维普资讯 http://www.cqvip.com 本栏目责任编辑：唐一东 ・・・・・・多媒体技术及其应用・ 视频监控技术在水利信息化中的应用 程广平 （西安建筑科技大学，陕西西安７ｌ００５５） 摘要：水利信息化是实现水利现代化的重要手段，视频监控技术在水利信息化建设中发挥着重要的作用。本文首先研究了视频监控 中的视频数据采集、编码、传输，以及分析技术，然后阐述了视频监控在水利中的应用。 关键词：视频监控；数据采集；视频编码；视频分析；水利工程 中图分类号：ＴＮ９９。８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３０４４（２００８）１０—２０１４３－０２ Ｖｉｄｅｏ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ ＣＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇ——ｐｉｎｇ （ｘｉ ａｎ Ｕｍｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂ￣ｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｖｉｄｅｏ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ，ｄａｔａ ｃｏｄｅ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｅ ｒｅｓｅａｃｈｅｄ ｉｒｆｓｔｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｗｈｉｃｈ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎ— ，ｓｅｒｖａｎｃｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ；ｖｉｄｅｏ ｃｏｄｅ；ｖｉｄｅｏ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １前言 随着国民经济的迅猛发展，水利工程在国民经济中所起的作用越来越大，水利信息化是实现水利现代化的重要手段，目前，国 家提出了建设“数字水利”的目标。在水利工程建设中，视频监控系统也正逐渐成为其综合业务管理系统的一部分．并发挥着重要作 用。视频监控解决了水库或闸站等关键设备运行的可视化及环境监控问题，为实现水库闸站、泵站及变电站、配电所等的“无人值 班，无人或少人值守”提供了可靠的保证，对提高生产运行的安全性和可靠性，提高水利企业的管理水平有着重要的促进作用。视频 监控系统能将被监控现场的实时图像和数据等信息通过网络准确、清晰、快速地传送到监控中心：监控中心通过视频监控系统．能 够实时、直接地了解和掌握各个被监控现场的当前实际情况，监控中心值班人员能够直接根据被监控现场发生的情况做出相应的 反应和处理，更加及时地管理水利闸站、变电所的运行情况及水库、大坝、闸站等周围的现场情况。 ２视频监控系统概述 ２．１视频监控系统的分类 视频监控系统根据整体的实现方式可分为模拟式视频监控系统和数字式视频监控系统。模拟式视频监控系统前端通过摄像机 采集模拟视频信号，使用电视机作为监视设备，利用手动操作杆对摄像机、云台等操作控制；数字式视频监控系统前端通过摄像机采 集到模拟视频信号经专用数字编码设备（如视频采集卡）进行量化压缩编码处理，然后通过计算机网络传输。在网路上的计算机工作 前，使用较多的是数字是视频监控系统，它具有技术先进、组网灵活、操控简便、监视方便准确、图像抓拍打印、可分层次管理、可靠性 高、可进行远程访问和监控等优点。本文主要讲述的监控系统均为数字式视频监控系统，因此下文均将其简称为视频监控系统。 ２．２视频监控系统的构成 从系统的结构上讲，视频监控系统由前端设备、传输设备、控制设备、显示和记录设备四大部分组成。 前端设备由安装在监控现场（如闸站及水库库区等）的高分辨率彩色摄像机、变焦镜头、全方位云台、解码器、室外及室内专业防 护设备等组成，它负责图像和数据的采集及信号处理；传输设备根据传输距离和图像质量的要求可选用不同的线缆、接Ｉ＝１设备，负责 将视频信号和数据信号传输到所需的地点。同时数据和视频信号也可经过压缩处理通过数字数据网ｆＤＤＮ１、以太网、局间数字中继 ｆＤＴ）、语音专线（采用ＭＯＤＥＮ）、综合业务数字网（ＩＳＤＮ）等多种传输方式传输到所需的地点；控制设备负责完成前端设备和图像切换 的控制、全方位云台和三可变镜头的控制、系统可分取控制和分组同步控制、以及图像检索与处理等诸多功能：显示和记录设备可根 据不同的图像显示要求，选择不同的图像显示设备，有监视器、显示器、投影仪、大屏幕、录像机（长延时）、数字硬盘录像机等。 ３视频监控技术 ３。１视频采集 视频采集主要是以一定频率不断地对原始图像数据进行采集，并将模拟视频信号转换为数字视频信号。 根据监控点的具体情况，在各监控点安装相应的监控摄像机（彩色或黑白、固定或活动云台、定焦或变焦）和软件系统。在每个 监控点可以安装一个或数个监控摄像机，外围再各配备一台云台、防护罩及云台控制器．每个视频采集点各匹配一台视频编解码 器，监控摄像机用于各监控点实时视频信号，云台可以由控制中心的计算机控制，用户可对摄像机进行水平３６０。，直９Ｏ。及变焦控 制。在视频采集系统中，最重要的是帧率达到一定的值，才能满足实时监控的需要。研究表明当帧率达到２５ｌｏｓ时，画面是比较连续 收稿日期：２００８－０２－０８ 作者简介：程广平，（１９６９一），男，助理研究员，西安建筑科技大学信息与控制工程学院硕士，主要从事计算机应用研究。 １４３ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・多媒体技术及其应用・・・・・・ 本栏目责任编辑：唐一东 的．符合人眼的视觉需要。 ３．２视频压缩编码 从视频采集系统获得原始视频数据量很大，不适于通过网络实时传输，所以要先对图像信息进行压缩。由于视频序列的帧内以 及帧与帧之间包含很大的统计冗余度和主观冗余度，通过挖掘这些冗余信息，降低存储和传送视频信息所需的比特率，即视频压缩 或编码。经压缩处理后的视频质量高低是决定多媒体服务质量的关键因素，因此对视频编码的研究已成为信息技术领域的热门话 题。 ’ 第一代压缩编码是建立在仙农信息论基础之上，以经典集合论为工具，用概率统计模型来描述信源，其压缩思想基于数据统计， 因此只能去除数据冗余．属于低层压缩编码的范畴。 随着视频编码相关学科及新兴学科的迅速发展，新一代数据压缩技术不断诞生并日益成熟，其编码思想由原来的基于像素和 像素块的编码方式转变为基于内容的编码方式，它突破了仙农信息论框架的束缚，充分考虑了人眼视觉特性及信源特性，通过去除 内容冗余来实现数据压缩。 随着压缩编码技术的发展。视频编码相关标准的制定也日臻完善。视频编码标准主要由ＩＴＵ２Ｔ和ＩＳＯ／ＩＥＣ开发，ＩＴＵ—Ｔ发布的 视频标准有Ｈ．２６１、Ｈ．２６２、Ｈ．２６３、Ｈ．２６３＋、Ｈ．２６３＋＋，１ＳＯ／１ＥＣ公布的ＭＰＥＧ系列标准有ＭＰＥＧ２１、ＭＰＥＧ２２、ＭＰＥＧ２４和ＭＰＥＧ２７。 ＭＰＥＧ（运动图像专家组），它是专门从事制定多媒体视音频压缩编码标准的国际组织．ＭＰＥＧ系列标准已成为国际上影响最大的 多媒体技术标准．其中ＭＰＥＧ２１和ＭＰＥＧ２２是采用预测编码、变换编码、熵编码及运动补偿等第一代数据压缩编准，它以视听媒体 对象为基本单元，采用基于内容的压缩编码，实现数字视音频、图形合成应用及交互式多媒体的集成，ＭＰＥＧ４的编码标准，带宽占用 较低，并可实现图像的优质传输和存储，而且传输距离较远，适用于广阔区域的监控。 Ｈ．２６４是ＩＴＵ—Ｔ的视频编码专家组（ＶＣＥＧ）和ＩＳＯ／ＩＥＣ的运动图像专家￣（ＭＰＥＧ）联合制定的新的视频编码标准，其目的是为 了在低比特率下获得很好的图像压缩效果并能适应不同的网络环境。Ｈ．２６４能提供比Ｈ．２６３和ＭＰＥＧ４更高的压缩性能。使图像 的数据量减少３Ｏ％～５Ｏ％。Ｈ．２６４是在Ｈ．２６３和Ｈ．２６３＋的基础上发展而来的，采用基于块的运动补偿和变换编码的混合编码架 构。采用了帧内预测、可变大小的图像分块、多预测参考帧、１／４和１／８像素精度的运动估计、残差图像的整数变换编码等很多全新 的编码技术． ３．３视频传输 在整个视频监控系统中。视频数据的传输是一个至关重要的环节，选择何种介质和设备传送图像和其它控制信号将直接关系到 ’监控系统的质量和可靠性，目前。在监控系统中用来传输图像信号的介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤。 同轴电缆具有价格较便宜、铺设较方便的优点，但是信号在同轴电缆内传输时受到的衰减与传输距离和信号本身的频率有关。 一般来讲，信号频率越高，衰减越大，传输图像的质量将会明显下降，有失真感。所以，同轴电缆只适合于近距离传输图像信号．仅应 用在小范围的监控系统中，双绞线视频传输设备的出现，弥补了同轴电缆的这些缺点。双绞线具有抗干扰能力强、传输距离远、布 线容易、价格低廉等许多优点，但是当传输距离比较远时，信号的频率不能太高。否则信号仍存在很大的衰减。比如以太网则只能 在１００ｍ以内。对于视频信号而言，带宽达到６ＭＨｚ。如果直接在双绞线内传输，也会衰减很大。光纤在监控领域中的应用主要 解决两个问题：一是传输距离，二是环境干扰。．因为光纤具有传输带宽较宽、容量大、不受电磁干扰、受外界环境影响。小保密性强。 