摘要:現(xiàn)代信息通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)空間技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)工程向智慧工程轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。隨著視頻技術(shù)的迅猛發(fā)展，視頻技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。大部分水利工程建設(shè)工地，面臨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差、布線和傳輸困難等問題，使得高清視頻的實(shí)時傳輸受到了嚴(yán)重制約。以水利工程為對象，在視頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述了窄帶高清視頻技術(shù)在工程現(xiàn)場中的應(yīng)用效果:運(yùn)用圖像逐行掃描、預(yù)測編碼、運(yùn)動估計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，使高清視頻編碼得以優(yōu)化，使碼流縮小為原來的1/4～1/8。

　　關(guān)鍵詞:水利工程;視頻傳輸;窄帶技術(shù);遠(yuǎn)程診斷

　　0引言

　　大型水利水電工程大部分座落于高山峽谷地區(qū)，人跡罕至、交通不便，工程建設(shè)面臨諸多復(fù)雜地形地貌問題。險(xiǎn)峻的地形不僅使得工程建設(shè)面臨巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能成為工程建設(shè)的制約性因素。在工程勘察設(shè)計(jì)過程中，工程現(xiàn)場出現(xiàn)技術(shù)問題往往需要資深專家現(xiàn)場診斷。對于偏遠(yuǎn)地區(qū)來說路途遙遠(yuǎn)，往返工程現(xiàn)場費(fèi)時費(fèi)力，效率低下，此時利用工程遠(yuǎn)程視頻專家診斷顯得尤為重要。

　　1背景技術(shù)

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應(yīng)用于金融系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、教育系統(tǒng)和醫(yī)療系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。正常情況下，監(jiān)控視頻1080P(200萬像素)的視頻格式每路攝像頭的比特率為4Mbps，即每路攝像頭所需的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為4Mbps。

　　工程勘測設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程會診需診斷的內(nèi)容往往需要非常高的清晰度，在有些情況下需要看清巖石的紋理、破碎的細(xì)部特征，這種情況下必須向?qū)＜覀鬏?080P超高清質(zhì)量的實(shí)時視頻。而在水利水電工程勘察設(shè)計(jì)階段，工地建設(shè)還未開始，所有配套設(shè)施均未配置，網(wǎng)絡(luò)條件不好，傳輸1080P質(zhì)量的視頻難度很大。如何通過較低的帶寬回傳高清的視頻信號，解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差對視頻回傳的限制成為技術(shù)難點(diǎn)。因此需要研發(fā)一種工程勘察設(shè)計(jì)中基于窄帶高清視頻的專家遠(yuǎn)程診斷方法，以實(shí)現(xiàn)低碼流、低帶寬、實(shí)時穩(wěn)定傳輸高清視頻。

　　2窄帶高清視頻技術(shù)

　　由于視頻遠(yuǎn)程傳輸對低帶寬的需求，使用窄帶高清視頻傳輸技術(shù)成為一種選擇。窄帶高清視頻技術(shù)基于h.264、H.265編解碼，使用視頻窄帶壓縮算法，遠(yuǎn)程傳輸壓縮可極大降低碼流，提高傳輸效率[1-3]。視頻窄帶壓縮算法原理如下：

　　(1)對視頻幀圖像進(jìn)行逐行掃描。圖像可以看做是一個二維數(shù)組，逐行掃描是指在獲取圖像的時候從第0行開始，然后第1行……直至最后一行，對圖像進(jìn)行采樣。(2)通過掃描將一副圖像按照奇偶行分成兩部分，偶數(shù)行所構(gòu)成的場為頂場，奇數(shù)行構(gòu)成的場為底場。

　　(3)預(yù)測編碼。當(dāng)前圖像對前一張圖像做“減法”，獲得2個圖像的“差值”，差值表示為一個二維矩陣，然后使用DCT的方法對矩陣進(jìn)行變換和壓縮，對變換的結(jié)果再次進(jìn)行采樣。

　　(4)由于活動圖像臨近幀中存在一定的相關(guān)性，因此將圖像分成若干個宏塊，并搜索出各宏塊在臨近圖像中的位置。并且得到宏塊的相對偏移量，此稱為運(yùn)動矢量。這個得到運(yùn)動矢量的過程稱為運(yùn)動估計(jì)。在幀間預(yù)測編碼中，由于活動圖像臨近幀中的景物存在一定的相關(guān)性，因此，可以將活動圖像分成若干塊或宏塊，并設(shè)法搜索出每個塊或宏塊在臨近幀圖像中的位置，并得出兩者之間的控件位置相對偏移量。

