H.264在電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李志海，馮宇，朱銀

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100；2.延安供電局，陜西延安716000；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 南京 210014）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各行業(yè)對電力的需求量越來越大，對供電部門提供電力供應(yīng)的質(zhì)量（穩(wěn)定性、不間斷性及伴隨服務(wù)）要求也越來越高，因此，遠(yuǎn)距離輸電線路的電網(wǎng)運(yùn)行安全性顯得尤為重要。架空輸電線路遠(yuǎn)程可視監(jiān)控系[1-3]統(tǒng)目前主要是利用先進(jìn)的數(shù)字視頻壓縮技術(shù)、低功耗技術(shù)、3G無線通訊技術(shù)、太陽能技術(shù)，將現(xiàn)場圖像、溫度、濕度等環(huán)境信息通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對輸電線路及環(huán)境參數(shù)的全天候監(jiān)測，使管理人員及時了解現(xiàn)場信息，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，有效地減少由于導(dǎo)線覆冰、洪水沖刷、不良地質(zhì)、火災(zāi)、導(dǎo)線舞動、通道樹木長高、線路大跨越、導(dǎo)線懸掛異物、線路周圍建筑施工、塔材被盜等因素引起的電力事故。在巡視人員不易到達(dá)地區(qū)，可視監(jiān)控系統(tǒng)可大大減少巡視次數(shù)。前端采集到的輸電線路視頻主要通過無線進(jìn)行傳輸，這對視頻壓縮算法提出很高的要求。

1 H.264標(biāo)準(zhǔn)基本知識

H.264[4-5]是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動圖像編碼專家組）的聯(lián)合視頻組（J oint Video Team,JVT）開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計，獲得比H.263好得多的壓縮性能；加強(qiáng)了對各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理；應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸（存儲）場合的需求；H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般基于無線傳輸，多采用wi-fi、2G、3G等技術(shù)。無線信道具有延時較大，不穩(wěn)定，可靠性差，帶寬有限等缺點，這也為H.264視頻編碼技術(shù)在輸電監(jiān)控視頻系統(tǒng)[6]中的應(yīng)用提供了便利。

2 輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)

輸電線路多位于野外，通信條件比較差，目前光纖還不能達(dá)到，要進(jìn)行輸電線路視頻監(jiān)控，通信方式一般采用無線傳輸方式。根據(jù)目前通信系統(tǒng)的建設(shè)情況和輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求，一般采用3G[7]方式通信。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于H.264的無線監(jiān)控系統(tǒng)[8]由視頻采集端、3G視頻服務(wù)器、服務(wù)器、客戶端等幾個部分組成，可實現(xiàn)視頻實時瀏覽、云臺控制、錄像回放等功能，客戶端支撐C/S和B/S 2種方式訪問。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前端攝像頭采集視頻圖像之后,通過3G無線視頻服務(wù)器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、壓縮編碼，并將視頻數(shù)據(jù)通過3G傳輸方式接入Internet，最終實現(xiàn)視頻在主站服務(wù)器匯集。

系統(tǒng)可實現(xiàn)視頻采集、處理、存儲，視頻實時瀏覽、控制、錄像，系統(tǒng)管理維護(hù)等功能?？蛻舳司哂袃深悪?quán)限：一類是僅能接受服務(wù)端發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，并播放或存儲在本機(jī)的硬盤瀏覽的普通客戶；另一類是不僅能接受視頻數(shù)據(jù)，還可根據(jù)不同情況對服務(wù)器的碼率、云臺控制等參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置的高級用戶。

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要分為2個部分：1）服務(wù)程序；2）客戶端程序。服務(wù)程序部署在服務(wù)器上，主要完成前端設(shè)備的地址配置、云臺控制、碼率選擇、視頻采集、視頻轉(zhuǎn)發(fā)、視頻壓縮、視頻存儲、控制命令生成、用戶管理、系統(tǒng)管理維護(hù)等。系統(tǒng)軟件由客戶端程序和服務(wù)程序組成，服務(wù)程序部署在服務(wù)器上，服務(wù)程序由管理模塊、Web服務(wù)模塊、錄像服務(wù)模塊組成[9]。主要功能如下。

