可分级视频编码的输电线路状态监测设备研究

马兴誉，白俊梅，李 晶

(1.山西省电力公司太原供电公司，山西太原030012;2.西安电子科技大学ISN重点实验室，陕西西安710071;3.西安英诺视通信息技术有限公司，陕西西安710071)

输电线路是电网设施的重要组成部分［1］。输电线路状态监测系统是智能电网建设在输电环节的重要内容，是实现输电线状态运行检修管理、提升输电线专业管理精益化水平的重要技术手段。状态监测的内容相对比较多，包括气象环境(风力、瞬时风速、风向、温度、相对湿度、气压、雨量、光辐射及覆冰等其他天气条件)、杆塔倾斜、杆塔振动、绝缘子污秽、绝缘子泄漏电流、导线弧垂、导线温度、导线舞动、防外力破坏等，所以状态监测系统设计的有效性和经济性也直接影响着电网的运营成本和运行效率。

在状态监测中，由于视频图像监测具有直观准确性［2］，其对于快速及时确定异常情况的种类以及具体位置起着十分关键的作用［3－4］;但是相对于其他数据信息其传输占用带宽较多，编码较复杂;目前的监测系统为节省功耗以及节省带宽并不是任何时候都传输高质量高清视频图像。采用的方式是平常监测中传输较低分辨率的监控视频，当有异常情况发生时可能需要看某个具体的位置的清晰图像，则需要传输该部分的高分辨率监控图像。现有的监控视频和监测图像的编码方式为:采用2路编码器，其中1路编码较低分辨率的监控视频码流，1路编码高分辨率的监控图像数据，根据具体的需求传输所要查看的监控信息;或者只采用1路编码器编码监控视频信息，高分辨率图像信息通过截取视频流中相应的帧进行上采样得到。以上方式中采用2路编码器，监测系统的复杂度较大，对高分辨率图像信息由上采样得到，图像质量差准确性低，影响故障监测的效率。

本文针对以上存在的问题，为降低监测系统编码视频图像时的系统复杂度，及时有效地传输低分辨率视频和高清图像，提出一种视频/图像一体化状态监测设备，对监测系统采集的输电线路监控视频只进行一次压缩编码就可同时获得较低分辨率的视频流和高分辨率的图片信息。

1 可分级视频编码(SVC)基本原理

H.264/SVC是以H.264为基础，在语法和工具集上进行了扩展，支持具有分级特性的码流［5－6］。可分级编码方式可将视频编码为一个基本层和若干个增强层，基本层包含最低需求的基本数据，可以独立解码并重建出具有最低质量的图像;增强层是对基本层信息的补充并依赖于基本层的解码。接收到的增强层越多，重建图像的质量越高。由于相对于增强层，基本层的重要性更高，因此，可分级视频编码对基本层提供更严格的保护，以保证用户始终能收到具有基本质量的图像;增强层则使用相对较弱的保护措施，且允许增强层根据具体的情况被截断或丢弃，以适应网络的变化。可分级视频编码实现了一次编码［6－7］，产生多个不同分辨率、帧率和质量的视频序列，可根据接收到的不同码流解码得到不同分辨率、帧率和质量的视频。

设S和S*分别表示由N幅编码帧fi(1≤i≤N)构成的原始图像序列和由对应的重建帧构成的重建图像序列，则图像序列S的重建失真σ(S*)可以表示为

式中:MB表示一帧图像宏块数;Mi，j表示编码的宏块;表示与编码宏块对应的重建宏块。

如图1所示为CREW序列经SVC编码后的码率和PSNR的关系曲线，从图中可以看出，经SVC编码的视频码率可以随带宽动态变化，在带宽较低时仍可以正常解码得到较低质量的视频。

图1 CREW序列经SVC编码的码率－PSNR曲线

2 视频/图像一体化状态监测设备

2.1 输电线路状态监测系统结构

图2是输电线路状态监测系统的结构框图，由状态信息采集模块、视频监控模块、信息处理及一体化压缩模块、智能电源管理模块以及通信单元模块组成。智能电源管理模块控制状态信息采集模块和视频监控模块采集振动、倾角、气象以及监控视频等监测数据;信息处理及一体化压缩模块接收状态信息采集模块和视频监控模块输入的信息并进行统计、分析、特征提取采样判决等处理，并将需要发送的数据进行压缩打包，通过通信单元模块发送出去。

