窄带高清视频技术在水利工程远程诊断中的应用

　　摘要:现代信息通讯技术、网络空间技术的发展，为传统工程向智慧工程转型奠定了基础。随着视频技术的迅猛发展，视频技术在各行各业中的应用越来越广泛。大部分水利工程建设工地，面临着网络环境差、布线和传输困难等问题，使得高清视频的实时传输受到了严重制约。以水利工程为对象，在视频技术的基础上，阐述了窄带高清视频技术在工程现场中的应用效果:运用图像逐行扫描、预测编码、运动估计等关键技术，使高清视频编码得以优化，使码流缩小为原来的1/4～1/8。

　　关键词:水利工程;视频传输;窄带技术;远程诊断

　　0引言

　　大型水利水电工程大部分座落于高山峡谷地区，人迹罕至、交通不便，工程建设面临诸多复杂地形地貌问题。险峻的地形不仅使得工程建设面临巨大的安全风险，甚至可能成为工程建设的制约性因素。在工程勘察设计过程中，工程现场出现技术问题往往需要资深专家现场诊断。对于偏远地区来说路途遥远，往返工程现场费时费力，效率低下，此时利用工程远程视频专家诊断显得尤为重要。

　　1背景技术

　　视频监控系统以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于金融系统、交通系统、公安系统、教育系统和医疗系统等众多领域。正常情况下，监控视频1080P(200万像素)的视频格式每路摄像头的比特率为4Mbps，即每路摄像头所需的数据传输带宽为4Mbps。

　　工程勘测设计远程会诊需诊断的内容往往需要非常高的清晰度，在有些情况下需要看清岩石的纹理、破碎的细部特征，这种情况下必须向专家传输1080P超高清质量的实时视频。而在水利水电工程勘察设计阶段，工地建设还未开始，所有配套设施均未配置，网络条件不好，传输1080P质量的视频难度很大。如何通过较低的带宽回传高清的视频信号，解决网络环境差对视频回传的限制成为技术难点。因此需要研发一种工程勘察设计中基于窄带高清视频的专家远程诊断方法，以实现低码流、低带宽、实时稳定传输高清视频。

　　2窄带高清视频技术

　　由于视频远程传输对低带宽的需求，使用窄带高清视频传输技术成为一种选择。窄带高清视频技术基于h.264、H.265编解码，使用视频窄带压缩算法，远程传输压缩可极大降低码流，提高传输效率[1-3]。视频窄带压缩算法原理如下：

　　(1)对视频帧图像进行逐行扫描。图像可以看做是一个二维数组，逐行扫描是指在获取图像的时候从第0行开始，然后第1行……直至最后一行，对图像进行采样。(2)通过扫描将一副图像按照奇偶行分成两部分，偶数行所构成的场为顶场，奇数行构成的场为底场。

　　(3)预测编码。当前图像对前一张图像做“减法”，获得2个图像的“差值”，差值表示为一个二维矩阵，然后使用DCT的方法对矩阵进行变换和压缩，对变换的结果再次进行采样。

　　(4)由于活动图像临近帧中存在一定的相关性，因此将图像分成若干个宏块，并搜索出各宏块在临近图像中的位置。并且得到宏块的相对偏移量，此称为运动矢量。这个得到运动矢量的过程称为运动估计。在帧间预测编码中，由于活动图像临近帧中的景物存在一定的相关性，因此，可以将活动图像分成若干块或宏块，并设法搜索出每个块或宏块在临近帧图像中的位置，并得出两者之间的控件位置相对偏移量。

　　将运动矢量和经过匹配后得到的预测误差共同发送到智慧盒，在智慧盒解码端按照运动矢量指明的位置，从已经解码的临近参考帧图像中找到相应的块或宏块，和预测误差相加后就得到了块或宏块在当前帧中的位置。通过运动估计可以去除帧间的冗余度，使视频传输的比特数大为减少。

　　(5)采用块匹配法对块或宏块进行运动补偿预测编码。一般对于包含多个运动物体的景物，实际中普遍采用的方法是把一个图像帧分成多个块，使得在每个区域中的运动可以很好地用一个参数化模型表征，即将图像分成若干个n×n块(如:16×16宏块)，为每一个块运动矢量进行运动补偿预测编码。

　　(6)帧间编码宏块中的每个块或亚宏块分割区域都是根据参考帧中的同尺寸区域预测得到的，对于它们之间的关系用运动矢量来表示。由于自然物体的连续性，相邻两帧之间的块运动矢量不是以整像素为基本单位的，可能是以1/4或1/8像素等亚像素作为单位的。通过以上步骤，对高清视频进行编码优化，使视频码流为原来的1/4～1/8。使用窄带高清视频技术后，当码流波动出现时，其前端上行带宽、服务器上下行带宽、用户端下行带宽具体情况。

　　3窄带高清视频专家远程诊断方法

　　(1)在工程建设工地中架设移动高清摄像机采集所需视频。(2)对采集的高清视频进行编码优化。采集的视频通过窄带高清视频技术优化处理后与平台进行握手通讯。平台收到通讯要求，对设备合法性进行验证。验证通过后回应窄带高清视频传输设备的握手通讯要求，建立平台与窄带高清视频传输设备之间视频传输通道。

　　(3)将重新编码后的视频通过窄带视频网络进行传输。使用窄带高清视频重新编码优化后，1080P的视频码流优化为100kbps～2Mbps，通过家用宽带或者手机3G网络就能向平台传输流畅、高质量的实时视频。(4)对接收的视频进行解码，将解码后的实时高清视频提供给专家进行会诊。专家对诊断部位多角度、旋转、放大、缩小对现场进行详细的观察结合图纸进行讨论会商。

　　4产生的有益效果

　　(1)在低带宽状态下传回了有效的高清视频，以供专家对工程项目进行远程会诊。(2)对网络带宽要求低，在工程前期附属配套设备不完善的情况下解决了高清视频的回传工作。(3)充分利用了专家资源，无需专家再到场进行诊断，可快速对问题进行诊断，既节省时间，又节约各项费用。

　　5结语

　　水利工程中窄带高清视频技术的应用，很好地解决了传统实施高清视频在窄带宽网络或网络信号弱的环境下无法远程传输的问题，提高了工程中疑难问题解决的时效性，高效保障了工程项目的顺利推进。

　　参考文献：

　　[1]姚翠霞.水利水电工程地质专家远程诊断系统研究[J].中国高新技术企业，2017(1):125-126.

　　[2]康炳迁.工程视频监控系统在水利工程中的应用[J].信息与电脑(理论版)，2015(3):5-6.

　　[3]许建.视频监控技术在水利工程运行管理中的应用[J].水利信息化，2011(增1):60-62.

　　作者：潘金鹤，王伟