基于H.265 的隧道施工全景無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

程梨明，周永，陳軍程，馬軍旗，王進(jìn)進(jìn)，張志增

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州450007；2.中電建路橋集團(tuán)玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪653100）

1 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，綜合國(guó)力不斷增強(qiáng)，對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展有很大的刺激作用[1]。其中，公路運(yùn)輸與鐵路運(yùn)輸在交通運(yùn)輸業(yè)起著不可替代的作用，隧道能夠通過(guò)優(yōu)化線形和縮短距離來(lái)減少旅行與運(yùn)輸時(shí)間，有效地提高運(yùn)營(yíng)收益，達(dá)到節(jié)能減排的效果。隧道的造價(jià)較高，而且隧道施工的管理也相對(duì)復(fù)雜，存在著較多的安全隱患。利用無(wú)線全景視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行施工監(jiān)控，能夠在隧道施工過(guò)程中確保工程質(zhì)量[2]，在保證工程質(zhì)量安全可靠的前提下降低施工成本，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的高效管理。及時(shí)全面地收集、分析隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)情況，也將提高公路隧道、城市隧道、鐵路隧道工程項(xiàng)目的管理與施工技術(shù)水平，可以為探索高效模式提供實(shí)踐與應(yīng)用基礎(chǔ)。

H.265 是一種高效視頻壓縮編碼技術(shù)，與H.264 相比，傳輸同樣質(zhì)量的視頻需原來(lái)帶寬的1/2[3]，完美地解決了由于帶寬限制傳輸圖片時(shí)容易出現(xiàn)丟幀、畫面延時(shí)及傳輸干擾容易造成的連接中斷現(xiàn)象[4]。全景視頻需要的帶寬較高，H.265 的高壓縮性能使高清的全景視頻無(wú)線傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）由于隧道內(nèi)的施工環(huán)境較為復(fù)雜，人員流動(dòng)量大，機(jī)械設(shè)備較多[5]，如果采用有線的形式進(jìn)行信號(hào)的傳輸，不僅布線會(huì)遇到困難，而且固定的網(wǎng)絡(luò)線路難以適應(yīng)隧道內(nèi)多變的施工環(huán)境。機(jī)械運(yùn)作時(shí)難以避免發(fā)生線路破壞的問(wèn)題，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由于信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)的失效而導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。

2）隨著隧道的掘進(jìn)，可以隨時(shí)根據(jù)需求布設(shè)新的全景攝像頭或?qū)θ皵z像頭的位置進(jìn)行合理的調(diào)整。采用全景攝像機(jī)進(jìn)行布控的優(yōu)勢(shì)在于，全景相機(jī)的監(jiān)控范圍較大，使用1 臺(tái)機(jī)器就可以對(duì)一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的全方位布控，可大大減少布控成本。

3）H.265 編碼標(biāo)準(zhǔn)是在現(xiàn)有的H.264 編碼標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而來(lái)，可以改善碼流、編碼的質(zhì)量、延遲及算法復(fù)雜度之間的關(guān)系[6]。傳輸單路720P（分辨率1 280×720）普通高清視頻利用H.265 編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻編碼只需要1～2Mb/s 就可完成信號(hào)的傳輸，更能實(shí)現(xiàn)4K（4 096×2 160）與8K（8 192×4 320）超高清視頻的傳輸。隧道施工過(guò)程中需要監(jiān)控的點(diǎn)較多，加上全景高清視頻的傳輸占用帶寬較高，采用H.265 進(jìn)行視頻的編碼能夠很好地解決全景無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)線傳輸?shù)膯?wèn)題。

3 系統(tǒng)的搭建

系統(tǒng)由全景視頻采集模塊、無(wú)線信號(hào)傳遞模塊、文件與全景相機(jī)管理模塊、監(jiān)控視頻播放模塊4 部分組成。全景視頻采集模塊由全景攝像頭、輔助照明設(shè)備、無(wú)線網(wǎng)橋組成；無(wú)線信號(hào)傳遞模塊由交換機(jī)和無(wú)線網(wǎng)橋、網(wǎng)線組成；文件與全景相機(jī)管理模塊由無(wú)線網(wǎng)橋、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、文件服務(wù)器組成；監(jiān)控視頻播放模塊由電腦、顯示器、頭戴式VR 顯示設(shè)備組成。圖1 為全景無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

圖1 全景無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3.1 全景視頻采集與編碼

考慮隧道內(nèi)光線問(wèn)題，加之部分隧道具有彎道，根據(jù)極限原則，應(yīng)以彎道或監(jiān)控死角為基準(zhǔn)點(diǎn)，以全景攝像頭的最大夜視半徑的2 倍為安裝距離進(jìn)行攝像頭的安裝。

