H.264編碼和SHDSL傳輸技術在井下電視的應用*

劉 康,張家田

(西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

H.264編碼和SHDSL傳輸技術在井下電視的應用*

劉 康,張家田

(西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

井下電視應用一直受到傳輸速率的影響,數字井下電視可以分析并解決井下復雜狀況問題。采用H.264編碼技術可以在相同帶寬傳輸更高的圖像質量，以及采用單對線高速數字用戶線(SHDSL)技術可以解決井下傳輸距離與速率相矛盾的問題。該傳輸技術具備自適應能力來適應同軸鎧甲電纜，對傳輸介質降低了要求且節省成本。通過以上兩種技術可以解決井下圖像傳輸距離短和分辨率低的問題，并提高井下數據傳輸速率。

井下電視;H.264;SHDSL;高清; 實時

0 引言

現在油氣田開采開發過程主要存在兩大方面問題，一是隨著大部分油田的長期開采面臨著枯竭的狀態，開采新的油氣資源難度加大；二是常年處于生產過程的生產井面臨著套管老化、腐蝕及損壞等。現在多采用多種方法聯合測量、準確定位損壞點，成本和風險會很高，缺乏一種直觀、低成本的準確定位方法來確定損壞點[1]。井下電視是解決上述問題的有效辦法，但井下電視傳輸距離3.0 km[2]都是極限，對于內陸深井開采幫助不大，所以本文試圖采用基于H.264編碼壓縮技術和SHDSL高速傳輸技術來使高清、實時圖像傳輸距離達到7 km[3]。本系統涉及的兩個部分及對應的重要技術為：井下測井部分、地面軟件部分，圖像壓縮、解壓縮主要采用H.264編碼壓縮技術；傳輸部分主要采用SHDSL高速傳輸技術。

1 重要技術簡介

1.1 H.264編碼壓縮技術

視頻壓縮工作是通過去冗余圖像數據的方法來實現，其中主要包括壓縮、創建壓縮文件、發送、解壓縮對視頻還原、顯示視頻幾個過程。延時包括壓縮過程、發送過程、解壓縮過程和顯示視頻所需時間過程[4]。延時與圖像壓縮算法高級程度成正比。相比H.263技術,基于前后幀參考二元算術編碼(CABAC)算法的H.264技術將峰值信噪比(PSNR)提高0.6 db[5]以上，視頻數據得到進一步壓縮。在H.264編碼技術中，對I幀進行數據壓縮編碼，減少不必要的冗余數據。這種方法通過連續預測幀中每一個宏塊內比較小的像素塊，來減少I幀所占數據位。這一點可與在新4×4像素塊[6]中其他像素實現匹配。本算法的優勢是盡可能利用與前幀相似匹配，減少不必要的數據編碼，節省存儲空間。

1.2 SHDSL 傳輸技術

單對線高速數字用戶線(SHDSL)技術的傳輸距離與用戶電話線的線徑成正比，電話線直徑越粗，傳輸距離也就越長。不管用戶的實際傳送帶寬，比較兩線的SHDSL模式和四線的HDSL，HDSL技術的傳送帶寬是2 Mb/s，并且是固定不變的；而SHDSL具有自適應功能，不同的帶寬隨著線徑變化，隨著傳送速率的不同，實現的傳送距離也不同。以兩線SHDSL和四線HDSL相比較，如果是在2 Mb/s傳送速率下，前者將比后者提高15%的傳送距離。SHDSL提供數據流傳輸冗余和每秒延遲不超過1.2 ms[7]，這對于視頻實時傳輸非常重要。因此，SHDSL的一個顯著優勢就是傳輸距離改變，帶寬也改變，對電纜要求降低。

2 整體系統設計

2.1 系統結構組成

數字高清井下測井儀根據工程需要主要分為3個部分：地面系統、傳輸電纜、井下系統。地面系統由上位機和電源供電系統組成，井下系統由CCD高清網絡攝像頭組成，傳輸電纜由一對主從傳輸板和鎧裝電纜線組成。結構如圖1所示。

圖1 井下電視結構圖

該系統要達到以下目的：上位機發出控制指令，調節井下采集圖像的分辨率和碼率，契合傳輸速率與測井電纜達到傳輸平衡，實現井下圖像信號在地面系統高清實時回放。傳輸電路系統如圖2所示。

圖2 傳輸電路系統結構圖

在圖2中模擬前端撥碼器可以自適應平衡傳輸速率，撥碼器共4位，第一位設置地面系統傳輸電路系統和井下系統傳輸電路系統局端或客戶端即設置主從關系，傳輸電路系統綠燈亮表示此為用戶端，則另一端應該設置綠燈滅；后三位設置速率，最高可達2.3 Mb/s，具體速率設置參考如圖3所示，傳輸電路結構圖如圖4所示。由于井下高溫高壓，傳輸電路都要在真空保溫瓶里[8]，照明光源照射井壁，反射光由CCD傳感器接收輸出電壓，由成像模塊將電壓轉換成數字信號，經數據處理電路壓縮編碼再經電纜傳送給地面系統。

