数字全景摄像机在地铁列车上的应用

引言
　　城市轨道交通（地铁、轻轨）是流动性强的、人员高度集中的公共场所，人流密集，存在诸多的不安全因素，使犯罪分子都有可乘之机，因此在城市轨道交通上安装视频监控系统是非常必要的，而摄像机的选用是直接影响监控效果的一个重要因素。以往项目多采用模拟半球形摄像机进行视频监控，由于半球形摄像机视角的约束以及模拟信号的一些缺点，现在越来越多的项目开始逐步应用全景摄像机进行客室/司机室监控，保证拍摄无死角、无盲区，并且结合数字传输技术，将列车视频监控系统的应用推上了一个新的台阶。
　　本文以上海13号线轨道交通项目为例，详细描述了利用数字全景摄像机构建的视频监控系统的设备配置、网络拓扑结构、画面显示以及存储等的设计方案。
系统设计
摄像机配置
　　全景摄像机，俗称鱼眼摄像机，它的监控视角为水平360度，垂直180度，真正能达到全方位的拍摄。监控视角如图1所示：

图1  全景摄像机拍摄视角图示
　　而数字全景摄像机是在全景摄像的基础上，再采用数字形式输出视频的摄像机，与一般模拟摄像机的主要区别就是将视频信号的A / D 转换、压缩编码、通信控制和接口等部分直接置于摄像机内部，输出经过压缩编码和封装的视频数据流，视频传输的物理接口采用的是IP的以太网接口。上海13线地铁列车上就选用这种数字全景摄像机，摄像机的像素为300万像素。
　　每个全景摄像机的最佳透射半径距离为0 ~5米，上海13号线地铁设计为A型车，客室的总长度接近23米，因此每个客室需安装3个全景摄像机，才能保证最佳的监控效果。3个全景摄像机在客室顶部均匀排布，具体布置示意图如图2所示，可以看到3个摄像机有明显的监控重叠区域，保证了监控无盲区。

图2  全景摄像机车辆布置图
　　由于地铁列车上扶手比较多，所以在摄像机安装时要尽可能减少摄像机的监控画面被扶手所遮挡，因此3个摄像机在安装时要稍微偏离扶手中心线，而且与扶手要保持有距离。
　　每个司机室也安装1台全景摄像机，能够覆盖整个司机室，包括主副操作台、前端的逃生门以及司机后方的开关柜。由于司机室在隧道中光线很暗，并且要求在紧急情况零照度下清晰地显示和回放司机在相应位置的所有操作动作，因此司机室的全景摄像机与客室不同，需要配置红外灯，即红外全景摄像机。
网络传输
　　摄像机采集的信号需要传输到司机室进行监控和存储，这就需要在每个客室配置一台车厢控制器，用于管理本车厢的摄像机，并在车厢控制器中集成了网络交换机模块。在每个司机室配置有一台媒体服务器，用于存储摄像机拍摄的视频，同时在司机台上设置监控触摸屏，司机可实时监控。这样就构成了列车的视频监控网络。上海13号线地铁采用6车辆编组，网络拓扑结构图如图3所示：
图3 视频监控系统网络拓扑结构图
　　各个车厢控制器通过列车以太网总线连接，贯穿全车，与媒体服务器进行通信，这样就构成了列车的一个小局域网。两条100Mbps主干网络组成列车以太网，网络传输采用端口汇聚技术，两条主干网总线互为冗余，当一条以太网总线失效时，系统会自动跳转到另一条以太网通讯，保持网络畅通，当两根总线同时工作的时候，能达到200Mbps的带宽，能完全满足全景摄像机网络传输的带宽。同时车厢控制器中的网络交换机模块具有自动旁路的功能，保证了当交换机损坏的时候，后续车辆的网络连接。
　　列车以太网络也可以采用冗余环网的形式，环网占用端口少，单点故障也能保证网络的连接，具体列车主干网络形式需根据业主需求而定。
　　每个摄像机都有独立的IP地址，并通过以太网接口连接到车厢控制器上，车厢控制器再经过列车网络将拍摄的视频图像传输到两端的媒体服务器中进行存储，这样就构成了真正意义上的网络化数字视频监控系统，实现了全网络传输。
　　视频数据需要进行压缩传输，列车上常用的视频编码压缩格式有MPEG-4或H.264，上海13号地铁采用H.264视频压缩技术，传输分辨率为D1的分辨率(720×576)，视频帧率可调节，最大可达到实时每秒30帧压缩。
　　采用了数字网络摄像机减少了视频传输的干扰，而且连接器压接简单并容易布线，避免了以往模拟传输采用同轴电缆所带来的施工弊端。
　　此外，可在媒体服务器上预留有无线以太网接口，可以通过WLAN无线传输，将列车视频实时传输到控制中心或其他指定的地方。
监控画面显示
　　上海13号线地铁上选用的摄像机内部带有麦克风，能够实时采集客室的声音，这样摄像机采集的图像和音频经过内部的压缩编码处理后能够输出音频视频合成后的影音文件。同时也将车厢号、图像摄取时间、摄像机编号等信息一并写入视频图像数据，叠加在图像上显示。
　　全景摄像机采集到的图像是球面图像，需要经过摄像机内部的软件转化为正常的平面视图，即对画面进行展开矫正处理。通常将一幅球面图像展开为2幅或4幅平面图像。在地铁列车上，由于要清楚的拍摄到门区上下客的情况，故将球面图像分割成4幅图像展开，即客室的两侧各为一副画面，客室的纵向为2副画面，每幅图像监控90度的区域。图4为一台全景摄像机拍摄的画面：

