论文铁路综合视频监控系统图像质量诊断技术研究

Posted 2023-03-05 宗而研之

本文转载自《中文科技期刊数据库(全文版)工程技术》

作者：林海

单位：中铁十七局集团电气化工程有限公司

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摘要

随着铁路管理从粗放型向集约型的转变，铁路通信的运营管理模式也在发生着巨大的变化。铁路综合视频监控系统具有设备种类多、设备的提供商多，使用环境复杂等特性，为此需要对铁路综合视频系统设备的运行状态进行网管。然而铁路综合视频监控系统最终呈现给用户的图像质量受多种因素影响，如何保障在用户需要查看相关视频图像时，系统能够实时提供清晰、稳定的图像，往往需要用户在日常投入大量的人力进行巡视维护。在现代化信息技术支持下，图像处理技术水平日益提高，尤其是在图像智能分析技术的基础上，图像质量诊断技术在各个领域受到越来越多的重视，特别是在视频网管系统中发挥了重要作用，这种新的运维管理方式提高了综合视频监控系统维护的工效，增强了运维智能化程度。

关键词

图像质量；SNMP协议；视频网管；诊断技术

1 背景介绍

近年来，我国的经济得到了快速地发展。经济的快速发展推动各项技术大力发展。随着各项技术的大力发展，在各行业中的应用越来越广泛。在众多的技术当中，监控技术就是其中之一，各项监控技术在近些年中发展迅速。就铁路部门而言，铁路监控系统在我国已经经历了二十多年的发展，最早的时候应用的是模拟监控，后来逐渐应用的是数字监控，到现在基本应用的是网络监控。在这二十年里，铁路综合监控系统经历了翻天覆地的变化。

近年来，我国高速铁路网一直保持迅速发展的势头，为了有效地保证高速列车安全运行以及旅客安全，我国铁路系统中建立了综合监控视频系统，在各个重点区域都有设置。铁路综合视频监控系统采用的是数字视频编码技术，对覆盖区域可以进行实时监控，而且可以做到24小时不间断。根据铁路部门的规划，视频监控网络将会覆盖全路，成为保障铁路安全运行的重要手段。现阶段，一部分规模较大的路局已经应用万路级视频监控系统。

随着综合视频监控系统的应用场景越来越多，其功能也越来越复杂。另一方面，综合视频监控系统的前端接入设备也越来越多，所以综合视频监控系统不可避免地会出现各种故障。在综合视频监控系统出现的各种故障中，监控图像质量问题是较为严重的一种质量问题。导致监控图像出现质量问题的原因是多方面的，主要包括以下几种：人为操作、外部干扰、设备故障等。综合视频监控系统一旦出现图像质量问题，会给相关人员的工作带来很大的不便，继而可能会对铁路安全造成一定程度的影响，所以一定要高度重视。常见的图像质量问题包括：画面冻结、条纹干扰、清晰度异常等。现阶段，视频监控系统对大部分图像故障不能做到自动识别。另外一个重要原因是，前段摄像机接入的数量越来越多，工作人员不可能24小时随时调看所有的摄像机。在这种情况下，就有了对自动识别视频故障的迫切需求。

2 应用价值

近些年，各个行业的发展都受到了社会各界的关注，想要强化自身的竞争力，必须要通过适宜的途径落实好相关举措，以便稳步强化实践质量，满足具体的实践要求，给工作开展创造理想条件。铁路工程中，为了更好的维护其整体运行质量，排除多种安全隐患，需要合理设置视频监控，这是保障铁路运行更为可靠的关键举措，也能排查干扰性因素，对于推动铁路事业的发展意义重大。通过对前端采集到的图像进行评价，在此基础上形成视频图像质量诊断系统，从而对监控系统的工作状态进行判断，是一种比较科学的方法。视频质量图像诊断系统是一种自动监测测试软件，其可以对视频图像质量进行准确判断，可以帮助工作人员提高系统维护水平，使工作人员的工作量大大减少。图像质量对于数字图像评价具有重要作用。其作为视频质量诊断系统的重要组成部分，可以通过视频图像的质量来判断监控系统是否处于正常工作的状态。图像质量描述通过图像质量计算方法对图像进行评定。总之，图像质量评价在视频监控系统中有着良好的应用前景。具体实践环节，需要明确一系列可靠操作，还要结合实际的应用趋向加以分析，促使着相应的成果更加显著，发挥出具体技术的优势，满足不同情况下的需求。

