浅谈H.264在闸坝远程视频监控系统中的应用
- 作者:admin 来源:网络 日期:2009-4-2 10:39:51
- 摘要：本文的研究目标是H.264在远程闸坝视频监控系统中的应用。针对视频压缩效率和视频传输的实时性之间的矛盾以及目前出现的工程管理中对视频效果要求的提高，文章根据H.264编码算法的压缩率高、网络适应性强等特点，研究了H.264在远程闸坝视频监控系统中应用的必要性和可行性，分析了其在视频监控系统中的优势。
关键词：H.264；监控；网络技术
前言
沂沭泗水利管理局直管工程位于山东、江苏境内，主要包括：大型湖泊两座，河道956.0公里，堤防1696.3公里（其中1级堤防405.1公里，2级堤防890.2公里），控制性水闸25座（其中大型12座、中型5座），穿堤小型水闸823座，中型泵站1座。多年以来，直属水管单位在防洪减灾、统一调度水资源、协调解决边界水事矛盾等方面做了大量工作，为该地区的国民经济发展，发挥了重要作用。但是，随着市场经济体制的建立和传统水利向现代水利、可持续发展水利的转变，直管水利工程管理与新形势要求之间诸多不适应之处逐渐表现出来，其中人力资源问题就是制约水管单位发展的主要因素之一，管理人员在数量上远不能满足工程日常管理和单位发展的需要，导致管理人员超负荷工作，不利于水管单位的健康发展。
随着现代通信技术与测试测量技术的发展，“数字水利”的时代已经到来。采用基于H.264视频编码技术的数字视频处理、IP通信、光纤通信和微波通信等先进技术的远程闸坝监控系统，可以实时观测河道、水库的各种变化及闸坝的运行情况，为领导决策提供直观的图像信息，同时可以改善观测、测量工作人员的工作环境，减少工作人员，做到无人值守、少人值班，从而在一定程度上消除管理人员缺少对工程管理正常开展产生的不利影响。
1H.264视频编码标准基本知识
H.264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（JVT：jointvideoteam）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。沂沭泗闸坝远程监控系统是一套基于TCP/IP计算机网络的应用系统，闸坝远程监控系统也必须根据沂沭泗计算机广域网的特点进行系统的组织和架构。由基层闸坝管理局到直属局一般都使用无线扩频通信，延时较大，性能不稳定，可靠性差，种种现实条件也为H.264视频编码技术在沂沭泗流域的远程闸坝监控视频服务系统中的应用提供了便利。
２ 视频监控系统
沂沭泗局闸坝远程监控系统需要对闸坝运行状况和环境进行远程监视，并即时发布实况视频信息，实现水资源一体化调度和网络化管理，提供现代化的远程监控手段，是一个具有多级应用、多级控制，既要分布应用又要集中管理，既要满足日常监控需要又要能在紧急情况下实现统一调度的控制服务系统。
2.1系统物理结构
基于H.264的网络监控系统是一个基于客户机/服务器（C/S）模型的系统，由视频采集端、视频服务器、网络客户端等几个部分组成，可实现视频检测报警、视频传输和存储、检索回放等功能。沂沭泗局闸坝监控系统主要以100M以太局域网为核心，包括视频服务器、客户PC机和一些附属设备，云台、摄像头、报警器等则通过RS485总线相连，视频服务器对视频采集端提供的监控视频资源进行处理，同时，客户端经过身份验证，可以访问监控管理服务器，点播监控视频资源等。
2.2系统功能模型
1)现场监控主机功能模型
现场监控主机又可以叫做视频服务器，它的系统功能可分为：视频采集、处理、存储，视频监视功能，控制功能，录像功能，系统管理维护功能等。
2)中心监控主机功能模型
中心监控主机又叫客户机，按它具有的权限分为两类：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。
2.3系统软件结构设计
整个视频服务系统是一个网络分布式系统，网络中分布的节点有：监视终端，视频服务器。大部分服务功能是通过网络中多个节点协同完成的。
视频监视终端按它所具有的权限可分为两类：一类是仅能接受服务器端发送的数据，并播放或存储在本机硬盘的普通客户；另一类是不仅能接受视频数据，还可根据不同情况对镜头、云台等进行控制和操作的高级用户，其中的软件实体主要有：用户登录、站点选择、视频回放、用户控制操作、录像等。
视频服务器部分是整个系统的核心部分，主要实现服务器端的视频采集和实时显示、视频数据的压缩、视频数据的存储、网络传输以及对云台和摄像头的控制、用户管理等功能。其中的软件实体主要有：连接控制、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。
3H.264在远程闸坝监控系统中的应用研究
下面我们将从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在沂沭泗局视频监控中的应用优势。
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、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，能够提供更高的压缩率。
3.2SP帧技术
在水利工程远程闸坝监控中，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帧技术正是迎合这种新要求而提出来的。在远程闸坝监控系统中，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（switchingpicture）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，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，我们可以实现码流的随机切换功能，增加码流的带宽自适应性。
下面我们详细介绍一下SP帧编码是怎样实现这一功能的，实现过程如图1所示。
图1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；P1，N；P1，N+1}和{P2，N-1；P2，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两个码流。由于压缩参数不同，两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{P1，N-2；P1，N-1；P2，N；P2，N+1；P2，N+2}，在这种情况下，由于收到的P2，N所使用的参考帖是P2，N-1而不是P1，N-1，所以P2，N帧就不能很好的解码。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，并且主辅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帧编码能有效的实现码流的随机切换，增加码流的带宽自适应性。http://www.dxlww.net代写论文网
4分层编码技术
由于网络技术的高速发展，目前沂沭泗局的视频监控系统趋向于基于网络或基于无线网络。H.264中分层编码技术正好可以极大的适应这一环境。H.264的算法在概念上可以分为两层：视频编码层（VCL）和网络提取层（NAL）。VCL和NAL分层编码设计的目标就是使H.264标准对各种协议有理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，能够很好的适应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它防汛、办公信息不能及时有效传达带来的压力。
5结束语
通过以上对H.264标准在远程闸坝监控系统中的应用可以看出，利用先进的网络技术和视频编解码技术对远程闸坝进行监控可以全面提升管理水平，保证直管工程的安全运行和效益的充分发挥。我们相信，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，必将会对沂沭泗局直管水利工程的管理做出更大的贡献。
参考文献
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