H.264在電力視頻監(jiān)控系統中的應用

李志海，馮宇，朱銀

（1.國網電力科學研究院，江蘇 南京 211100；2.延安供電局，陜西延安716000；3.江蘇省農業(yè)科學院，江蘇 南京 210014）

隨著國民經濟的高速發(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的質量（穩(wěn)定性、不間斷性及伴隨服務）要求也越來越高，因此，遠距離輸電線路的電網運行安全性顯得尤為重要。架空輸電線路遠程可視監(jiān)控系[1-3]統目前主要是利用先進的數字視頻壓縮技術、低功耗技術、3G無線通訊技術、太陽能技術，將現場圖像、溫度、濕度等環(huán)境信息通過3G無線網絡傳輸到監(jiān)控中心，從而實現對輸電線路及環(huán)境參數的全天候監(jiān)測，使管理人員及時了解現場信息，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，有效地減少由于導線覆冰、洪水沖刷、不良地質、火災、導線舞動、通道樹木長高、線路大跨越、導線懸掛異物、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地區(qū)，可視監(jiān)控系統可大大減少巡視次數。前端采集到的輸電線路視頻主要通過無線進行傳輸，這對視頻壓縮算法提出很高的要求。

1 H.264標準基本知識

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）的聯合視頻組（J oint Video Team,JVT）開發(fā)的一個新的數字視頻編碼標準。H.264采用“回歸基本”的簡潔設計，獲得比H.263好得多的壓縮性能；加強了對各種信道的適應能力，采用“網絡友好”的結構和語法，有利于對誤碼和丟包的處理；應用目標范圍較寬，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的碼流結構網絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網絡的應用。輸電視頻監(jiān)控系統一般基于無線傳輸，多采用wi-fi、2G、3G等技術。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視頻編碼技術在輸電監(jiān)控視頻系統[6]中的應用提供了便利。

2 輸電視頻監(jiān)控系統

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

2.1 系統結構

基于H.264的無線監(jiān)控系統[8]由視頻采集端、3G視頻服務器、服務器、客戶端等幾個部分組成，可實現視頻實時瀏覽、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。結構如圖1所示。

圖1 無線視頻監(jiān)控系統結構

前端攝像頭采集視頻圖像之后,通過3G無線視頻服務器進行數模轉換、壓縮編碼，并將視頻數據通過3G傳輸方式接入Internet，最終實現視頻在主站服務器匯集。

系統可實現視頻采集、處理、存儲，視頻實時瀏覽、控制、錄像，系統管理維護等功能。客戶端具有兩類權限：一類是僅能接受服務端發(fā)送的視頻數據，并播放或存儲在本機的硬盤瀏覽的普通客戶；另一類是不僅能接受視頻數據，還可根據不同情況對服務器的碼率、云臺控制等參數進行修改設置的高級用戶。

2.2 系統軟件結構及功能

系統軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構

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

1）管理模塊。①系統前端設備管理。前端設備管理包括碼率設置、設備地址管理等。②用戶信息及權限管理。管理用戶信息，對用戶權限進行管理。③系統網絡及性能管理。對系統的各服務模塊進行性能統計和分析，當性能接近服務器滿負荷時啟動負載方案；對網絡流量進行實時監(jiān)控，當流量接近網絡滿負荷時，對于新申請視頻請求，視其權限優(yōu)先級進行權限仲裁。

2）云鏡控制。云臺控制包括云臺的上、下、左、右轉動，輪巡設置以及調用，預置位的設置及調用，云臺轉動的步長設置；同時支持雨刮、輔助燈光開關等設備的控制。鏡頭控制包括變倍、調焦、光圈控制。

3）Web服務。系統對外提供Web服務，通過Web方式訪問系統，進行相關視頻瀏覽、云臺控制等操作。

3 H.264在輸電視頻監(jiān)控系統中應用研究

本系統的視頻利用3G方式進行傳輸[10]，3G網絡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標準中的SP幀技術和分層編碼技術以及它的高壓縮率等幾個方面，分別闡述H.264的應用優(yōu)勢。

3.1 極高的壓縮效率

在視頻監(jiān)控系統中，壓縮效率是一個重要的指標。在技術上，H.264標準中有多個閃光之處，如統一的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量下，能夠比H.263節(jié)約50%左右的碼率[13]。H.264的碼流結構網絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網絡的應用。

