H.264編碼和SHDSL傳輸技術(shù)在井下電視的應(yīng)用*

劉 康,張家田

(西安石油大學(xué) 光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

H.264編碼和SHDSL傳輸技術(shù)在井下電視的應(yīng)用*

劉 康,張家田

(西安石油大學(xué) 光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

井下電視應(yīng)用一直受到傳輸速率的影響,數(shù)字井下電視可以分析并解決井下復(fù)雜狀況問題。采用H.264編碼技術(shù)可以在相同帶寬傳輸更高的圖像質(zhì)量，以及采用單對(duì)線高速數(shù)字用戶線(SHDSL)技術(shù)可以解決井下傳輸距離與速率相矛盾的問題。該傳輸技術(shù)具備自適應(yīng)能力來適應(yīng)同軸鎧甲電纜，對(duì)傳輸介質(zhì)降低了要求且節(jié)省成本。通過以上兩種技術(shù)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(shù)據(jù)傳輸速率。

井下電視;H.264;SHDSL;高清; 實(shí)時(shí)

0 引言

現(xiàn)在油氣田開采開發(fā)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(tài)，開采新的油氣資源難度加大；二是常年處于生產(chǎn)過程的生產(chǎn)井面臨著套管老化、腐蝕及損壞等?，F(xiàn)在多采用多種方法聯(lián)合測(cè)量、準(zhǔn)確定位損壞點(diǎn)，成本和風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很高，缺乏一種直觀、低成本的準(zhǔn)確定位方法來確定損壞點(diǎn)[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(duì)于內(nèi)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(shù)和SHDSL高速傳輸技術(shù)來使高清、實(shí)時(shí)圖像傳輸距離達(dá)到7 km[3]。本系統(tǒng)涉及的兩個(gè)部分及對(duì)應(yīng)的重要技術(shù)為：井下測(cè)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(shù)；傳輸部分主要采用SHDSL高速傳輸技術(shù)。

1 重要技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 H.264編碼壓縮技術(shù)

視頻壓縮工作是通過去冗余圖像數(shù)據(jù)的方法來實(shí)現(xiàn)，其中主要包括壓縮、創(chuàng)建壓縮文件、發(fā)送、解壓縮對(duì)視頻還原、顯示視頻幾個(gè)過程。延時(shí)包括壓縮過程、發(fā)送過程、解壓縮過程和顯示視頻所需時(shí)間過程[4]。延時(shí)與圖像壓縮算法高級(jí)程度成正比。相比H.263技術(shù),基于前后幀參考二元算術(shù)編碼(CABAC)算法的H.264技術(shù)將峰值信噪比(PSNR)提高0.6 db[5]以上，視頻數(shù)據(jù)得到進(jìn)一步壓縮。在H.264編碼技術(shù)中，對(duì)I幀進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮編碼，減少不必要的冗余數(shù)據(jù)。這種方法通過連續(xù)預(yù)測(cè)幀中每一個(gè)宏塊內(nèi)比較小的像素塊，來減少I幀所占數(shù)據(jù)位。這一點(diǎn)可與在新4×4像素塊[6]中其他像素實(shí)現(xiàn)匹配。本算法的優(yōu)勢(shì)是盡可能利用與前幀相似匹配，減少不必要的數(shù)據(jù)編碼，節(jié)省存儲(chǔ)空間。

1.2 SHDSL 傳輸技術(shù)

單對(duì)線高速數(shù)字用戶線(SHDSL)技術(shù)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(shí)際傳送帶寬，比較兩線的SHDSL模式和四線的HDSL，HDSL技術(shù)的傳送帶寬是2 Mb/s，并且是固定不變的；而SHDSL具有自適應(yīng)功能，不同的帶寬隨著線徑變化，隨著傳送速率的不同，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)流傳輸冗余和每秒延遲不超過1.2 ms[7]，這對(duì)于視頻實(shí)時(shí)傳輸非常重要。因此，SHDSL的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)就是傳輸距離改變，帶寬也改變，對(duì)電纜要求降低。