为降低监测系统编码视频图像时的系统复杂度，及时有效地传输低分辨率视频和高清图像，提高状态监测的效率，本文在信息处理及一体化压缩模块进行数据压缩时，提出一种视频/图像一体化状态监测设备，对监测系统采集的输电线路监控视频采用可分级视频编码(SVC)方式只进行一次压缩编码就可同时获得需要传回主站监控中心的较低分辨率的视频流和高分辨率的图片信息。

图2 输电线路状态监测系统结构框图

2.2 基本思想

本文提出的视频/图像一体化状态监测设备是对监测系统采集的输电线路监控视频采用可分级视频编码(SVC)方式进行压缩编码;可分级视频编码可以实现一次编码，产生多个不同分辨率、帧率和质量的视频序列，因此只进行一次编码就可以从复合码流中同时获得所需的较低分辨率的监控视频和高分辨率的监控图像。

在日常的监测维护管理过程中，监测系统只需要提取较低分辨率的监控视频码流传回主站监控中心，以保证传输视频的实时性和节省带宽资源节省功耗，当工作人员判断有特殊异常情况发生或有特定的需求需要查看某个特定位置的高清图像时，则抽取已编码的监控视频复合码流中的高分辨率、高质量的I帧图片进行传输。

所抽取高清图片的质量也可根据当前输电线路状态监测系统所采用的网络带宽情况动态调整。在传输图像信息之前，首先监测状态监测系统所采用网络的可用带宽，若监测到带宽足够传输所要求查看的高清图片，则抽取所需要的最高分辨率的图片进行传输;若监测到带宽相对较低，则在抽取高清图片时抽取相应的较低分辨率的I帧图片，以保证监测的实时有效性，增加对网络带宽的适应性。

3 性能分析

本文采用CREW序列进行仿真实验，对本文提出的视频/图像一体化设备的性能进行了分析说明，表1所示为仿真采用的数据。

表1 仿真数据

本文在仿真时，采用SVC编码方式将CREW序列一次编码生成4CIF，CIF和QCIF等3种不同分辨率的视频序列，并从4CIF的视频序列中抽取分辨率为4CIF的1幅高清I帧图片。采用H.264编码方式将CREW序列1次编码为分辨率为CIF的视频序列，并从CIF视频序列中抽取1帧CIF图片进行上采样生成高分辨率的4CIF图片，与SVC编码方式进行比较。

表2所示为不同带宽条件下，CREW序列采用2种方法传输的性能。

表2 2种编码方式下的性能分析

由表2可以看出，由于H.264编码的视频序列对带宽波动的适应性较弱，所以当带宽低于它所编码的视频码率时将会出现丢包导致接收端无法正常解码，因而无法正常传输视频;而SVC编码方式能够动态调整传输视频的码流，因此在带宽较低时仍然能够正常传输较低质量的视频。当带宽充足时，由于SVC编码方式能够从高分辨率的视频码流中抽取出高质量的I帧图片，因此图片的质量明显好于H.264上采样得到的图片质量。

另一方面，由于本文采用视频/图像一体化编码，在获得低分辨率视频和高清图片的同时，大大降低了监测系统编码视频图像时的系统复杂度。

4 总结

本文详细介绍了视频/图像一体化状态监测设备的基本思想，对监测系统采集的输电线路监控视频采用可分级视频编码(SVC)方式只进行一次压缩编码就可同时获得需要传回主站监控中心的较低分辨率的视频流和高分辨率的图片信息。仿真结果表明，本文提出的视频/图像法一体化状态监测设备，能够大大降低监测系统的复杂度，提高输电线路视频图像监测的效率。

［1］史高治.浅谈输电线路视频监控系统的应用［J］.广东科技，2012，21(9):34－35.

［2］沈科炬，岑宏旗.输电线路视频监控系统的功能和应用［J］.科技创新导报，2012(1):87－89.

［3］李海江，施翔，饶卫申.基于3G网络的高清视频监控系统在输电线路监控的应用［J］.北京电力高等专科学校学报，2012，29(2):133.

［4］杨国宇，杨泽清.架空输电线路智能视频监控研究与分析［J］.科技创新导报，2009(28):1－2.

［5］苏曙光.基于H.264扩展架构的可伸缩视频编码关键技术研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［6］ SCHWARZ H，MARPE D，WIEGAND T.Overview of the scalablevideo coding extension of the H.264/AVC standard［J］.IEEE Trans.Oil Circuits and Systems for Video Technology，2007，17(9):1103－1120.

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