图4  全景摄像机监控画面
　　由于是数字摄像机，就能够进行摄像机故障诊断，当某个摄像机发生故障时，带有IP地址的故障信息传输到媒体服务器记录，并在监控触摸屏进行故障指示。此外摄像机还具有遮挡检测功能，当有恶意遮挡的时候，在监控触摸屏可显示黑屏，并有故障报警。 这样维护人员可找到指定的故障摄像机并进行维护。
　　整个系统具有报警联动功能。当有客室车门紧急解锁装置解锁（包括司机室隔门解锁）、乘客紧急对讲装置激活、火灾报警事件发生时，自动在监控触摸屏上显示该车厢的全部视频图像，司机点击任何摄像机的图像，可全屏幕观察该摄像机拍摄的监控画面，及时了解客室的情况。
视频的存储
　　列车上采集的视频需要进行存储，上海13号线地铁是6辆车编组，全列车共20个摄像机，摄像机的拍摄制式是PAL制，存储图像的分辨率达到D1格式， 25帧/秒图像压缩，按每个摄像机网络传输速率为2Mbit/s ，并连续存储360小时计算，所需的存储介质容量为：
　　2M×20/8×3600秒×360小时/1024=6328G 
　　因此在媒体服务器中配置了8T的机械硬盘，当存储空间不足时，硬盘录像机启动覆盖机制，按照先进先出的方式，自动覆盖最早录制的视频文件。两端司机室的媒体服务器同时存储，相互冗余，当一个媒体服务器故障时，视频监控的数据不会丢失。
　　为了防止记录的视频数据的篡改，图像在存储到硬盘之前运用了数字水印防伪技术，系统将原始采集的图像进行水印处理，将水印嵌入到图像中。对于报警的视频片段，在视频记录时也做了标签技术，以便用户可以通过标签快速查找和回放这些特殊的图像。
软件支持
　　一个数字化、网络化的视频监控系统，需要结合功能强大、稳定可靠的软件，才能使视频监控系统完全走向智能化。在上海地铁13号线上，实现的软件功能如下：
视频记录的格式和传输帧率可调节；
监控画面分屏显示（全屏/4分屏）；
系统设置权限管理：分为管理员权限和操作员权限，管理员设置有权限密码
硬盘故障报警：由于机械硬盘在列车的振动下会有损坏的可能，因此任何一块硬盘故障，系统都会记录，并且在服务器上也有硬盘工作指示灯；
对视频图像进行查询和下载：通过监控触摸屏或者视频下载后，能够检索任何时间段的视频进行查看；
完整的日志记录：系统实时监测设备状态，有完整的故障日志记录，司机在监控触摸屏上所做的任何操作也能够进行记录，即操作日志记录，便于事故发生时能够查询；
视频存储的保护，不允许删除和随意拷贝，防止人为的破坏视频图像；
视频支持多路同时回放。
技术特点
　　综上所述，应用在上海13号线地铁列车的视频监控系统可归纳如下技术特点：
（1）系统可靠性高，冗余性强
主干以太网冗余，2条100Mbps以太网干线互为冗余，单点故障不影响通信；
视频两端存储冗余，两个媒体服务器同时存储；
媒体服务器中的硬盘冗余，每个媒体服务器8T硬盘由4块2T的硬盘组成，一块硬盘故障，其他硬盘正常工作；
（2）技术先进，监控视频质量高
视频采用全网络数字传输，增强了抗干扰的能力；
客室以及司机室都进行全景拍摄，监控无死角，画面更清晰，给监控者以身临其境的感觉；
接口简单，便于维护。
（3）功能强大，智能化程度高
　　监控软件功能强大，人性化设计，方便用户的操作。系统能够自检到终端设备，并且能够给出报警提示，提醒用户及时维护。
（4）成本影响
　　数字全景摄像机的价格目前还是比普通半球形彩色摄像机要高些，而且一列车安装数字全景摄像机的数量要比半球形摄像机多，这样就导致了整套系统成本稍有增加。但随着电子产品的批量生产以后，价格也会逐渐降低。
结束语
　　上海13号线地铁列车采用的数字全景摄像机技术的视频监控系统凭借它的技术优点，得到了用户的认可与满意。随着数字网络技术的飞速发展，以及360度全方位拍摄技术的应用普及，相信在不久的将来也会成为轨道交通视频监控系统的设计主流。

参考文献：
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