視頻監(jiān)控技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的應(yīng)用

許 建

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 840000）

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對(duì)重要區(qū)域或遠(yuǎn)程地點(diǎn)的監(jiān)視和控制，通過攝像頭等視頻采集設(shè)備在監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)采集視頻文件并及時(shí)地傳輸給監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地報(bào)告監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻數(shù)據(jù)采集、編碼、傳輸和分析處理4部分組成。視頻數(shù)據(jù)采集由安裝在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)如閘站及水庫庫區(qū)等的高分辨率攝像機(jī)完成，主要完成模擬視頻信號(hào)到數(shù)字視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換；視頻編碼主要通過消除視頻數(shù)據(jù)的冗余，來降低存儲(chǔ)和傳送視頻信息所需的比特率，目前大部分的視頻采集設(shè)備都具有壓縮編碼的功能；視頻傳輸根據(jù)傳輸距離和圖像質(zhì)量的要求可選用各種不同的線纜、接口設(shè)備，負(fù)責(zé)將視頻和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)剿璧牡攸c(diǎn)；視頻分析主要利用圖像分析和識(shí)別技術(shù)對(duì)采集來的視頻圖像進(jìn)行處理，得到一些能夠提高決策準(zhǔn)確性的信息。系統(tǒng)原理框如圖1所示。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)

2.1 視頻采集

圖1 系統(tǒng)原理框如圖

根據(jù)監(jiān)控點(diǎn)的具體情況，在各監(jiān)控點(diǎn)安裝相應(yīng)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)固定或活動(dòng)云臺(tái)、定焦或變焦和軟件系統(tǒng)。在每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)可以安裝1個(gè)或數(shù)個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)，外圍再各配備1臺(tái)云臺(tái)、防護(hù)罩及云臺(tái)控制器。每個(gè)視頻采集點(diǎn)各匹配1臺(tái)視頻編解碼器。在視頻采集系統(tǒng)中，最重要的是幀率達(dá)到一定的值，才能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。研究表明當(dāng)幀率達(dá)到25fps 時(shí)，畫面是比較連續(xù)的，符合人眼的視覺需要。

2.2 視頻壓縮

從視頻采集系統(tǒng)獲得的原始視頻數(shù)據(jù)量很大，所以要先對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮。由于視頻序列的幀內(nèi)及幀與幀之間包含很大的統(tǒng)計(jì)和主觀冗余度，通過挖掘這些冗余信息，降低存儲(chǔ)和傳送視頻信息所需的比特率，即視頻壓縮或編碼。經(jīng)壓縮處理后的視頻質(zhì)量高低是決定多媒體服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

第1代壓縮編碼壓縮思想基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，因此只能去除數(shù)據(jù)冗余，屬于低層壓縮編碼的范疇。隨著視頻編碼相關(guān)及新興學(xué)科的迅速發(fā)展，新一代數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)不斷誕生并日益成熟，其編碼思想由原來的基于像素和像素塊的編碼方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛趦?nèi)容的編碼方式，通過去除內(nèi)容冗余來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。

2.3 視頻傳輸

在整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，選擇何種介質(zhì)和設(shè)備傳送圖像及其它控制信號(hào)將直接關(guān)系到監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性。目前，在監(jiān)控系統(tǒng)中用來傳輸圖像信號(hào)的介質(zhì)主要有同軸電纜、雙絞線和光纖。同軸電纜具有價(jià)格較便宜，鋪設(shè)較方便的優(yōu)點(diǎn)，但是信號(hào)在同軸電纜內(nèi)傳輸時(shí)受到的衰減與傳輸距離和信號(hào)本身的頻率有關(guān)。一般來講，信號(hào)頻率越高，衰減越大，傳輸圖像的質(zhì)量圖像信號(hào)會(huì)下降，僅應(yīng)用在小范圍的監(jiān)控系統(tǒng)中。雙絞線具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、布線容易、價(jià)格低廉等許多優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)傳輸距離比較遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)的頻率不能太高，否則信號(hào)仍存在很大的衰減。光纖在監(jiān)控領(lǐng)域中的應(yīng)用主要解決傳輸距離和環(huán)境干擾這2個(gè)問題。因?yàn)楣饫w具有傳輸帶寬較寬，容量大，不受電磁干擾，不受外界環(huán)境影響，保密性強(qiáng)，以及傳輸質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，如果需要傳輸數(shù)公里甚至上百公里距離的圖像信號(hào)，或者對(duì)一些超強(qiáng)干擾場(chǎng)所，為了不受環(huán)境干擾影響，需要采用光纖傳輸方式。

