8上海港务工程公司海达QC小组

1课题名称提高港口监控录像分辨率新技术研发课题类型创新型小组名称港工海达QC小组注册编号GGQC2009-008活动日期2009年2月～2009年7月活动次数16次TQC教育人均46小时活动出勤率95％序号姓名性别年龄文化程度职务组内分工1谈星男54本科高级工程师总策划2孙昕男50本科高级工程师分项策划3吴超男31本科工程师数据分析4邱明佳男30本科工程师数据分析5宋鑫颖女28本科助理工程师完成QC成果报告6白敏女35本科助理工程师对策实施、效果检查7朱继成男26大专技术员对策实施、效果检查8戚琳烨女23大专技术员对策实施、效果检查9徐君男25本科见习对策实施、效果检查小组简介提高港口监控录像分辨率新技术研发2随着上海国际航运中心建设的启动，上海国际港务（集团）股份有限公司成为国际航运中心的重要组成部分，根据公安技防的规定和国际萨拉斯协议的要求，考虑把安保技防设施作为基础建设的重点之一。安保技防设施建设在港区内主要侧重闭路电视视频监控系统，闭路电视视频监控系统主要实现两大功能：1.管理人员可以根据需要对监控范围内的码头、道路、堆场及出入口等重点区域的人员、车辆动态进行实时监视，进行必要的控制以达到最清晰的监视效果；2.通过储存设备对监视到的图像进行保存，一旦需要的时候，可以对特定摄像机的特定时段的录像内容进行回放，便于港区的安全管理。但是在监控图像的采集与处理过程中，由于各种因素影响，会导致图像分辨率的下降，其主要表现为模糊、噪声和变形，达不到监控的要求，影响系统功能。课题背景31.选题理由近几年随着闭路电视监控系统在港区的应用越来越广泛，在生产管理和安全防范起到不可替代的作用，但是由于软硬件各方面因素的限制，视频监控录像回放分辨率往往不能达到使用要求。上海港于09年2月4号颁布《港区安全技术防范系统要求》的企业标准，里面明确要求新建监控系统的录像回放质量要大于等于300电视线，比原有的标准（录像资料270电视线）提高了10%。我公司作为上海市专业从事技术防范行业的从业单位，为上海港提供监控系统的安装和维护服务。为满足港区生产调度、安全防范要求，采用各种技术手段提高监控图像录像回放分辨率就显得极为重要。2.问题的提出目前港区内原有的设备图像回放质量停留在270线水平。无法满足生产安全回放质量300线的规范要求。回放时分辨率较低，无法满足生产安全管理的要求。3.确定课题本着“用户至上”的理念，为满足港区生产调度、安全防范要求，同时考虑到港区固定资产管理的需要，公司提出必须花尽可能小的经济代价解决视频图像分辨率不高的问题，小组成员接受挑战选定课题为：提高港口监控录像分辨率新技术研发一、选题理由4采用尽可能低的经济代价提高电视监控系统视频图像回放分辨率。根据《港区安全技术防范系统要求》的企业标准1.将原先图像分辨率270电视线（360*270）提高到300电视线（400*300）以上；另根据《港区安全技术防范系统要求》中电视监控系统的视频图像技术指标要求2.回放图像清晰度要求：峰值信噪比≥28；3.回放图像还原度要求：平均绝对差≤0.14.回放图像视觉要求：信噪比改善因子≥7250260270280290300前期图像分辨率目标图像分辨率二、确定目标5(一)方案的提出与确定1.课题分析要提高电视监控系统视频图像的分辨率，首先需要对视频图像分辨率不高的原因进行分析，对于视频图像成像储存的环节进行分析，才能根据不同的原因采取不同的解决方案。电视监控系统的视频图像的应用分为4个步骤：图像采集、图像传输、图像储存、图像回放。★图像采集：图像采集就是利用摄像机中电子传感器把光学影像转换成电信号，以便与传输及储存。传感器的形状和尺寸、光学部件性能的好坏直接影响图像的分辨率。★图像传输：图像传输就是利用光缆、电缆、无线等方式将采集来的图像传输到显示或者储存设备。在传输过程中，会引入不同类型的噪声，如高斯噪声、椒盐噪声等，而且噪声的引入方式也不同，或为加性噪声、或为乘性噪声，这些都会直接影响到图像的分辨率。