基于多感興趣區域無人值守變電站的圖像監控

摘要：無線網絡傳輸數據的帶寬較窄，制約了無人值守變電站基于無線通信環境下圖像監控系統的應用。而圖像監控中，通常只對一個或幾個區域感興趣，為了適應目前的網絡狀況，應用了JPEG2000中感興趣區域(ROI)編碼技術，對感興趣區域進行無損壓縮，對其他區域進行有損壓縮，明顯地降低了圖像的平均碼率，使圖像能夠高效地傳送給調度中心以便對現場設備的運行狀態進行監控。實驗結果表明，該方法很好地解決了壓縮比和圖像質量之間的矛盾，有效地緩解了傳輸數據量與網絡帶寬的矛盾，提高了圖像的實時性傳輸。

關鍵詞：JPEG2000;感興趣區域;圖像監控

中圖分類號：TP391.41文獻標識碼 A 文章編號：1009-3044(2008)23-1032-03

Application of Multi-ROI in Image Surveillance System of the Unattended Substation

SONG Jia

(Academy of Information Technology， Luoyang Normal University， Luoyang 471022， China)

Abstract: In the remote image surveillance of the unattended substation， due to the limited bandwidth for transmission through the wireless network， a new method is proposed to adapt the wireless environment. The ROI encoding in JPEG2000 technology is utilized in the image of the region of interest compressed at a higher quality than the rest of the image. The instrument's reading information of unattended substation， which is set as the ROI(region of interest)， can be transmitted to dispatching center using wireless network effectively. Experimental results show that the method presented in this paper solving the dilemma between the image quality and compression， adapting the narrow bandwidth， and improving the image of the real-time transmission.

Key words: JPEG2000; ROI; image surveillance

1引言

近年來，電力行業一直在致力于無人值守變電站的推廣應用。目前已有相當多的變電站實現了“四遙”，即遙測、遙信、遙控、遙調功能[1]。然而，實現變電站綜合全面的自動化管理，大面積推廣無人值守變電站是建立一套完善的遠程監視/報警系統（即電力行業稱之為“遙視”）的必要保證。“遙視”功能使電力調度部門可以遠程監視變電站的設備及現場環境，能夠進一步地提高電力自動化系統的安全性、可靠性。因此，遠程圖像監控系統是電力系統自動化發展的必然趨勢。如今電網的管理逐步向自動化、集中化和智能化方向發展，通過無線通信網絡進行遠程監控是實現現代化管理的重要途徑。但是無人值守變電站監控現場一般與控制站點相距較遠，遠程無線傳輸的圖像質量問題就顯得格外突出，尤其在低碼率的情況下，保證圖像感興趣區域的清晰度尤為重要。

靜止圖像壓縮標準JPEG的制定為圖像的傳輸起到了極大的推動作用。目前的JPEG靜止圖像壓縮標準在中高碼率上壓縮效果較好，然而在低碼率的情況下，重構圖像存在嚴重的方塊效應。為了彌補目前標準的不足，1997年，ISO/ITU-T組織開始著手制定新的靜止圖像壓縮標準——JPEG2000[2，3]，在2000年3月正式公布。JPEG2000與JPEG最大的不同，在于它放棄了JPEG所采用的以離散余弦變換(DCT)為主的區塊編碼方式，而采用以小波變換(DWT)為主的多解析編碼技術和嵌入式編碼技術。DWT打破了傳統DCT的局限性，以變化的局部化格式，贏得了“數學顯微鏡”的稱號。DWT是將圖像的頻率成分抽取出來，通常，低頻部分可保留圖像之全貌，而高頻部分則發生在所謂的邊緣，即兩線交界處。因此，JPEG2000可獲得優于目前JPEG標準的壓縮效果。本文把JPEG2000中ROI編碼技術應用到變電站圖像監控系統中，以使監控圖像在低碼率傳輸的條件下，仍能得到較理想的效果。

