可分級視頻編碼的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備研究

馬興譽(yù)，白俊梅，李 晶

(1.山西省電力公司太原供電公司，山西太原030012;2.西安電子科技大學(xué)ISN重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710071;3.西安英諾視通信息技術(shù)有限公司，陜西西安710071)

輸電線路是電網(wǎng)設(shè)施的重要組成部分［1］。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)在輸電環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)輸電線狀態(tài)運(yùn)行檢修管理、提升輸電線專業(yè)管理精益化水平的重要技術(shù)手段。狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容相對比較多，包括氣象環(huán)境(風(fēng)力、瞬時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對濕度、氣壓、雨量、光輻射及覆冰等其他天氣條件)、桿塔傾斜、桿塔振動(dòng)、絕緣子污穢、絕緣子泄漏電流、導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線舞動(dòng)、防外力破壞等，所以狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性和經(jīng)濟(jì)性也直接影響著電網(wǎng)的運(yùn)營成本和運(yùn)行效率。

在狀態(tài)監(jiān)測中，由于視頻圖像監(jiān)測具有直觀準(zhǔn)確性［2］，其對于快速及時(shí)確定異常情況的種類以及具體位置起著十分關(guān)鍵的作用［3－4］;但是相對于其他數(shù)據(jù)信息其傳輸占用帶寬較多，編碼較復(fù)雜;目前的監(jiān)測系統(tǒng)為節(jié)省功耗以及節(jié)省帶寬并不是任何時(shí)候都傳輸高質(zhì)量高清視頻圖像。采用的方式是平常監(jiān)測中傳輸較低分辨率的監(jiān)控視頻，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)可能需要看某個(gè)具體的位置的清晰圖像，則需要傳輸該部分的高分辨率監(jiān)控圖像?，F(xiàn)有的監(jiān)控視頻和監(jiān)測圖像的編碼方式為:采用2路編碼器，其中1路編碼較低分辨率的監(jiān)控視頻碼流，1路編碼高分辨率的監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的需求傳輸所要查看的監(jiān)控信息;或者只采用1路編碼器編碼監(jiān)控視頻信息，高分辨率圖像信息通過截取視頻流中相應(yīng)的幀進(jìn)行上采樣得到。以上方式中采用2路編碼器，監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜度較大，對高分辨率圖像信息由上采樣得到，圖像質(zhì)量差準(zhǔn)確性低，影響故障監(jiān)測的效率。

本文針對以上存在的問題，為降低監(jiān)測系統(tǒng)編碼視頻圖像時(shí)的系統(tǒng)復(fù)雜度，及時(shí)有效地傳輸?shù)头直媛室曨l和高清圖像，提出一種視頻/圖像一體化狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，對監(jiān)測系統(tǒng)采集的輸電線路監(jiān)控視頻只進(jìn)行一次壓縮編碼就可同時(shí)獲得較低分辨率的視頻流和高分辨率的圖片信息。

1 可分級視頻編碼(SVC)基本原理

H.264/SVC是以H.264為基礎(chǔ)，在語法和工具集上進(jìn)行了擴(kuò)展，支持具有分級特性的碼流［5－6］?？煞旨壘幋a方式可將視頻編碼為一個(gè)基本層和若干個(gè)增強(qiáng)層，基本層包含最低需求的基本數(shù)據(jù)，可以獨(dú)立解碼并重建出具有最低質(zhì)量的圖像;增強(qiáng)層是對基本層信息的補(bǔ)充并依賴于基本層的解碼。接收到的增強(qiáng)層越多，重建圖像的質(zhì)量越高。由于相對于增強(qiáng)層，基本層的重要性更高，因此，可分級視頻編碼對基本層提供更嚴(yán)格的保護(hù)，以保證用戶始終能收到具有基本質(zhì)量的圖像;增強(qiáng)層則使用相對較弱的保護(hù)措施，且允許增強(qiáng)層根據(jù)具體的情況被截?cái)嗷騺G棄，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。可分級視頻編碼實(shí)現(xiàn)了一次編碼［6－7］，產(chǎn)生多個(gè)不同分辨率、幀率和質(zhì)量的視頻序列，可根據(jù)接收到的不同碼流解碼得到不同分辨率、幀率和質(zhì)量的視頻。

設(shè)S和S*分別表示由N幅編碼幀fi(1≤i≤N)構(gòu)成的原始圖像序列和由對應(yīng)的重建幀構(gòu)成的重建圖像序列，則圖像序列S的重建失真σ(S*)可以表示為

式中:MB表示一幀圖像宏塊數(shù);Mi，j表示編碼的宏塊;表示與編碼宏塊對應(yīng)的重建宏塊。

如圖1所示為CREW序列經(jīng)SVC編碼后的碼率和PSNR的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，經(jīng)SVC編碼的視頻碼率可以隨帶寬動(dòng)態(tài)變化，在帶寬較低時(shí)仍可以正常解碼得到較低質(zhì)量的視頻。