在不影響施工的前提下，一般安裝在隧道側(cè)壁或拱頂，并配備輔助照明設(shè)備以確保拍攝出的全景視頻的清晰度，方便技術(shù)人員做出正確判斷與決定。拍攝的全景視頻以H.265 的編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，每臺(tái)全景網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)連接1 臺(tái)無(wú)線網(wǎng)橋（也可鄰近的多臺(tái)攝像機(jī)通過(guò)1 臺(tái)小型交換機(jī)共用1 臺(tái)無(wú)線網(wǎng)橋）進(jìn)行全景視頻的信號(hào)傳輸，設(shè)備由電源或就近電路進(jìn)行供電。

3.2 無(wú)線信號(hào)的傳遞

市場(chǎng)上常見(jiàn)的無(wú)線頻段為2.4Hz 頻段和5.0Hz 頻段2種。2.4Hz 頻段的繞射能力與穿墻能力強(qiáng)于5.0Hz 頻段，但傳播距離、信號(hào)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、傳播數(shù)據(jù)的速率均不如5.0Hz，且由于隧道大部分呈直線型，故選用5.0Hz 用于信號(hào)傳遞較為合適。為了保證系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)橋的有效傳輸距離不得低于5km，傳輸速率不得低于500Mb/s，安裝方式以隧道拐點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以500～600m 的距離進(jìn)行中繼點(diǎn)的布設(shè)，布設(shè)位置在不影響施工的情況下以隧道拱頂為宜。

3.3 文件與全景相機(jī)管理

根據(jù)視頻拍攝模塊總數(shù)據(jù)流量的大小，由1 臺(tái)或多臺(tái)無(wú)線網(wǎng)橋進(jìn)行信號(hào)的接收，同時(shí)傳遞到交換機(jī)進(jìn)行匯總，由交換機(jī)將視頻信號(hào)傳遞到網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)中進(jìn)行本地的數(shù)據(jù)備份與管理（硬盤錄像機(jī)可以把視頻根據(jù)不同攝像頭和不同的時(shí)間段進(jìn)行管理，以便于使用時(shí)的精確調(diào)用）。

硬盤錄像機(jī)還可以對(duì)前端的攝像機(jī)進(jìn)行設(shè)置管理，例如，對(duì)攝像機(jī)的開(kāi)關(guān)機(jī)及定時(shí)錄像。可將硬盤錄像機(jī)的儲(chǔ)存路徑更改至文件服務(wù)器，既可在局域網(wǎng)內(nèi)也可利用外網(wǎng)通過(guò)手機(jī)、電腦等登錄系統(tǒng)賬號(hào)，對(duì)視頻文件進(jìn)行權(quán)限內(nèi)的訪問(wèn)與管理。此外，要注意文件服務(wù)器與儲(chǔ)存空間的配置，以保證視頻的保存時(shí)間能夠滿足需求?？筛鶕?jù)所選攝像機(jī)的碼率，布設(shè)總個(gè)數(shù)，保存天數(shù)由：總?cè)萘浚℅B）=位率（Kbit/s）/8×保存時(shí)間周期×通道數(shù)/1 024/1 024 估算需要配備的硬盤容量。例如，32 路視頻，碼率4M，保存90d：計(jì)算出大概硬盤容量為=4/8×3 600s×24h×90d×32 路視頻/1 024/1 024=118T。

3.4 監(jiān)控視頻播放模塊

首先要給監(jiān)控中心配置必要的硬件設(shè)施，才能發(fā)揮全景無(wú)線視頻監(jiān)控的畫面優(yōu)勢(shì)。需要配置的硬件包括電腦、電視墻、頭戴式VR 播放設(shè)備，以及必要的供電設(shè)施。所有硬件安裝連接到位以后，在監(jiān)控電腦中根據(jù)提供的賬號(hào)密碼對(duì)監(jiān)控文件進(jìn)行訪問(wèn)。這種監(jiān)控中心除了能對(duì)全景視頻進(jìn)行常規(guī)的分屏觀看，還可以通過(guò)VIVEPORT 播放器連接頭戴式VR 視頻播放設(shè)備觀看全景視頻。這種觀看模式更具有真實(shí)感，給人以身臨其境的感覺(jué)，帶來(lái)更好的觀看體驗(yàn)與效果。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高新技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用到工程建設(shè)之中，工程建設(shè)將迎來(lái)智能化時(shí)代?；贖.265 的全景無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)控覆蓋面廣、畫質(zhì)清晰，對(duì)各種環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，系統(tǒng)布設(shè)方便簡(jiǎn)潔，投入小收益大，能夠通過(guò)多客戶端進(jìn)行監(jiān)控的調(diào)用，還能夠通過(guò)全景設(shè)備進(jìn)行全景視頻的觀看，H.265 的全景無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將在今后的隧道施工中受到越來(lái)越多的關(guān)注。此設(shè)計(jì)也給隧道全景無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的布設(shè)提供借鑒。