2 ROI編碼技術在圖像監控中的應用

2.1 ROI編碼技術

2.1.1 ROI方法概述

ROI是指圖像、分量圖像或瓦片分量中用戶感興趣的區域。所謂ROI編碼是指允許圖像的：某一部分(即感興趣區域)以更好的質量被編碼。這在一定程度上體現了JPEG2000所具有的基于內容的編碼能力。

人們在觀察圖像時，往往只對其中的某一個或多個區域感興趣，并希望這些區域有較高的分辨率，而對其他區域只要達到基本的視覺要求即可。這時，我們可以對感興趣區域進行低壓縮比甚至是無損壓縮編碼以求獲得高質量的重建圖像，而對其他區域采用較高壓縮率，這就是ROI編碼技術。ROI編碼是JPEG2000支持的一種具有創新性的圖像處理方法，即在圖像中的感興趣區域進行無損或近無損壓縮，而在其它區域采用有損壓縮，從而既可以獲得所期望的高質量的圖像信息，又保持了較高的壓縮比，很好地解決了壓縮比和圖像質量之間的矛盾。在確定感興趣區域后，為該區域產生一個ROI模板(mask)。所謂ROI模板，實際上就是對最后重構感興趣區域有貢獻的所有小波系數的集合，描述的其實就是某一小波系數存在于哪一位平面上，從而精確的重構所期望的區域。對位于模板以外的小波系數(稱為背景系數)，將其幅值通過除以2s 按比例縮小，比例因子s的選擇要使縮小后的背景系數幅值小于ROI 模板中量化系數的最小值。按此處理后，位于ROI模板內的量化系數所處的位平面就高于背景系數所處的位平面。在其后進行的嵌入式編、解碼過程中，由于ROI區域的位平面高于背景區域，這些ROI 系數位平面將先于背景系數位平面被編碼、傳輸和解碼。而且即使當碼流被截斷或是編解碼過程沒有全部完成，因為ROI區域的壓縮碼流處在整個碼流的前端，故感興趣區域的重建質量仍然優于背景區域。

2.1.2 ROI編碼步驟

在JPEG2000標準中，這種編碼方法的步驟如下：

步驟1：對源圖像計算小波變換；

步驟2：選定ROI 區域，一旦選定就相應地計算產生一個模板，該ROI模板包括了無損重建ROI 的全部小波系數；

步驟3：量化小波系數；

步驟4：按比例縮小背景系數幅值，即位于ROI 模板區域之外的背景系數都右移位；

步驟5：對所有系數位平面依次進行熵編碼，最重要的位平面首先被編碼。

此外，比例因子s 和與ROI 相關的一些信息亦被置入編碼后的碼流之中，傳送到解碼端，解碼器倒置執行上述步驟以重建圖像。

2.1.3 ROI編碼算法

JPEG2000標準定義了兩種感興趣區域編碼算法： 最大移位法(Maxshift Method)[4] 和一般移位法(Upscaling Method)[5]，其中前者被標準的第1部分采用，后者被標準的第2部分采用，這兩種技術都是基于系數縮放的ROI編碼，通過提升ROI系數的位平面，使ROI部分優先編碼。如圖1所示，圖中MSB表示最高位平面，LSB表示最低位平面，BG表示背景區域。

