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重點實驗室，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、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、防外力破壞等，所以狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的有效性和經(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)生時可能需要看某個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)編碼視頻圖像時的系統(tǒng)復(fù)雜度，及時有效地傳輸?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］。可分級編碼方式可將視頻編碼為一個基本層和若干個增強(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)具體的情況被截斷或丟棄，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化?？煞旨壱曨l編碼實現(xiàn)了一次編碼［6－7］，產(chǎn)生多個不同分辨率、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態(tài)變化，在帶寬較低時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、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、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)編碼視頻圖像時的系統(tǒng)復(fù)雜度，及時有效地傳輸?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，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現(xiàn)一次編碼，產(chǎn)生多個不同分辨率、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時性和節(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特定位置的高清圖像時，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抽取相應(yīng)的較低分辨率的I幀圖片，以保證監(jiān)測的實時有效性，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)行仿真實驗，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，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將會出現(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編碼方式能夠動態(tài)調(diào)整傳輸視頻的碼流，因此在帶寬較低時仍然能夠正常傳輸較低質(zhì)量的視頻。當(dāng)帶寬充足時，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，大大降低了監(jiān)測系統(tǒng)編碼視頻圖像時的系統(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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