3.2 SP幀技術

在輸電視頻監(jiān)控中，視頻點播和實時視頻傳輸等流媒體服務應用最為廣泛，而這些服務對視頻流的帶寬自適應性提出了較高的要求。H.264標準中的SP幀[14]技術正是迎合這種新要求而提出來的。在遠程輸電視頻監(jiān)控系統中，客戶端的可用帶寬是不斷變化的，這就需要服務器端的視頻流有帶寬自適應功能。SP（S witching P icture）幀編碼跟以往的P幀一樣，也是基于幀間預測的運動補償預測編碼[15]，但它能夠在使用不同的參考幀的情況下重構相同的圖像幀。利用這一特性，可以實現碼流的隨機切換，增加碼流的帶寬自適應性。下面詳細介紹SP幀編碼是怎樣實現這一功能的，實現過程如圖3所示。

圖3 用SP幀進行流間切換

在對視頻信號進行壓縮處理時，設置多組不同的信源編碼參數對同一視頻序列分別進行壓縮，從而生成適應不同帶寬，具有不同質量的多個相互獨立的碼流。這樣，視頻服務器就可以在不同的碼流間切換，以適應網絡有效帶寬的不斷變化。

設{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壓縮得到的2個碼流。由于壓縮參數不同，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。假設服務器開始時發(fā)送比特流1，到時刻N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碼流的隨機切換，增加碼流的帶寬自適應性。

3.3 分層編碼技術

由于網絡技術的高速發(fā)展，目前輸電視頻監(jiān)控系統使用基于無線網絡的傳輸方式。H.264中分層編碼技術正好可以極大地適應這一環(huán)境。H.264的算法在概念上可以分為2層：視頻編碼層[5]（VCL）和網絡提取層[16]（NAL）。VCL和NAL分層編碼設計的目標就是使H.264標準對各種協議有廣泛的適應性，并在一定的網絡特性條件下實現最優(yōu)壓縮性能，從而使其有更廣泛的應用空間。H.264標準中引入的網絡提取層，其碼流結構對網絡的適應性更強，增加了差錯恢復能力，能夠很好適應IP和無線網絡的應用，有效緩解了由于視頻數據占用帶寬而導致其他需要傳輸的信息不能及時有效傳達帶來的壓力。

4 應用實例

基于H.264的輸電視頻監(jiān)控系統在部分地區(qū)已建成并投入使用，系統結構如圖4所示。

圖4 輸電視頻監(jiān)控系統結構圖

系統由前端子系統和主站系統組成，視頻通過前端設備采集，進行壓縮編碼后通過3G方式傳輸至監(jiān)控主站系統。視頻監(jiān)控主站系統主要由管理服務器、W eb服務器、錄像服務器組成。本視頻監(jiān)控系統能夠提供C/S和B/S 2種方式訪問系統，能夠實現視頻的瀏覽、云臺控制、設備和用戶管理、錄像回放功能。系統提供有線和無線2種終端訪問方式，無線終端主要通過3G訪問系統。

系統組網方式見圖5，前端子系統由攝像頭和無線視頻服務器組成，監(jiān)控中心主要由輸電視頻監(jiān)控主站系統和監(jiān)控終端組成，前端子系統主要通過太陽能方式供電，采用3G寬帶接入Internet，數量可根據需求增加，監(jiān)控中心主站服務器通過有線/光纖接入Internet，系統可實現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。本系統采用H.264進行視頻編碼，H.264具有極高的壓縮效率和優(yōu)秀的網絡適應性[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，為輸電線路安全運行提供可靠的保障。

圖5 系統組網方式

5 結語

通過對H.264在輸電視頻監(jiān)控系統中應用的研究和案例可以看出，利用先進的網絡技術和視頻編解碼技術對遠程輸電線路進行監(jiān)控,可以全面提升管理水平，保證輸電線路的安全運行和效益的充分發(fā)揮，減少人工維護的成本。隨著H.264在現實應用中進一步擴大，其優(yōu)化算法也會層出不窮，該技術的應用水平也會不斷提升，必將對輸電線路安全運行和狀態(tài)監(jiān)控的管理做出更大的貢獻。

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