3 需求分析

随着中国高速铁路的“遍地开花”，铁路综合视频监控系统作为铁路通信系统中的重要组成部分，已经得到广泛应用；普速铁路的新建、电气化改造等项目中，通信系统、技术与装备也日益向高铁客专线标准看齐，综合视频监控系统也得到了长足发展。铁路综合视频监控系统是最有效的安防手段之一，它对犯罪分子具有强大的震慑作用，为铁路运输的安全与高效提供了保障，是铁路安保防卫工作的重要手段。在相应的需求分析中，了解到具体的应用方向，旨在为实践过程提供必要支持，确保相应的实践成效更加突出。

铁路综合视频监控系统作为一个集成度高、设备多样化、技术应用复杂的综合系统，所涉及的设备种类繁多，如各种类型的摄像机、编码器、光端机、交换机、磁盘阵列等，以摄像机为例，也存在模拟摄像机、数字摄像机及IP摄像机等情形；系统的应用环境也非常复杂，如弯道、高原、沙漠、河流、山区等等；同沿线区间的摄像机数量相比，车站的摄像头数量更多，咽喉区、售票点、出入站口、落客区等等要害部位较多，实现视频监控全覆盖更需大量摄像头支撑。一条约200公里的高铁客专线，其所有摄像头数量一般不低于2000路。

因此单从数量上看，综合视频监控系统的运行质量，靠人工巡视的方式就已经显得捉襟见肘。实际上，需要实时监测的摄像头质量，从人工观感和使用的角度看，就包括：图像是否看得见、图像是否看得清、录像是否存在、系统的稳定性可维护性如何等等；而在实际运营中，维护者更关心的指标还包括如设备运行温度等感官不易觉察，但对系统运行稳定性有直接影响的因素。

所以对数量庞大的摄像头采取技术手段衡量其运用质量、及时发现和处理设备故障，显得极其重要，已非人工能够准确高效解决的需求。特别是对于高铁客专线较多的集团公司(路局)，对人力数量的需求过大，且难以保证准确性和效率；在实际巡视中，部分指标如图像质量等巡检结果，又与监测人员的主观判断有极大关系，直接影响评判结果；不同的图像模糊，不同的监测人员可能会给出不同的判断结果，如下图1所示

图1不同程度的图像模糊

4 解决思路

随着图像处理技术、AI智能图像识别与分析等技术的逐步成熟，把这些技术应用到综合视频监控系统中、用于视频监控系统运用质量分析，是解决上述痛点和迫切需求的重要手段。在具体的实践环节，需要明确新型技术的应用要求，还要结合铁路实际情况加以分析，由此才能发挥出相关技术的优势，也能更好的凸显出技术应用成果，促使实际工作进展成效稳步提高。

图像处理技术针对图像的数字化信息，通过计算机高速处理能力，以模糊识别、智能分析为基础，对监控图像进行质量评判的应用技术。该技术特别适用于监控范围大、摄像头数量多、运用质量要求高的铁路综合视频监控系统等场景下，可根据所采集到的现场监控图像数据信息，运用新技术进行高速、高效的判别和评定。此外，该项技术为视频监控质量分析系统的形成和运用提供了必要的技术支持，充分发挥了图像质量诊断功能的优势作用，可以极大程度上提高视频监控系统的自动化发展水平，实现智能化运营和高效化维护管理，这样可以降低运维压力，减少运维人员的工作量，促进工作质量和效率的全面性提升。

5 系统功能架构

图2所展示的是较为典型的图像质量诊断与分析系统。 

图2系统功能示意图

该系统不仅包含数据支持和分析模块功能，而且还在业务和集成展示方面具有重要功能。

5.1 数据支持

该功能涉及到实时采集处理以及统一数据采集功能，此外还包含各个相关系统所应对的数据。

实时数据处理包含如服务器、光端机、编码器等等硬件设施。能够利用相对应的协议获得相关设备的运行状态数据(如采用SNMP协议)，如服务器的在线情况，CPU温度，硬盘存储空间剩余情况等。

统一数据采集功能为：收集和处理相关通道图像，以便对其开展视频图像质量诊断，往往是结合用户身份在区域视频监控服务器上进行收集，并且按照规定要求的通道进行获取。

各外部相关系统结合系统运行的实际需求，为其输入相应的数据，从而为视频设备预警提供动态及静态的数据源。

5.2 分析模块

涉及到图像质量诊断功能，包含各类不同的视频质量检测功能，如视频图像模糊、图像过亮/暗等检测功能。也可以对检测故障开展合理的分类分析、聚类分析等多种功能。这些模块都有着特殊性，在具体应用时，必须要详细分析模块应用条件，以便发挥出相关模块的功能，提升图像质量诊断实效。

5.3 业务展示

能够对关键视频设备进行定期检测和维修，一旦发现异常情况，技术发出预警、告警。业务展示是其核心功能，关键视频设备健康度分析预警、告警模块主要包括采集设备的分析建模、健康度分析预警、关键相关设备分析预警等功能。