1）管理模塊。①系統(tǒng)前端設(shè)備管理。前端設(shè)備管理包括碼率設(shè)置、設(shè)備地址管理等。②用戶信息及權(quán)限管理。管理用戶信息，對用戶權(quán)限進(jìn)行管理。③系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及性能管理。對系統(tǒng)的各服務(wù)模塊進(jìn)行性能統(tǒng)計和分析，當(dāng)性能接近服務(wù)器滿負(fù)荷時啟動負(fù)載方案；對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)流量接近網(wǎng)絡(luò)滿負(fù)荷時，對于新申請視頻請求，視其權(quán)限優(yōu)先級進(jìn)行權(quán)限仲裁。

2）云鏡控制。云臺控制包括云臺的上、下、左、右轉(zhuǎn)動，輪巡設(shè)置以及調(diào)用，預(yù)置位的設(shè)置及調(diào)用，云臺轉(zhuǎn)動的步長設(shè)置；同時支持雨刮、輔助燈光開關(guān)等設(shè)備的控制。鏡頭控制包括變倍、調(diào)焦、光圈控制。

3）Web服務(wù)。系統(tǒng)對外提供Web服務(wù)，通過Web方式訪問系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)視頻瀏覽、云臺控制等操作。

3 H.264在輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用研究

本系統(tǒng)的視頻利用3G方式進(jìn)行傳輸[10]，3G網(wǎng)絡(luò)的信道特性決定必須采用高效編碼算法,才能保證視頻信號的穩(wěn)定傳輸。以下將從H.264標(biāo)準(zhǔn)中的SP幀技術(shù)和分層編碼技術(shù)以及它的高壓縮率等幾個方面，分別闡述H.264的應(yīng)用優(yōu)勢。

3.1 極高的壓縮效率

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，壓縮效率是一個重要的指標(biāo)。在技術(shù)上，H.264標(biāo)準(zhǔn)中有多個閃光之處，如統(tǒng)一的VLC[11]符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基于4×4塊的整數(shù)變換[12]、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263節(jié)約50%左右的碼率[13]。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

3.2 SP幀技術(shù)

在輸電視頻監(jiān)控中，視頻點播和實時視頻傳輸?shù)攘髅襟w服務(wù)應(yīng)用最為廣泛，而這些服務(wù)對視頻流的帶寬自適應(yīng)性提出了較高的要求。H.264標(biāo)準(zhǔn)中的SP幀[14]技術(shù)正是迎合這種新要求而提出來的。在遠(yuǎn)程輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，客戶端的可用帶寬是不斷變化的，這就需要服務(wù)器端的視頻流有帶寬自適應(yīng)功能。SP（S witching P icture）幀編碼跟以往的P幀一樣，也是基于幀間預(yù)測的運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測編碼[15]，但它能夠在使用不同的參考幀的情況下重構(gòu)相同的圖像幀。利用這一特性，可以實現(xiàn)碼流的隨機(jī)切換，增加碼流的帶寬自適應(yīng)性。下面詳細(xì)介紹SP幀編碼是怎樣實現(xiàn)這一功能的，實現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 用SP幀進(jìn)行流間切換

在對視頻信號進(jìn)行壓縮處理時，設(shè)置多組不同的信源編碼參數(shù)對同一視頻序列分別進(jìn)行壓縮，從而生成適應(yīng)不同帶寬，具有不同質(zhì)量的多個相互獨立的碼流。這樣，視頻服務(wù)器就可以在不同的碼流間切換，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)有效帶寬的不斷變化。