2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

數(shù)字高清井下測(cè)井儀根據(jù)工程需要主要分為3個(gè)部分：地面系統(tǒng)、傳輸電纜、井下系統(tǒng)。地面系統(tǒng)由上位機(jī)和電源供電系統(tǒng)組成，井下系統(tǒng)由CCD高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭組成，傳輸電纜由一對(duì)主從傳輸板和鎧裝電纜線組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井下電視結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)要達(dá)到以下目的：上位機(jī)發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)井下采集圖像的分辨率和碼率，契合傳輸速率與測(cè)井電纜達(dá)到傳輸平衡，實(shí)現(xiàn)井下圖像信號(hào)在地面系統(tǒng)高清實(shí)時(shí)回放。傳輸電路系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 傳輸電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖2中模擬前端撥碼器可以自適應(yīng)平衡傳輸速率，撥碼器共4位，第一位設(shè)置地面系統(tǒng)傳輸電路系統(tǒng)和井下系統(tǒng)傳輸電路系統(tǒng)局端或客戶端即設(shè)置主從關(guān)系，傳輸電路系統(tǒng)綠燈亮表示此為用戶端，則另一端應(yīng)該設(shè)置綠燈滅；后三位設(shè)置速率，最高可達(dá)2.3 Mb/s，具體速率設(shè)置參考如圖3所示，傳輸電路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路壓縮編碼再經(jīng)電纜傳送給地面系統(tǒng)。

圖3 撥碼器圖

圖4 井下設(shè)備連接圖

2.2 電纜傳輸方式選擇

本系統(tǒng)的地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)采用220 V交流電，所以需要把交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電源，地面系統(tǒng)采用AC/DC轉(zhuǎn)換模塊電源為電源提供+12 V電壓，但井下系統(tǒng)需要將220 V交流電經(jīng)過長距離電纜傳輸至井下再用AC/DC轉(zhuǎn)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(tǒng)中采用七芯電纜傳輸信息和通電，當(dāng)采用七芯電纜方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于傳輸距離長達(dá)7 000 m，電纜本身阻抗對(duì)信號(hào)傳輸影響很大，所以采用2、5，3、6并聯(lián)傳輸信號(hào)，1、4供電，如圖5所示。

圖5 七芯電纜連接方式

3 測(cè)試過程及結(jié)果分析

在測(cè)試之前，需要連接硬件，通電等待傳輸板紅燈閃爍結(jié)束變?yōu)榫G燈，證明傳輸板已連接，地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)可以通信。打開上位機(jī)，將本地連接中TCP/IPv4地址改為192.168.0.55，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。完成之后打開地面系統(tǒng)軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攝像頭的IP地址搜索，連接成功后會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)之后會(huì)出現(xiàn)畫面升格或延時(shí)的問題，這時(shí)需要不斷調(diào)試碼流和圖像分辨率直到畫面清晰且實(shí)時(shí)為止，參數(shù)調(diào)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(zhì)平衡調(diào)節(jié)，如果是多攝像頭傳輸數(shù)據(jù)流，可以分別對(duì)不同通道的攝像頭進(jìn)行上述參數(shù)設(shè)置。測(cè)試過程中，在2 Mb/s傳輸速率下，四通道傳輸數(shù)據(jù)流基本不會(huì)出現(xiàn)延時(shí)問題，但更多通道傳輸數(shù)據(jù)需要采用電纜并聯(lián)方式以提高傳輸速率。多通道數(shù)據(jù)傳輸在硬件上需要加上以太網(wǎng)交換機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)分配給每個(gè)網(wǎng)口的傳輸速率相同。

圖7 參數(shù)調(diào)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(cè)試數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸距離的關(guān)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(shì)，在井下6 km深度，直徑為0.6 mm電纜傳輸速率可達(dá)2 Mb/s。平原井深一般不會(huì)超過4 km，采用直徑0.4 mm電纜即可達(dá)到2 Mb/s，節(jié)省大量成本。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r選擇合適的電纜，達(dá)到效率和性價(jià)比最高。

圖8 鏈路速率與傳輸距離關(guān)系

4 結(jié)論

本文介紹了基于H.264編碼技術(shù)和SHDSL傳輸技術(shù)的井下電視的優(yōu)勢(shì)及實(shí)踐中的可行性，通過對(duì)7 000 m以內(nèi)測(cè)井電纜傳輸實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果分析，采用一對(duì)線傳輸速率可達(dá)2 Mb/s，采用兩對(duì)線傳輸速率有望達(dá)到3 Mb/s。

SHDSL傳輸技術(shù)自適應(yīng)電纜傳輸及自動(dòng)匹配、自動(dòng)連接，且符合IEEE802.3/3u/3x和IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，支持橋/路由模式。

根據(jù)MATLAB分析可知在普通電纜狀況下，基于上述兩種技術(shù)的傳輸系統(tǒng)可自動(dòng)適應(yīng)平衡各種電纜要求，以達(dá)到最佳傳輸速率和圖像清晰度，這種圖像壓縮技術(shù)和自適應(yīng)高速傳輸技術(shù)可以使更多井下儀器儀表數(shù)據(jù)通過此技術(shù)傳輸至地面，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)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(diǎn)科研計(jì)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(shù)在井下電視的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)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(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器、信號(hào)與信息處理。