摘要:現代信息通訊技術、網絡空間技術的發展，為傳統工程向智慧工程轉型奠定了基礎。隨著視頻技術的迅猛發展，視頻技術在各行各業中的應用越來越廣泛。大部分水利工程建設工地，面臨著網絡環境差、布線和傳輸困難等問題，使得高清視頻的實時傳輸受到了嚴重制約。以水利工程為對象，在視頻技術的基礎上，闡述了窄帶高清視頻技術在工程現場中的應用效果:運用圖像逐行掃描、預測編碼、運動估計等關鍵技術，使高清視頻編碼得以優化，使碼流縮小為原來的1/4～1/8。

　　關鍵詞:水利工程;視頻傳輸;窄帶技術;遠程診斷

　　0引言

　　大型水利水電工程大部分座落于高山峽谷地區，人跡罕至、交通不便，工程建設面臨諸多復雜地形地貌問題。險峻的地形不僅使得工程建設面臨巨大的安全風險，甚至可能成為工程建設的制約性因素。在工程勘察設計過程中，工程現場出現技術問題往往需要資深專家現場診斷。對于偏遠地區來說路途遙遠，往返工程現場費時費力，效率低下，此時利用工程遠程視頻專家診斷顯得尤為重要。

　　1背景技術

　　視頻監控系統以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛應用于金融系統、交通系統、公安系統、教育系統和醫療系統等眾多領域。正常情況下，監控視頻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據傳輸帶寬為4Mbps。

　　工程勘測設計遠程會診需診斷的內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、破碎的細部特征，這種情況下必須向專家傳輸1080P超高清質量的實時視頻。而在水利水電工程勘察設計階段，工地建設還未開始，所有配套設施均未配置，網絡條件不好，傳輸1080P質量的視頻難度很大。如何通過較低的帶寬回傳高清的視頻信號，解決網絡環境差對視頻回傳的限制成為技術難點。因此需要研發一種工程勘察設計中基于窄帶高清視頻的專家遠程診斷方法，以實現低碼流、低帶寬、實時穩定傳輸高清視頻。

　　2窄帶高清視頻技術

　　由于視頻遠程傳輸對低帶寬的需求，使用窄帶高清視頻傳輸技術成為一種選擇。窄帶高清視頻技術基于h.264、H.265編解碼，使用視頻窄帶壓縮算法，遠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)對視頻幀圖像進行逐行掃描。圖像可以看做是一個二維數組，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，偶數行所構成的場為頂場，奇數行構成的場為底場。

　　(3)預測編碼。當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的方法對矩陣進行變換和壓縮，對變換的結果再次進行采樣。

　　(4)由于活動圖像臨近幀中存在一定的相關性，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，此稱為運動矢量。這個得到運動矢量的過程稱為運動估計。在幀間預測編碼中，由于活動圖像臨近幀中的景物存在一定的相關性，因此，可以將活動圖像分成若干塊或宏塊，并設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。

　　將運動矢量和經過匹配后得到的預測誤差共同發送到智慧盒，在智慧盒解碼端按照運動矢量指明的位置，從已經解碼的臨近參考幀圖像中找到相應的塊或宏塊，和預測誤差相加后就得到了塊或宏塊在當前幀中的位置。通過運動估計可以去除幀間的冗余度，使視頻傳輸的比特數大為減少。

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

　　(6)幀間編碼宏塊中的每個塊或亞宏塊分割區域都是根據參考幀中的同尺寸區域預測得到的，對于它們之間的關系用運動矢量來表示。由于自然物體的連續性，相鄰兩幀之間的塊運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，對高清視頻進行編碼優化，使視頻碼流為原來的1/4～1/8。使用窄帶高清視頻技術后，當碼流波動出現時，其前端上行帶寬、服務器上下行帶寬、用戶端下行帶寬具體情況。

　　3窄帶高清視頻專家遠程診斷方法

　　(1)在工程建設工地中架設移動高清攝像機采集所需視頻。(2)對采集的高清視頻進行編碼優化。采集的視頻通過窄帶高清視頻技術優化處理后與平臺進行握手通訊。平臺收到通訊要求，對設備合法性進行驗證。驗證通過后回應窄帶高清視頻傳輸設備的握手通訊要求，建立平臺與窄帶高清視頻傳輸設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絡進行傳輸。使用窄帶高清視頻重新編碼優化后，1080P的視頻碼流優化為100kbps～2Mbps，通過家用寬帶或者手機3G網絡就能向平臺傳輸流暢、高質量的實時視頻。(4)對接收的視頻進行解碼，將解碼后的實時高清視頻提供給專家進行會診。專家對診斷部位多角度、旋轉、放大、縮小對現場進行詳細的觀察結合圖紙進行討論會商。

　　4產生的有益效果

　　(1)在低帶寬狀態下傳回了有效的高清視頻，以供專家對工程項目進行遠程會診。(2)對網絡帶寬要求低，在工程前期附屬配套設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，無需專家再到場進行診斷，可快速對問題進行診斷，既節省時間，又節約各項費用。

　　5結語

　　水利工程中窄帶高清視頻技術的應用，很好地解決了傳統實施高清視頻在窄帶寬網絡或網絡信號弱的環境下無法遠程傳輸的問題，提高了工程中疑難問題解決的時效性，高效保障了工程項目的順利推進。

　　參考文獻：

　　[1]姚翠霞.水利水電工程地質專家遠程診斷系統研究[J].中國高新技術企業，2017(1):125-126.

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

　　[3]許建.視頻監控技術在水利工程運行管理中的應用[J].水利信息化，2011(增1):60-62.

　　作者：潘金鶴，王偉