設(shè){P1,N-1；S1,N；P1,N+1}和{P2,N-1；S2,N；P2,N+1}分別是對同一段視頻序列采用了不同的信源編碼參數(shù)壓縮得到的2個碼流。由于壓縮參數(shù)不同，2個碼流中同一時刻的幀，例如P1,N-1和P2,N-1是不完全一樣的。假設(shè)服務(wù)器開始時發(fā)送比特流1，到時刻N(yùn)開始發(fā)送比特流2，此時解碼器收到的序列為{P2,N-2；P2,N-1；S2,N；P2,N+1；P2,N+2}，在這種情況下，由于收到的S2,N所使用的參考帖是P2,N-1而不是P1,N-1，所以S2,N幀就不能很好地解碼。為了解決這個問題，SP幀編碼技術(shù)在切換點放置SP幀，它們將作為下一個幀的參考幀。每個SP幀還會產(chǎn)生一個基于本身的輔SP幀，并且主SP幀與輔SP幀有相同的重建預(yù)測值。圖中,S12,N是S2,N的輔幀，在從碼流1向碼流2切換時發(fā)送。S2,N的參考幀來自碼流2，而S12,N的參考幀來自碼流1。由于輔幀的特殊性,它們的重建預(yù)測值是相同的，所以這種流間切換不會增加傳輸帶寬。在帶寬有限的情況下，用SP幀編碼能有效地實現(xiàn)碼流的隨機(jī)切換，增加碼流的帶寬自適應(yīng)性。

3.3 分層編碼技術(shù)

由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，目前輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用基于無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式。H.264中分層編碼技術(shù)正好可以極大地適應(yīng)這一環(huán)境。H.264的算法在概念上可以分為2層：視頻編碼層[5]（VCL）和網(wǎng)絡(luò)提取層[16]（NAL）。VCL和NAL分層編碼設(shè)計的目標(biāo)就是使H.264標(biāo)準(zhǔn)對各種協(xié)議有廣泛的適應(yīng)性，并在一定的網(wǎng)絡(luò)特性條件下實現(xiàn)最優(yōu)壓縮性能，從而使其有更廣泛的應(yīng)用空間。H.264標(biāo)準(zhǔn)中引入的網(wǎng)絡(luò)提取層，其碼流結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性更強(qiáng)，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，有效緩解了由于視頻數(shù)據(jù)占用帶寬而導(dǎo)致其他需要傳輸?shù)男畔⒉荒芗皶r有效傳達(dá)帶來的壓力。

4 應(yīng)用實例

基于H.264的輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)在部分地區(qū)已建成并投入使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由前端子系統(tǒng)和主站系統(tǒng)組成，視頻通過前端設(shè)備采集，進(jìn)行壓縮編碼后通過3G方式傳輸至監(jiān)控主站系統(tǒng)。視頻監(jiān)控主站系統(tǒng)主要由管理服務(wù)器、W eb服務(wù)器、錄像服務(wù)器組成。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供C/S和B/S 2種方式訪問系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻的瀏覽、云臺控制、設(shè)備和用戶管理、錄像回放功能。系統(tǒng)提供有線和無線2種終端訪問方式，無線終端主要通過3G訪問系統(tǒng)。

系統(tǒng)組網(wǎng)方式見圖5，前端子系統(tǒng)由攝像頭和無線視頻服務(wù)器組成，監(jiān)控中心主要由輸電視頻監(jiān)控主站系統(tǒng)和監(jiān)控終端組成，前端子系統(tǒng)主要通過太陽能方式供電，采用3G寬帶接入Internet，數(shù)量可根據(jù)需求增加，監(jiān)控中心主站服務(wù)器通過有線/光纖接入Internet，系統(tǒng)可實現(xiàn)CIF@25F實時視頻監(jiān)控。由于3G信道具有信道資源有限、誤碼率高等特點。本系統(tǒng)采用H.264進(jìn)行視頻編碼，H.264具有極高的壓縮效率和優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性[17],能夠滿足3G信道特性。實踐證明，采用H.264編碼方式能夠滿足視頻實時監(jiān)控的需求，為輸電線路安全運(yùn)行提供可靠的保障。

圖5 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

5 結(jié)語

通過對H.264在輸電視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的研究和案例可以看出，利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻編解碼技術(shù)對遠(yuǎn)程輸電線路進(jìn)行監(jiān)控,可以全面提升管理水平，保證輸電線路的安全運(yùn)行和效益的充分發(fā)揮，減少人工維護(hù)的成本。隨著H.264在現(xiàn)實應(yīng)用中進(jìn)一步擴(kuò)大，其優(yōu)化算法也會層出不窮，該技術(shù)的應(yīng)用水平也會不斷提升，必將對輸電線路安全運(yùn)行和狀態(tài)監(jiān)控的管理做出更大的貢獻(xiàn)。

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