H.264在电力视频监控系统中的应用

李志海，冯宇，朱银

（1.国网电力科学研究院，江苏 南京 211100；2.延安供电局，陕西延安716000；3.江苏省农业科学院，江苏 南京 210014）

随着国民经济的高速发展，各行业对电力的需求量越来越大，对供电部门提供电力供应的质量（稳定性、不间断性及伴随服务）要求也越来越高，因此，远距离输电线路的电网运行安全性显得尤为重要。架空输电线路远程可视监控系[1-3]统目前主要是利用先进的数字视频压缩技术、低功耗技术、3G无线通讯技术、太阳能技术，将现场图像、温度、湿度等环境信息通过3G无线网络传输到监控中心，从而实现对输电线路及环境参数的全天候监测，使管理人员及时了解现场信息，将事故消灭在萌芽状态，有效地减少由于导线覆冰、洪水冲刷、不良地质、火灾、导线舞动、通道树木长高、线路大跨越、导线悬挂异物、线路周围建筑施工、塔材被盗等因素引起的电力事故。在巡视人员不易到达地区，可视监控系统可大大减少巡视次数。前端采集到的输电线路视频主要通过无线进行传输，这对视频压缩算法提出很高的要求。

1 H.264标准基本知识

H.264[4-5]是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像编码专家组）的联合视频组（J oint Video Team,JVT）开发的一个新的数字视频编码标准。H.264采用“回归基本”的简洁设计，获得比H.263好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求；H.264的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP和无线网络的应用。输电视频监控系统一般基于无线传输，多采用wi-fi、2G、3G等技术。无线信道具有延时较大，不稳定，可靠性差，带宽有限等缺点，这也为H.264视频编码技术在输电监控视频系统[6]中的应用提供了便利。

2 输电视频监控系统

输电线路多位于野外，通信条件比较差，目前光纤还不能达到，要进行输电线路视频监控，通信方式一般采用无线传输方式。根据目前通信系统的建设情况和输电视频监控系统要求，一般采用3G[7]方式通信。

2.1 系统结构

基于H.264的无线监控系统[8]由视频采集端、3G视频服务器、服务器、客户端等几个部分组成，可实现视频实时浏览、云台控制、录像回放等功能，客户端支撑C/S和B/S 2种方式访问。结构如图1所示。

图1 无线视频监控系统结构

前端摄像头采集视频图像之后,通过3G无线视频服务器进行数模转换、压缩编码，并将视频数据通过3G传输方式接入Internet，最终实现视频在主站服务器汇集。

系统可实现视频采集、处理、存储，视频实时浏览、控制、录像，系统管理维护等功能。客户端具有两类权限：一类是仅能接受服务端发送的视频数据，并播放或存储在本机的硬盘浏览的普通客户；另一类是不仅能接受视频数据，还可根据不同情况对服务器的码率、云台控制等参数进行修改设置的高级用户。

2.2 系统软件结构及功能

系统软件结构如图2所示。

图2 系统软件结构

系统软件主要分为2个部分：1）服务程序；2）客户端程序。服务程序部署在服务器上，主要完成前端设备的地址配置、云台控制、码率选择、视频采集、视频转发、视频压缩、视频存储、控制命令生成、用户管理、系统管理维护等。系统软件由客户端程序和服务程序组成，服务程序部署在服务器上，服务程序由管理模块、Web服务模块、录像服务模块组成[9]。主要功能如下。

1）管理模块。①系统前端设备管理。前端设备管理包括码率设置、设备地址管理等。②用户信息及权限管理。管理用户信息，对用户权限进行管理。③系统网络及性能管理。对系统的各服务模块进行性能统计和分析，当性能接近服务器满负荷时启动负载方案；对网络流量进行实时监控，当流量接近网络满负荷时，对于新申请视频请求，视其权限优先级进行权限仲裁。

2）云镜控制。云台控制包括云台的上、下、左、右转动，轮巡设置以及调用，预置位的设置及调用，云台转动的步长设置；同时支持雨刮、辅助灯光开关等设备的控制。镜头控制包括变倍、调焦、光圈控制。

3）Web服务。系统对外提供Web服务，通过Web方式访问系统，进行相关视频浏览、云台控制等操作。

3 H.264在输电视频监控系统中应用研究

本系统的视频利用3G方式进行传输[10]，3G网络的信道特性决定必须采用高效编码算法,才能保证视频信号的稳定传输。以下将从H.264标准中的SP帧技术和分层编码技术以及它的高压缩率等几个方面，分别阐述H.264的应用优势。

3.1 极高的压缩效率

在视频监控系统中，压缩效率是一个重要的指标。在技术上，H.264标准中有多个闪光之处，如统一的VLC[11]符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于4×4块的整数变换[12]、分层的编码语法等。这些措施使得H.264算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比H.263节约50%左右的码率[13]。H.264的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP和无线网络的应用。