5.4 集成展示

该功能主要是在GIS、相关平台的基础上进行统一展示，由此可见，视频网管既是独立的业务展示系统，也是其他系统的功能展示模块。利用GIS模式发展系统展示功能时，要结合具体设备的物理位置开展相对于信息的展示，以便对整条线路、整个铁路网中的设备进行动态展示与健康度预警、告警。

5.5 系统优化

铁路运行环境较为复杂，加大了系统运行难度，基于此，需要结合各路摄像机的具体情况，对其开展针对性和个性化的参数设置，从而保障其稳定运行。其中主要包含视频质量检测功能选择与预警、报警参数设置。前者主要是结合摄像机运行环境(如大雾天气)、检测时间等的具体情况，选择性的关闭相关视频图像诊断功能(如模糊检测)，这样可以降低误报率；后者是结合各路摄像机实际运行状态，对其设置相应的预警、预报参数，以便强化其适应性，减少误报现象。具体运行中，用户能够在主观感受基础上对不同质量的图像设置相对应的预警预报参数。

6 系统运用情况

目前，视频图像质量诊断功能已经列入国铁集团 (原铁道部、原中国铁路总公司)综合视频监控系统的有关技术标准中，并自2017年起逐,步在各新建高铁客专线和既有线中推广运用。在实际运用中，也发现了解决了一些典型问题，并进行了逐步优化和完善。

6.1 典型问题

(1)视频画面过暗问题：引起这一现象的因素不仅与摄像机安装位置(机房内部)紧密联系，而且与天气条件息息相关，针对这一问题可以通过工程配置信息实施严格的二次告警过滤，以便减少误告警问题的出现。

(2)低照度下的摄像机图像质量判定问题：随着摄像机的老化、夜间照度偏低等情形，摄像机彩转黑功能故障率升高，基于此，在路局试用结果基础上，增设摄像机彩转黑检测功能，每天定期检测，摄像机工作模式正常转换奠定基础，如图3所示。

图3摄像机彩转黑功能开启 

6.2 可改进方面

从目前各局图像质量诊断系统的使用情况看，主要问题包括：

(1)误告警偏多问题：部分摄像头诊断参数或门限设置不合理，导致系统较为“敏感”的问题，主要表现在：因设置门限偏高或不合理，对人工观感尚可的摄像头仍频繁告警，造成“狼来了”喊多了、维护人员思想上麻痹的现象。

上述问题的解决，某种程度上也是对维护人员和管理者的一种“要求”，其设置可取“经验值”，需要结合实际环境、等因素进行长期摸索和综合考量。

(2)图像质量的“人性化”评定问题：对于图像质量判别与人工观感差别偏大的问题，则需要进一步调整、优化判别算法，使其更为贴近人工观感的效果和评判指标，同时更应综合考虑温湿度、照度、实际场景等综合因素，这是对系统提出的更高要求，也是图像质量诊断技术发展和演进的重要方向。

7 结语

信息时代，现代化信息技术高速发展，推动了图像处理、识别及AI人工智能等技术的极大推广，使得综合视频监控系统必将得到广泛应用，也为其图像质量诊断功能的高质量发挥提供了坚实的技术基础和条件。该功能显著降低了维护部门的劳动强度和人力需求，在及时性、准确性等方面具有明显优势，具有很强的综合效益；新时期，科学技术日新月异，管理理念不断优化，综合视频监控系统也逐渐向精细化、智能化、高可靠性和准确性等维护管理方向发展；通信设备设施的维护，也会逐渐适应网络规模的扩大、设备数量的增加等客观情形，在保证设备故障能够及时发现、及时处理的前提下，向设备健康度趋势性、预测性分析等方向发展，这对于图像质量诊断技术来说，是非常切题的一个发展方向。

参考文献

[1]中国铁路总公司.Q/CR575-2017《铁路综合视频监控系统技术规范》[S].北京:中国铁路总公司,2017.

[2]邢素霞.红外热成像与信号处理[M].北京:国防工业出版社,2011.

[3]杨立等.红外热成像测温原理与技术[M].北京:科学出版社,2012.

[4]潘孟春,何赟译,陈棣湘.涡流热成像检测技术[M].北京:国防工业出版社,2013.

[5]田国良.热红外遥感[M].北京:电子工业出版社,2014.

[6]张建奇.红外系统[M].西安:西安电子科技大学出版社,2016.

[7]陈钱.红外图像处理理论与技术[M].北京:电子工业出版社,2017.

[8]杨风暴.红外物理与技术[M].西安:电子工业出版社,2014.