一般移位法是預先選擇一個適當的比例因子s ，在編碼時將背景系數的幅值均縮小2s倍。這樣，感興趣區域系數的位平面總體上就高于背景區域系數的位平面。由于在編碼后的比特流中，位平面較高的比特位在碼流的較前位置，故在解碼時，感興趣區域就會先于其他區域被解碼和細化（仍有一些ROI 系數會與背景系數一起編碼、傳輸和解碼，這取決于比例因子s 的大小）。對于任意形狀的感興趣區域，其使用的比例因子也是任意的，因此還需要用形狀編碼器和形狀解碼器對形狀信息編解碼，這將使編碼器和解碼器更為復雜，而且最后的碼流中置入的ROI 形狀信息將使比特流增大。另外，解碼器還需再次求出ROI掩模，這又增加了計算的復雜度和對存儲的要求。在最大移位法中，比例因子并不是預先任意選定的。編碼器掃描所有量化系數后自動產生一個比例因子，它能使縮小后的背景系數的最大值小于ROI 系數的最小值[6]。也就是說，縮放值2s是大于任意背景系數的最小整數。解碼時，不小于2s的系數必然屬于感興趣區域，小于2s的系數必然屬于背景區域。解碼器只需把背景系數值擴大2s倍，而不必再求ROI掩模，編碼流中亦無需包含ROI形狀信息。

2.2 ROI編碼在變電站圖像監控系統中的應用

在無人值守變電站圖像監控系統中，圖像監控對象主要是變電站場區、設備區、主控室、配電室等重要部分，其中包括主變壓器、各類高壓電器設備；還包括變電站的通信機房、控制室、高壓配電室等。根據本文圖像監控對象的特性，我們感興趣的是各儀表的讀數。因此，為了減少傳輸前的編碼時間， 節省數據存儲、傳輸的開銷，通常在傳輸前就事先確定感興趣區域(ROI)，使系統能夠進行快速的ROI編碼。首先系統初始化后，對監控的未經過ROI 區域定義的圖像通過濾波器組進行小波變換，接著通過預處理過程確定感興趣區域，計算ROI模板以及比例因子s的值，編碼系統對變換后的系數比特平面量化，最后進行熵編碼，解碼逆執上述過程即可重建圖像。

3實驗結果與分析

為了保證監控數據即時高效的傳送到調度中心，采用最大移位法生成待傳輸的圖像。這樣既可以降低圖像在存儲和傳送中的系統開銷，也可滿足監控的需求。壓縮前圖像如圖2(a)所示，圖2(b)為經過ROI壓縮的解碼后圖像，圖2(b)中選取了兩個儀表盤讀數區作為ROI，實驗中采用的平均碼率為0.5b/p(位/像素)。可見利用ROI編碼既保證了該區域圖像的恢復質量又使得平均碼率得到了降低。

4結束語

本文提出的方案大大降低了監控目標圖像的碼率，能節省傳輸時間和存儲空間。同時，ROI編碼在實際應用中可以實現高度的靈活性，用戶可以根據帶寬情況以及所需圖像某一區域內容的價值選定感興趣區域，按自己需求進行處理，在編碼壓縮時可以根據具體情況選擇有損壓縮和無損壓縮的各自區域，也可調節各區域的壓縮比，用戶可以根據不同的質量生成圖像。因此，本文提出的方案適合無人值守的情況下，通過無線網絡傳輸，提高了無人值守現場設備安全的可靠性。

參考文獻：

[1] 屈穩太，諸靜.靜態圖像壓縮標準JPEG2000在變電站圖像監控系統中的應用[J].電力系統及其自動化學報，2003，15(1):41-45.

[2] Wallace G K. The JPEG2000 Still Picture Compression Standard[J]. IEEE Trans. Consumer Electronics，2001，1(8):358-361.

[3] Christopoulos C， Askel J. Efficient Methods for Encoding Regions of Interest in The Upcoming JPEG2000 Still Image Coding Standard[J]. IEEE. Signal Processing，2000，9(7):247-249.

[4] ISO/ISC JTC 1/SC 29/WG 1 (ITU-T SG8) JPEG2000 Part I Number 15444-1[S]，2000.

[5] ISO/ISC JTC 1/SC 29/WG 1 (ITU-T SG8) JPEG2000 Part II Final Committee Draft Version 1.0[S]，2000.

[6] Pablo G， Tahoces J， Varela R，et al. Image compression: Maxshift ROI encoding options in JPEG2000[M]. Computer Vision and Image Understanding，In Press， Corrected Proof，2007.