以及传输质量好等优点，如果需要传输数公里甚至上百公里距离的图像信号或者对一些超强干扰场所，为了不受环境干扰影响．需 要采用光纤传输方式。 在视频传输过程中，要获得有效的、高质量的传输视频流，除了传输介质外，需要多种技术的支持．其中包括应用层质量控制技 术．媒体同步技术等 应用层质量控制技术的主要目的是保证视频在传输过程中的质量，主要包括拥塞控制和差错控制等，由于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ没有提供质 量保证服务，因此，需要通过应用层的机制来实现质量的控制。拥塞控制的目的是避免因为网络拥塞导致包丢失而造成的质量下 降。对于视频流拥塞控制的主要方法是速率控制，拥塞控制的目的是减少包的丢失，但是无法避免包的丢失，在这种情况下需要 一定的差错控制机制。差错控制机制包括：＠ＦＥＣ，ＦＥＣ的目的是通过增加冗余信息使得包丢失后能够通过其他包恢复出正确的 信息；②延迟约束的重传，仅有当重传的时间小于正常的播放时间时，重传才是有价值的；③错误弹性编码．在编码中通过适当的 控制使得发生数据的丢失后能够最大限度的减少对质量的影响；④错误的取消，错误的取消是指当错误已经发生后，接受端通过 一定的方法尽量削弱对人的视觉影响 在某些流媒体应用中，视频流和其它形式的媒体流需要以同步的方式来集成到一起，通常有三种类型的同步控制：流内同步． 流间同步，对象间同步。媒体同步机制的核，ｔＬ，是在媒体内或者媒体间说明时间关系。考虑到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ传输的延迟随机性．同步错 误是不可避免的，因此，对接受方的错误进行补偿是必须的，一个纠正的机制是采用流同步协议。 ３．４视频分析处理 虽然目前视频监控已经在很多领域有所应用，但并没有充分发挥其实时主动的监督作用，他们通常是将摄像头的输出结果记录 下来，需要人为的观察和分析。在实际应用中需要对摄像头获得的视频数据进行实时分析，获得决策信息，比如异常目标的检测和跟 踪，目标的识别和分类，以及对可疑状况的诊断和报警等。 视频分析主要是应用图像识别技术对视频图像进行分析处理，其关键技术或难点在于实现系统能在一种开放环境中。针对移动 目标实时地运行，这些目标通过静止摄像机可能会产生大小不同、角度不同及光照效果不同的图像，这就要求系统采用适当的图像 预处理技术，以保证图像特征有效地提取或模板的生成。图像识别技术基本上分为统计方法和结构分析两类，前者是以数学决策 理论为基础，建立统计学的识别模型，其特点是稳定、但很少利用图像本身的结构关系，后者则主要是分析图像的结构．它充分地发 挥了图像的特点，但容易受图像生成过程中噪声干扰的影响。 ４视频监控技术在水利信息化中的应用 （ Ｆ降第１５６页） １４４ 电脑知识与技术 维普资讯 http://www.cqvip.com
＼ ・多媒体技术及其应用 ・ｔ・・・ 本栏目责任编辑：唐一东 动态视频摘要是一个视频片段，是对原始视频的生成的亮点摘要或总结摘要，这些摘要很好的代表了原始视频的内容。动态摘 要生成模块主要作用是根据用户输入的目标摘要的长度以及图像分析模块得到的关键帧序列和声音分析模块得到的声音分段类 别数据生成动态视频摘要。 ６结束语 视频摘要技术建立在基于内容的多媒体分析技术的基础之上，多年以来一直是国内外多媒体研究的热点。如何集成现有成熟 技术到视频摘要系统中，使得视频分析与检索系统能够真正商业化应用，也是今后研究的重点之一，而面向监视视频的视频摘要技 术也会有极大的商业应用前景。 参考文献： ｆ１］庄越挺，潘云鹤，吴飞．网上多媒体信息分析与检索【Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２． 【２１欧阳建权，李，张勇东．视频摘要技术综述ｌｊ１．计算机工程，２００５（５）． 【３１谢毓湘，栗悉道，吴玲达，老松杨．典型的视频摘要系统及其对比【Ｊ Ｊｌ计算机应用研究，２００４（６）． ｆ４］Ｗｏｌｆ Ｗ．Ｋｅｙ ｆｌａｍｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｏｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆＡ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｅｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ，Ｓｐｅｅｃｈ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏ・ ｅｅｓｓｉｎｇ，Ａｔｌａｎｔａ：ＩＣＡＳＳＰ，１ ９９６，１ ２２８—１ ２３ １． Ｉ５］于俊清，周洞汝．基于文字和图像信息提取新闻视频关键帧【ｊ］．