在視頻傳輸過程中，要獲得有效的、高質(zhì)量的傳輸視頻流，除了傳輸介質(zhì)外，需要多種技術(shù)的支持，其中包括應(yīng)用層質(zhì)量控制、媒體同步等技術(shù)。

應(yīng)用層質(zhì)量控制技術(shù)的目的是為了保證視頻在傳輸過程中的質(zhì)量，主要包括擁塞和差錯(cuò)控制等，由于 Internet 沒有提供質(zhì)量保證服務(wù)，因此，需要通過應(yīng)用層的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的控制。對(duì)于視頻流擁塞控制的主要方法是速率控制。擁塞控制的目的是減少包的丟失，但是無法避免包的丟失。在這種情況下需要一定的差錯(cuò)控制機(jī)制，差錯(cuò)控制機(jī)制包括：1）FEC，F(xiàn)EC 的目的是通過增加冗余信息，使得包丟失后能夠通過其他包恢復(fù)正確的信息；2）延遲約束的重傳，僅有當(dāng)重傳的時(shí)間小于正常的播放時(shí)間時(shí)，重傳才是有價(jià)值的；3）錯(cuò)誤彈性編碼，在編碼中通過適當(dāng)?shù)目刂剖沟冒l(fā)生數(shù)據(jù)丟失后能夠最大限度的減少對(duì)質(zhì)量的影響；4）錯(cuò)誤的取消，是指當(dāng)錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生后，接受端通過一定的方法盡量削弱對(duì)人的視覺影響。

在某些流媒體應(yīng)用中，視頻流和其它形式的媒體流需要以同步的方式集成到一起，通常有流內(nèi)、流間和對(duì)象間等3種同步控制。 媒體同步機(jī)制的核心是在媒體內(nèi)或者媒體間說明時(shí)間關(guān)系?？紤]到Internet 傳輸?shù)难舆t隨機(jī)性，同步錯(cuò)誤是不可避免的。因此，對(duì)接受方的錯(cuò)誤進(jìn)行補(bǔ)償是必須的。

2.4 視頻分析處理

目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常是將攝像頭的輸出結(jié)果記錄下來，需要人為觀察和分析。在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，獲得決策信息，比如異常目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤，目標(biāo)的識(shí)別和分類，以及對(duì)可疑狀況的診斷和報(bào)警等。

視頻分析主要是應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)視頻圖像進(jìn)行分析處理，關(guān)鍵技術(shù)或難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能在一種開放環(huán)境中，針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)地運(yùn)行，這些目標(biāo)通過靜止攝像機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生大小、角度及光照效果不同的圖像。這就要求系統(tǒng)采用適當(dāng)?shù)膱D像預(yù)處理技術(shù)，以保證圖像特征有效地提取或模板的生成。圖像識(shí)別技術(shù)基本上分為統(tǒng)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)分析2類，前者的特點(diǎn)是穩(wěn)定，但很少利用圖像本身的結(jié)構(gòu)關(guān)系；后者主要是分析圖像的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了圖像的特點(diǎn)，但容易受圖像生成過程中噪聲干擾的影響。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水利信息化中的應(yīng)用

隨著多媒體視頻技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已在水利行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，在水利信息化、現(xiàn)代化中起著至關(guān)重要的作用。