圖3 撥碼器圖

圖4 井下設備連接圖

2.2 電纜傳輸方式選擇

本系統的地面系統和井下系統采用220 V交流電，所以需要把交流電轉換為低壓直流電源，地面系統采用AC/DC轉換模塊電源為電源提供+12 V電壓，但井下系統需要將220 V交流電經過長距離電纜傳輸至井下再用AC/DC轉換模塊電源為井下儀器供電，這就需要選擇合適的電纜供電和傳輸連接方式。在本系統中采用七芯電纜傳輸信息和通電，當采用七芯電纜方式進行數據傳輸時，由于傳輸距離長達7 000 m，電纜本身阻抗對信號傳輸影響很大，所以采用2、5，3、6并聯傳輸信號，1、4供電，如圖5所示。

圖5 七芯電纜連接方式

3 測試過程及結果分析

在測試之前，需要連接硬件，通電等待傳輸板紅燈閃爍結束變為綠燈，證明傳輸板已連接，地面系統和井下系統可以通信。打開上位機，將本地連接中TCP/IPv4地址改為192.168.0.55，子網掩碼為255.255.255.0。完成之后打開地面系統軟件進行網絡攝像頭的IP地址搜索，連接成功后會出現井下套管圖像，如圖6所示。

圖6 套管井壁捕獲圖像

畫面出現之后會出現畫面升格或延時的問題，這時需要不斷調試碼流和圖像分辨率直到畫面清晰且實時為止，參數調試界面如圖7所示。其中碼流控制改為非限定碼率，幀率為30 FPS,分辨率和畫質平衡調節，如果是多攝像頭傳輸數據流，可以分別對不同通道的攝像頭進行上述參數設置。測試過程中，在2 Mb/s傳輸速率下，四通道傳輸數據流基本不會出現延時問題，但更多通道傳輸數據需要采用電纜并聯方式以提高傳輸速率。多通道數據傳輸在硬件上需要加上以太網交換機，以太網交換機分配給每個網口的傳輸速率相同。

圖7 參數調試界面

用MATLAB繪出在直徑為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm的電纜中測試數據傳輸速率與傳輸距離的關系，如圖8所示。從圖中可知鏈路速率與傳輸距離成反比趨勢，在井下6 km深度，直徑為0.6 mm電纜傳輸速率可達2 Mb/s。平原井深一般不會超過4 km，采用直徑0.4 mm電纜即可達到2 Mb/s，節省大量成本。實際應用中應該根據當地情況選擇合適的電纜，達到效率和性價比最高。

圖8 鏈路速率與傳輸距離關系

4 結論

本文介紹了基于H.264編碼技術和SHDSL傳輸技術的井下電視的優勢及實踐中的可行性，通過對7 000 m以內測井電纜傳輸實驗和測試結果分析，采用一對線傳輸速率可達2 Mb/s，采用兩對線傳輸速率有望達到3 Mb/s。

SHDSL傳輸技術自適應電纜傳輸及自動匹配、自動連接，且符合IEEE802.3/3u/3x和IEEE802.1Q標準，支持橋/路由模式。

根據MATLAB分析可知在普通電纜狀況下，基于上述兩種技術的傳輸系統可自動適應平衡各種電纜要求，以達到最佳傳輸速率和圖像清晰度，這種圖像壓縮技術和自適應高速傳輸技術可以使更多井下儀器儀表數據通過此技術傳輸至地面，具有廣泛的應用前景和推廣價值。

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Application of H.264 encoding and SHDSL transmission technique for downhole video

Liu Kang，Zhang Jiatian

(The Key Laboratory of Photo Electricity Gas & Oil Logging and Detecting of Ministry of Education, Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China )

The application of downhole video has been affected by the transmission rate, digital downhole video can analyze and solve complicated situation in the downhole. The H.264 coding technology can transport higher quality image in the same bandwidth,and single-pair high speed digital subscriber line (SHDSL) technology can solve the contradictory of transmission distance and rate. The transmission technology has adaptive ability to adapt to the coaxial cable armor, to reduce the demand and save the cost of transmission medium.Through the above two kinds of technology,the problem of low resolution and short transmission distance can be solved, and the downhole data transmission rate is improved.

downhole video; H.264; SHDSL; high definition; real time

教育廳重點科研計劃(15JS097，11JS051)

TE953

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.027

劉康,張家田.H.264編碼和SHDSL傳輸技術在井下電視的應用[J].微型機與應用，2017,36(3)：93-95.

2016-10-10)

劉康(1990-)男，碩士研究生，主要研究方向：測試計量技術與儀器、信號與信息處理。