　　將運(yùn)動矢量和經(jīng)過匹配后得到的預(yù)測誤差共同發(fā)送到智慧盒，在智慧盒解碼端按照運(yùn)動矢量指明的位置，從已經(jīng)解碼的臨近參考幀圖像中找到相應(yīng)的塊或宏塊，和預(yù)測誤差相加后就得到了塊或宏塊在當(dāng)前幀中的位置。通過運(yùn)動估計(jì)可以去除幀間的冗余度，使視頻傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)大為減少。

　　(5)采用塊匹配法對塊或宏塊進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測編碼。一般對于包含多個運(yùn)動物體的景物，實(shí)際中普遍采用的方法是把一個圖像幀分成多個塊，使得在每個區(qū)域中的運(yùn)動可以很好地用一個參數(shù)化模型表征，即將圖像分成若干個n×n塊(如:16×16宏塊)，為每一個塊運(yùn)動矢量進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測編碼。

　　(6)幀間編碼宏塊中的每個塊或亞宏塊分割區(qū)域都是根據(jù)參考幀中的同尺寸區(qū)域預(yù)測得到的，對于它們之間的關(guān)系用運(yùn)動矢量來表示。由于自然物體的連續(xù)性，相鄰兩幀之間的塊運(yùn)動矢量不是以整像素為基本單位的，可能是以1/4或1/8像素等亞像素作為單位的。通過以上步驟，對高清視頻進(jìn)行編碼優(yōu)化，使視頻碼流為原來的1/4～1/8。使用窄帶高清視頻技術(shù)后，當(dāng)碼流波動出現(xiàn)時，其前端上行帶寬、服務(wù)器上下行帶寬、用戶端下行帶寬具體情況。

　　3窄帶高清視頻專家遠(yuǎn)程診斷方法

　　(1)在工程建設(shè)工地中架設(shè)移動高清攝像機(jī)采集所需視頻。(2)對采集的高清視頻進(jìn)行編碼優(yōu)化。采集的視頻通過窄帶高清視頻技術(shù)優(yōu)化處理后與平臺進(jìn)行握手通訊。平臺收到通訊要求，對設(shè)備合法性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證通過后回應(yīng)窄帶高清視頻傳輸設(shè)備的握手通訊要求，建立平臺與窄帶高清視頻傳輸設(shè)備之間視頻傳輸通道。

　　(3)將重新編碼后的視頻通過窄帶視頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。使用窄帶高清視頻重新編碼優(yōu)化后，1080P的視頻碼流優(yōu)化為100kbps～2Mbps，通過家用寬帶或者手機(jī)3G網(wǎng)絡(luò)就能向平臺傳輸流暢、高質(zhì)量的實(shí)時視頻。(4)對接收的視頻進(jìn)行解碼，將解碼后的實(shí)時高清視頻提供給專家進(jìn)行會診。專家對診斷部位多角度、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小對現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)的觀察結(jié)合圖紙進(jìn)行討論會商。

　　4產(chǎn)生的有益效果

　　(1)在低帶寬狀態(tài)下傳回了有效的高清視頻，以供專家對工程項(xiàng)目進(jìn)行遠(yuǎn)程會診。(2)對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求低，在工程前期附屬配套設(shè)備不完善的情況下解決了高清視頻的回傳工作。(3)充分利用了專家資源，無需專家再到場進(jìn)行診斷，可快速對問題進(jìn)行診斷，既節(jié)省時間，又節(jié)約各項(xiàng)費(fèi)用。

　　5結(jié)語

　　水利工程中窄帶高清視頻技術(shù)的應(yīng)用，很好地解決了傳統(tǒng)實(shí)施高清視頻在窄帶寬網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)信號弱的環(huán)境下無法遠(yuǎn)程傳輸?shù)膯栴}，提高了工程中疑難問題解決的時效性，高效保障了工程項(xiàng)目的順利推進(jìn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]姚翠霞.水利水電工程地質(zhì)專家遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2017(1):125-126.

　　[2]康炳遷.工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用[J].信息與電腦(理論版)，2015(3):5-6.

　　[3]許建.視頻監(jiān)控技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的應(yīng)用[J].水利信息化，2011(增1):60-62.

　　作者：潘金鶴，王偉