3.2 SP帧技术

在输电视频监控中，视频点播和实时视频传输等流媒体服务应用最为广泛，而这些服务对视频流的带宽自适应性提出了较高的要求。H.264标准中的SP帧[14]技术正是迎合这种新要求而提出来的。在远程输电视频监控系统中，客户端的可用带宽是不断变化的，这就需要服务器端的视频流有带宽自适应功能。SP（S witching P icture）帧编码跟以往的P帧一样，也是基于帧间预测的运动补偿预测编码[15]，但它能够在使用不同的参考帧的情况下重构相同的图像帧。利用这一特性，可以实现码流的随机切换，增加码流的带宽自适应性。下面详细介绍SP帧编码是怎样实现这一功能的，实现过程如图3所示。

图3 用SP帧进行流间切换

在对视频信号进行压缩处理时，设置多组不同的信源编码参数对同一视频序列分别进行压缩，从而生成适应不同带宽，具有不同质量的多个相互独立的码流。这样，视频服务器就可以在不同的码流间切换，以适应网络有效带宽的不断变化。

设{P1,N-1；S1,N；P1,N+1}和{P2,N-1；S2,N；P2,N+1}分别是对同一段视频序列采用了不同的信源编码参数压缩得到的2个码流。由于压缩参数不同，2个码流中同一时刻的帧，例如P1,N-1和P2,N-1是不完全一样的。假设服务器开始时发送比特流1，到时刻N开始发送比特流2，此时解码器收到的序列为{P2,N-2；P2,N-1；S2,N；P2,N+1；P2,N+2}，在这种情况下，由于收到的S2,N所使用的参考帖是P2,N-1而不是P1,N-1，所以S2,N帧就不能很好地解码。为了解决这个问题，SP帧编码技术在切换点放置SP帧，它们将作为下一个帧的参考帧。每个SP帧还会产生一个基于本身的辅SP帧，并且主SP帧与辅SP帧有相同的重建预测值。图中,S12,N是S2,N的辅帧，在从码流1向码流2切换时发送。S2,N的参考帧来自码流2，而S12,N的参考帧来自码流1。由于辅帧的特殊性,它们的重建预测值是相同的，所以这种流间切换不会增加传输带宽。在带宽有限的情况下，用SP帧编码能有效地实现码流的随机切换，增加码流的带宽自适应性。

3.3 分层编码技术

由于网络技术的高速发展，目前输电视频监控系统使用基于无线网络的传输方式。H.264中分层编码技术正好可以极大地适应这一环境。H.264的算法在概念上可以分为2层：视频编码层[5]（VCL）和网络提取层[16]（NAL）。VCL和NAL分层编码设计的目标就是使H.264标准对各种协议有广泛的适应性，并在一定的网络特性条件下实现最优压缩性能，从而使其有更广泛的应用空间。H.264标准中引入的网络提取层，其码流结构对网络的适应性更强，增加了差错恢复能力，能够很好适应IP和无线网络的应用，有效缓解了由于视频数据占用带宽而导致其他需要传输的信息不能及时有效传达带来的压力。

4 应用实例

基于H.264的输电视频监控系统在部分地区已建成并投入使用，系统结构如图4所示。

图4 输电视频监控系统结构图

系统由前端子系统和主站系统组成，视频通过前端设备采集，进行压缩编码后通过3G方式传输至监控主站系统。视频监控主站系统主要由管理服务器、W eb服务器、录像服务器组成。本视频监控系统能够提供C/S和B/S 2种方式访问系统，能够实现视频的浏览、云台控制、设备和用户管理、录像回放功能。系统提供有线和无线2种终端访问方式，无线终端主要通过3G访问系统。

系统组网方式见图5，前端子系统由摄像头和无线视频服务器组成，监控中心主要由输电视频监控主站系统和监控终端组成，前端子系统主要通过太阳能方式供电，采用3G宽带接入Internet，数量可根据需求增加，监控中心主站服务器通过有线/光纤接入Internet，系统可实现CIF@25F实时视频监控。由于3G信道具有信道资源有限、误码率高等特点。本系统采用H.264进行视频编码，H.264具有极高的压缩效率和优秀的网络适应性[17],能够满足3G信道特性。实践证明，采用H.264编码方式能够满足视频实时监控的需求，为输电线路安全运行提供可靠的保障。

图5 系统组网方式

5 结语

通过对H.264在输电视频监控系统中应用的研究和案例可以看出，利用先进的网络技术和视频编解码技术对远程输电线路进行监控,可以全面提升管理水平，保证输电线路的安全运行和效益的充分发挥，减少人工维护的成本。随着H.264在现实应用中进一步扩大，其优化算法也会层出不穷，该技术的应用水平也会不断提升，必将对输电线路安全运行和状态监控的管理做出更大的贡献。

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