三、提出各种方案并确定最佳方案6★图像储存：目前模拟录像机已基本淘汰，应用最广是数字硬盘录像机，基本原理是将模拟的音视频信号通过数据压缩形式转变为MPEG数字信号存储在硬盘上。数字化采集过程也会降低图像分辨率。★图像回放：图像回放就是重现存储在系统中的视频图像资料。2.方案的提出根据视频监控系统的工作原理，针对视频图像应用的各个环节，2010年2月15日小组成员利用头脑风暴法将之归纳为硬件和软件两大类，提出了5种方案建议，并将结果用亲和图整理如下：提高港区视频监控图像分辨率新技术的研发硬件方法软件方法优化摄像机优化传输优化录像机优化录像格式储存图像处理3.方案的初步比较★优化摄像机传感器固有的采样频率限制了图像的空间分辨率，目前在监控系统中广泛使用的是CCD传感器，提高分辨率最直接的方法是降低像素尺寸，提高单位面积的像素数目。亲和图7优点：明显提高图像分辨率，可直接提升港区视频回放分辨率至300电视线以上，预期效果良好；作为成熟的产品，操作简便，可操作性强。缺点：更换摄像机费用太高，经济性很差；以港区为例，前端摄像机50台左右，更换材料费就将近200多万，成本太高★优化传输系统图像传输过程中引进的噪声会直接影响到图像的分辨率。对传输系统进行优化，比如更新为先进的光缆传输系统、增加长距离补偿器、增加视频抗干扰器等，可以提高图像的信噪比，相应提高图像分辨率。优点：一定程度提高图像分辨率；缺点：更换传输设备费用较高，经济性不好，以上文某港区为例，若将线缆全部更换，工程耗资约80万，况且老港区进行线路更新施工难度太大；要根据不同的噪声叠加情况采取不同的措施，难度较大，实现比较困难。★优化录像机考虑到录像资料储存时间的限制，摄像机采集到的图像在储存时采用压缩的格式，去除了不必要的高频部分，相应的视频图像则损失8了图像细节，即降低了分辨率。如果更换硬盘录像机，减少压缩比例，则可以明显提高图像分辨率。优点：明显提高图像分辨率；可操作性较好缺点：需要更换硬件，目前1台硬盘录像机约需1.5万，若全部更换，费用较高，性价比不高；硬件受到工艺水平影响，提高有限。要兼顾存储时间，如果存储文件太大，分辨率即使有所提高，录像保留时间将大大缩短，不能满足用户的要求。★优化录像格式针对视频图像储存的步骤：采样、量化、编码。由于硬盘录像机直接影响监控系统的分辨率，如果对储存过程的参数进行调整，例如改变编码格式，提高录像文件所含信息量，也可以提高视频图像的分辨率。优点：提高图像分辨率；缺点：目前视频格式为成熟格式，重新调整难度太大。录像保留时间将大大缩短，不能满足用户的要求。9★存储图像处理视频监控主要功能之一就是在发生突发事件时能进行图像回放，往往在需要监控的区域可能事先没有考虑到高清录像，回放效果不尽如人意，这时候再进行设备更新也来不及了，只能在现有的图像资料的基础上进行软件处理，利用软件的办法提高视频图像分辨率。优点：应用范围广，属于事后弥补，实用性强；基本没有硬件投资，在原有基础上进行软件处理，经济性很好；立足现有设备，大批原有设备可以得到利用，为港区改造节约大笔资金，提高监控系统现代化程度。缺点：没有现成经验方法可借鉴，软件处理计算繁琐，实现难度较大。我们对5个方案进行了初步比较汇总结果如下：类型序号方案缺点方案选择硬件方法1优化摄像机更换摄像机费用太高，经济性很差；由于港区实际情况，对于设备更新成本太高，不具可行性。不选择2优化传输系统全部更新传输系统成本太高，不具可行性，针对各种类型的叠加噪声进行处理则比较复杂，不易形成标准工法。不选择3优化录像机需要部分更换设备，性价比不是很高，但考虑到录像机是目前监控系统的瓶颈，一旦录像机上分辨率有提高，则可明显提高录像资料的分辨率。选择软件方法4优化录像格式目前视频格式为成熟格式，重新调整难度太大。要兼顾存储时间，如果存储文件太大，分辨率即使有所提高，储存时间将大大缩短，不能满足用户的要求。