巡視工作量巨大、效率低的問題。

此外，根據(jù)應(yīng)用場景的差異，對視頻及硬件檢測算法進(jìn)行少許改造和調(diào)試，即可用于高鐵線路、存車場、貨運(yùn)、倉儲、房建及機(jī)車車輛檢修現(xiàn)場等視頻監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)巡視工作。