3.1 在防洪減災(zāi)方面的應(yīng)用

由于我國在洪水防范，河堤安全監(jiān)控等方面的信息化水平不高，長(zhǎng)期以來采用的一般的人工監(jiān)測(cè)方式，不僅工作條件非常惡劣，工作量巨大，而且在汛期江水位猛漲的情況下，適時(shí)地監(jiān)測(cè)與分析計(jì)算很難做到。 靠群眾性的抗洪搶險(xiǎn)來維護(hù)汛期的安全，防汛投入很大但效果卻不好，因此實(shí)現(xiàn)水庫、河流、堤防監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化是必然的要求和趨勢(shì)。近年來，國家提出了建設(shè)“數(shù)字水利”的目標(biāo) ，對(duì)大型水庫和河堤進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，防汛抗洪工作逐步從被動(dòng)抗洪向主動(dòng)防汛轉(zhuǎn)變。

在河流、水庫、船閘的重要位置安裝攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控水位，并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)水位，堤防的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)。實(shí)施防汛遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可及時(shí)對(duì)可能或正在發(fā)生的汛情、險(xiǎn)情、災(zāi)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，以便采取相應(yīng)的預(yù)防和補(bǔ)救措施確保水庫安全運(yùn)行，進(jìn)一步提高防汛抗洪決策的有效性和可靠性，對(duì)領(lǐng)導(dǎo)決策和減少洪水災(zāi)害，緩解城市的防洪壓力，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全具有重要作用。

3.2 在水文分析方面的應(yīng)用

水文是水資源開發(fā)利用管理與保護(hù)、防治水害，以及工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理、調(diào)度的依據(jù)。水文站是收集水信息的基本站點(diǎn)，通過水文站對(duì)我國江、河、湖、庫的地表水和地下水的水量及水質(zhì)等進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)時(shí)收集水文水資源數(shù)據(jù)，對(duì)水資源開發(fā)、利用、管理、保護(hù)，實(shí)現(xiàn)水資源的合理調(diào)配，達(dá)到提高水資源的利用率和改善水生態(tài)的目標(biāo)。同時(shí)，還可為防汛防潮指揮調(diào)度提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的決策依據(jù)。長(zhǎng)期以來，都是靠手測(cè)、目測(cè)收集水文信息，直接影響到測(cè)報(bào)的精度和成果質(zhì)量。通過建設(shè)水文站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，利用數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、圖像、視頻等基礎(chǔ)信息，利用圖像分析與處理技術(shù)對(duì)水文進(jìn)行自動(dòng)測(cè)報(bào)，不但可提高精確度，還可以告別傳統(tǒng)的工作方式。

3.3 在水利工程建設(shè)和管理方面的應(yīng)用

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是在水利工程建設(shè)和管理方面也起著重要的作用，主要采集工程現(xiàn)場(chǎng)一些重要出入口等重點(diǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)控圖像，使工程現(xiàn)場(chǎng)的值班人員能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控到整個(gè)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)情況，并能夠?qū)σ曨l圖像進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、控制和實(shí)時(shí)記錄，管理中心可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，并能對(duì)進(jìn)入工地的可疑人員進(jìn)行跟蹤、報(bào)警。

另外，還可以對(duì)水庫水面實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端監(jiān)控，如監(jiān)控水面上是否有漂浮物，如白色垃圾、漂流物、原油，也可以對(duì)水庫水岸實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端監(jiān)控，如監(jiān)控岸上的物體（如人、獸）是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)（如閘門口、大堤），是否有可疑的情況（如有人想要破壞水庫），并根據(jù)情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤分析。

4 結(jié)語

隨著多媒體處理和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，水利信息化與信息技術(shù)的引入和網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)息息相關(guān)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)將更廣泛應(yīng)用于水利工程建設(shè)事業(yè)中，成為水利工程綜合性管理系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，以社會(huì)全方位的支持和配合為基礎(chǔ)，推動(dòng)水利信息化建設(shè)的持續(xù)、快速發(fā)展。

[1] 魏錚.視頻采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003（31）: 136-139.

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