计算机工程与应用，２００２，３８（９）：８３—８５． （上接第１４４页） 随着多媒体视频技术的发展，视频监控系统已在水利行业中有着广泛的应用，在水利信息化、现代化中起着至关重要的作用。 ４．１在防洪减灾方面的应用 由于我国在洪水防范，河堤安全监控等方面的信息化水平不高，长期以来采用一般的人工监测方式，不仅工作条件非常恶劣， 工作量巨大，而且在汛期江水位猛涨的情况下，适时的监测与分析计算很难做到。靠群众性的抗洪抢险来维护汛期的安全，防汛投 入很大但效果却不好，因此实现水库、河流、堤防监测的自动化是必然的要求和趋势。近年来，国家提出了建设“数字水利”的目标， 对大型水库和河堤进行远程视频实时监控系统建设．防汛抗洪工作逐步从被动抗洪向主动防汛转变。 在河流、水库、船闸的重要位置安装摄像头，实时监控水位，并对获得的数据进行科学的分析，对水位，堤防的安全状态进行评 价和预报。实施防汛远程视频实时监控系统，可及时对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行动态监视，随时了解现场情况，以便 采取相应的预防和补救措施确保水库安全运行，进一步提高防汛抗洪决策的有效性和可靠性，对领导决策和减少洪水灾害，缓解城 市的防洪压力 保障人民生命财产的安全具有重要作用。 ４．２在水文分析方面的应用 水文是水资源开发利用管理与保护、防治水害以及工程建设规划、设计、施工、管理、调度的依据。水文站是收集水信息的基本 站点．通过水文站对我国江、河、湖、库的地表水、地下水的水量、水质等进行观测，实时收集水文水资源数据，对水资源开发、利用、 管理、保护，实现水资源的合理调配，达到提高水资源的利用率和改善水生态的目标等方面具有十分重要的作用，同时，还可为防汛 防潮指挥调度提供了及时、准确的决策依据。长期以来冰文工作者都是靠手测、目测收集水文信息，直接影响到测报的精度和成果 质量。通过建设水文站实时监控系统，利用数字视频监控系统采集数据、图像、视频等基础信息，利用图像分析与处理技术对水文进 行自动测报，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式 ４．３在水利工程建设和管理方面的应用 视频监控系统是在水利工程建设和管理方面也起着重要的作用．主要采集工程现场一些重要出入口等重点区域的视频监控图 像，使工程现场的值班人员能够实时的监控到整个区域的现场情况，并能够对视频图像进行化目标跟踪、控制、实时记录，管理中心 可通过网络实现远程监控与控制，并能对进入工地的可疑人员进行跟踪、报警，另外，还可以对水库水面情况的实时远端监控，比如 水面上是否有漂浮物（如白色垃圾）、漂流物（如泄漏的原油），以及水库水岸情况的实时远端监控，比如岸上的物体（如人、兽）是否进 入危险区（如闸门口、大堤），是否有可疑的情况（如有人想要破坏水库），并根据情况对现场运动目标进行跟踪分析等。 ５结束语 随着多媒体处理技术和网络技术的快速发展，视频监控系统将更广泛应用于水利工程建设事业中。成为水利工程综合性管理 系统不可缺少的重要组成部分，为提高水利工程的科学管理水平，增强水利工程的综合管理能力发挥其重要作用。 参考文献： ［１】段军棋，蒋丹．远程视频监控系统的设计与实现…．电子科技大学学报，２００３，３１（５）：５２３—５２８． ［２】卢秋波．视频监控技术简介与发展趋势…．电信网技术，２００７，（０１）． ［３】李金平，王海玉．安徽水利远程视频监控系统组网方案『Ｊ】．通信世界，２００７，（２４）． ｆ４１魏铮．视频采集系统软件设计【Ｊ１．汁算机工程与应用，２００３（３１）：１３６—１３９． 『５１ Ｆｕｅｎｔｅｓ Ｌ Ｍ，Ｖｅｌａｓｔｉｎ Ｓ Ａ．Ｆｒｏｍ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｏ ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ…．２００３，３ｆ２）：１２１—１２４． 【６１ Ｔｒａｊｋｏｖｉｅｓ Ｄ，Ｃｏｈｅｎ２Ｓｏｌａｌ Ｍ，Ｌｙｏｎｓ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ａ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｍｏｄｅｌ ｉｎｉｔｉａｌ—ｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒ ｖｉｄｅｏ ｓｔｉｒ＇ｑｅｉｌｌａｎｅｅ［Ｊ］．ｔｎ Ｐｒｏｅ ｏｆ ｔＥＥＥ Ｃｏｎｆ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ，２００１：７３３—７４０． １５６ 电脑知识与技术