不选择5储存图像处理没有现成经验方法可以借鉴，软件处理计算繁琐，实现难度较大。通过方案改进可以实现选择4.方案的试验比较102009年2月19日，小组成员对可采用的两个方案进行了现场试验对比：试验背景首先选取港区现场原始录像资料截图，港区视频监控系统原有录像机为杭州海康威视的DS-8004HC-S，录像分辨率为MPEG-4的2CIF格式（302*288）。图1：原始录像截图3#方案：更换录像机港区视频监控系统原有录像机为杭州海康威视的DS-8004HC-S，录像分辨率为MPEG-4的2CIF格式（302*288），通过更换硬盘录像机：杭州海康威视的D1格式高清硬盘录像机DS-8004HF-S，录像分辨率达到MPEG-4的4CIF格式（704*576），理论上提高了2倍，录11像截图效果如下图所示，可以看到图像质量无论在视频分辨率还是图像的色彩饱和度各个方面有明显提高。图2：更换设备后录像截图但是通过更换硬件的方式经济性不理想，以该港区为例，共配置摄像机32台，八路硬盘录像机3台，四路硬盘录像机3台，同时由于录像资料的提高，相应的录像文件所需硬盘空间也相应变大，为满足存储时间的要求，还需要增加硬盘存储设备，加上相应的安装调试费用，若要全部更换至D1格式的高清硬盘录像机则需要：12八路硬盘录像机3台：9600*3=28800元四路硬盘录像机3台：6400*3=19200元增加1T硬盘48块：950*48=45600元安装调试费用：1.5万元合计约10.8万元，费用不菲。同时，通过更换硬件的办法还有一个很大的缺陷，性能指标的提升受限于硬件的生产水平，会产生一个瓶颈。图3：高清录像截图的局部放大如上图中所见更换高清设备以后整幅图像分辨率提高了，但是如果将某一局部进行放大，则会发现局部分辨率仍然达不到要求。这种情况很难通过更新设备进一步提高分辨率。5#方案：视频图像的软件处理13采用基于信号处理的软件方法对图像的空间分辨率进行提高，对图1进行处理，得出结果如下：图4：经过软件处理的视频截图软件处理视觉效果较为明显，而且应用范围广，属于事后弥补，实用性强；基本没有硬件投资，在原有基础上进行软件处理，经济性很好；立足现有设备，大批原有设备可以得到利用，为港区改造节约大笔资金，提高监控系统现代化程度。145.选定方案由于3#方案较易实现，而5#方案，虽然无论在经济成本还是预期效果方面均优于3#，但实现相对较为困难，两者各有优势，为了体现QC活动的民主性，小组成员经过讨论决定采用打分方式对两个方案进行选优，确定最佳方案。各方案的分析及评估表序号方案可行性分析评价小计加权总分是否采用标准权数宋鑫颖吴超邱明佳谈星孙昕戚琳烨徐君朱继成1优化录像机费用较高，提高分辨率效果较好，提高一定程度以后再升级硬件有瓶颈难易性0.2◎◎△○◎◎△◎275.418.6不采用经济性0.4×××××△××93.6需时间0.1△×△×××△△121.2预期效果0.3○◎○○◎◎◎○288.42视频图像处理费用较低，提高分辨率效果略差，可行性较强，如进一步调整图像处理软件算法可达到要求难易性0.2×△×△××△×112.223.6可采用经济性0.4○◎◎◎○◎◎◎3012需时间0.1△○△◎◎△△○222.2预期效果0.3○△○○◎△◎○247.2◎：4分○：3分△：2分×：1分制表人：宋鑫颖日期：2010年3月10日评价结果：我们采用“归一法”对该项目实施经济性、需时间及预期效果进行加权评价，操作难易性主要对两种优化方法的实现难易度进行评价，由于对于监控图像的分辨率提高，技术上要求较高，难度加大不可避免，加权系数为0.2；经济性指技术措施成本，由于本项目核心理念就是以尽可能低的经济代价提高电视监控系统视频图像回放分15辨率。本着“服务客户”宗旨，费用加权相对较大采用0.4；需时间主要指对新技术开发周期长短评价，由于本项目时间要求不是特别严格，加权系数为0.1；预期效果指达到提高分辨率目标值的可能性，加权系数为0.3。综合得分满分应