圖1 CREW序列經(jīng)SVC編碼的碼率－PSNR曲線

2 視頻/圖像一體化狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備

2.1 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2是輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由狀態(tài)信息采集模塊、視頻監(jiān)控模塊、信息處理及一體化壓縮模塊、智能電源管理模塊以及通信單元模塊組成。智能電源管理模塊控制狀態(tài)信息采集模塊和視頻監(jiān)控模塊采集振動(dòng)、傾角、氣象以及監(jiān)控視頻等監(jiān)測數(shù)據(jù);信息處理及一體化壓縮模塊接收狀態(tài)信息采集模塊和視頻監(jiān)控模塊輸入的信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、特征提取采樣判決等處理，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮打包，通過通信單元模塊發(fā)送出去。

為降低監(jiān)測系統(tǒng)編碼視頻圖像時(shí)的系統(tǒng)復(fù)雜度，及時(shí)有效地傳輸?shù)头直媛室曨l和高清圖像，提高狀態(tài)監(jiān)測的效率，本文在信息處理及一體化壓縮模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮時(shí)，提出一種視頻/圖像一體化狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，對監(jiān)測系統(tǒng)采集的輸電線路監(jiān)控視頻采用可分級視頻編碼(SVC)方式只進(jìn)行一次壓縮編碼就可同時(shí)獲得需要傳回主站監(jiān)控中心的較低分辨率的視頻流和高分辨率的圖片信息。

圖2 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 基本思想

本文提出的視頻/圖像一體化狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備是對監(jiān)測系統(tǒng)采集的輸電線路監(jiān)控視頻采用可分級視頻編碼(SVC)方式進(jìn)行壓縮編碼;可分級視頻編碼可以實(shí)現(xiàn)一次編碼，產(chǎn)生多個(gè)不同分辨率、幀率和質(zhì)量的視頻序列，因此只進(jìn)行一次編碼就可以從復(fù)合碼流中同時(shí)獲得所需的較低分辨率的監(jiān)控視頻和高分辨率的監(jiān)控圖像。

在日常的監(jiān)測維護(hù)管理過程中，監(jiān)測系統(tǒng)只需要提取較低分辨率的監(jiān)控視頻碼流傳回主站監(jiān)控中心，以保證傳輸視頻的實(shí)時(shí)性和節(jié)省帶寬資源節(jié)省功耗，當(dāng)工作人員判斷有特殊異常情況發(fā)生或有特定的需求需要查看某個(gè)特定位置的高清圖像時(shí)，則抽取已編碼的監(jiān)控視頻復(fù)合碼流中的高分辨率、高質(zhì)量的I幀圖片進(jìn)行傳輸。

所抽取高清圖片的質(zhì)量也可根據(jù)當(dāng)前輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)帶寬情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。在傳輸圖像信息之前，首先監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所采用網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，若監(jiān)測到帶寬足夠傳輸所要求查看的高清圖片，則抽取所需要的最高分辨率的圖片進(jìn)行傳輸;若監(jiān)測到帶寬相對較低，則在抽取高清圖片時(shí)抽取相應(yīng)的較低分辨率的I幀圖片，以保證監(jiān)測的實(shí)時(shí)有效性，增加對網(wǎng)絡(luò)帶寬的適應(yīng)性。

3 性能分析

本文采用CREW序列進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對本文提出的視頻/圖像一體化設(shè)備的性能進(jìn)行了分析說明，表1所示為仿真采用的數(shù)據(jù)。

表1 仿真數(shù)據(jù)

本文在仿真時(shí)，采用SVC編碼方式將CREW序列一次編碼生成4CIF，CIF和QCIF等3種不同分辨率的視頻序列，并從4CIF的視頻序列中抽取分辨率為4CIF的1幅高清I幀圖片。采用H.264編碼方式將CREW序列1次編碼為分辨率為CIF的視頻序列，并從CIF視頻序列中抽取1幀CIF圖片進(jìn)行上采樣生成高分辨率的4CIF圖片，與SVC編碼方式進(jìn)行比較。

表2所示為不同帶寬條件下，CREW序列采用2種方法傳輸?shù)男阅堋?/p>

表2 2種編碼方式下的性能分析

由表2可以看出，由于H.264編碼的視頻序列對帶寬波動(dòng)的適應(yīng)性較弱，所以當(dāng)帶寬低于它所編碼的視頻碼率時(shí)將會(huì)出現(xiàn)丟包導(dǎo)致接收端無法正常解碼，因而無法正常傳輸視頻;而SVC編碼方式能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸視頻的碼流，因此在帶寬較低時(shí)仍然能夠正常傳輸較低質(zhì)量的視頻。當(dāng)帶寬充足時(shí)，由于SVC編碼方式能夠從高分辨率的視頻碼流中抽取出高質(zhì)量的I幀圖片，因此圖片的質(zhì)量明顯好于H.264上采樣得到的圖片質(zhì)量。

另一方面，由于本文采用視頻/圖像一體化編碼，在獲得低分辨率視頻和高清圖片的同時(shí)，大大降低了監(jiān)測系統(tǒng)編碼視頻圖像時(shí)的系統(tǒng)復(fù)雜度。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了視頻/圖像一體化狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備的基本思想，對監(jiān)測系統(tǒng)采集的輸電線路監(jiān)控視頻采用可分級視頻編碼(SVC)方式只進(jìn)行一次壓縮編碼就可同時(shí)獲得需要傳回主站監(jiān)控中心的較低分辨率的視頻流和高分辨率的圖片信息。仿真結(jié)果表明，本文提出的視頻/圖像法一體化狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，能夠大大降低監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高輸電線路視頻圖像監(jiān)測的效率。

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