维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ８卷第１期 ２ＯＯ６年３月 浙江水利水电专科学校学报 Ｊ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｗａｔ．Ｃｏｎｓ＆Ｈｙｄｒ．ｏｌＣｌｅｇｅ Ｖ０１．１８ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２００６ 视频监控技术研究及其在水利信息化中的应用 关晓惠 （浙江水利水电专科学校，浙江杭州３１００１８） 摘要：水利的信息化建设是关系到我省经济发展的一项重要内容，视频监控技术在水利的信息化建设中发挥着重要的作用．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： ＩＮ９４３．６：ＴＶ１３１．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—５３６Ｘ（２００６）０ｌ—０ｏｌ３．０３ Ｖｉｄｅｏ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｆｉｃａｌｉｏｎ ｉｎ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｉｎｆｏｒｎｍｔｉｏｎ Ｒｅｌｒｉｅｖａｌ ＧＵＡＮ Ｘ／ａｏ－ｈｕ／ （Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｗａｔｅｒ ｏＣｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｏｐｗｅｒ ｏＣｌｅｇｅ，ｎａｎ￣ｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｅ，＿Ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｓｕｃｈ ８Ｓ ｖｉｄｅｏ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｇｎ，ｄａｔａ ｃｏｄｅ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｅ ｒｅｓｅａｃｈｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ． ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｖｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｇｎ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｃｏｎｓｔｍｃ． ｉｔｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｌｄｓ－＂ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｇｎ；ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｇｎ；ｖｉｄｅｏ ｃｏｄｅ；ｖｉｄｅｏ ａｎａｌｓｙｉｓ；ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｅ嘎 １ｅｅ血 ０前言 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 随着国民经济的迅猛发展，水利工程在国民经济中所起的 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 作用越来越大，水利信息化是实现水利现代化的一个重要内容 出相应的反应和处理，更加实时有效地管理水利闸站、变电所 和手段，有利于提高水利工程的管理与决策水平．根据浙江省 的运行情况及水库、大坝、闸站等周围的现场情况． 的实际情况，水利要实现从水利大省向水利强省，传统水利向 １ 系统结构 现代水利的伟大转变，水利信息化建设必不可少． 视频监控主要用于对重要区域或远程地点的监视和控制， 浙江省水资源十分丰富，但对水利资源的利用仍然是一个 通过摄像头等视频采集设备在监控点实时采集视频文件并及 非常严峻的问题．水库作为国家的重要资产，在水的管理方面 时地传输给监控中心，实时动态地报告被监测点的情况，及时 有着举足轻重的作用．由于水库的面积广大、地形复杂等原因， 发现问题并进行处理． 对水库实行科学、安全、自动的管理，在现阶段已是一个符合国 从系统的结构上讲，视频监控主要由视频数据采集、视频 情而又非常迫切的要求．另外，防汛工作也是浙江省一个重大 数据编码、视频数据传输、视频数据分析处理四部分组成．视频 问题，更是影响我省经济发展的一个重要方面．由于防汛信息 数据采集是由安装在监控现场（如闸站及水库库区等）的高分 化水平不高，以往的人工观测数据误差大，系统维护难，易误大 辨率摄像机完成，主要完成模拟视频信号到数字视频信号的转 事．全面实施大型水库、河道的远程视频实时监控系统建设，使 换．视频编码主要通过消除视频数据的冗余，来降低存储和传 防汛抗洪工作逐步从被动抗洪向主动防汛转变． 送视频信息所需的比特率，目前大部分的视频采集设备都具有 在水库、闸站，以及工地等工作区内，视频监控系统能将被 压缩编码的功能．视频传输根据传输距离和图像质量的要求可 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 选用各种不同的线缆、接口设备，负责将视频和数据信号传输 地传送到控制室监控中心，然后系统可以对这些图像和数据进 到所需的地点．视频分析主要利用图像分析和识别技术对采集 行分析，并进行决策，使工作人员监控中心通过视频监控系统， 来的视频图像进行处理，得到一些能够提高决策准确性的信 息． 收稿日期：２００５－０９－０１ ２视频监控技术 基金项目：浙江水利水电专科学校科研基金资助项目（ＸＫ２００６— １２） ２．１视频采集 作者简介：关晓惠（１９７７一），女，河南漯河人，硕士，从事图片处理与 视频采集主要是以一定频率不断地对原始图像数据进行 多媒体技术的研究． 采集，并将模拟视频信号转换为数字视频信号． 维普资讯 http://www.cqvip.com １４ 浙江水利水电专科学校学报 第１８卷 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３６Ｏ￣， 直９０￣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２５ｆ 时，画面是比较连续的，符合人眼的视觉需要Ｌ１ｊ． ２．２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ｒｒＵ－Ｔ和ＩＳＯ／ＩＥＣ开发．ｒｉｕ．Ｔ发 布的视频标准有Ｈ．２６１、Ｈ．２６２、Ｈ．２６３．Ｈ．２６３＋、Ｈ．２６３＋＋， ＩＳＯ／ＩＥＣ公布的ＭＰＥＧ系列标准有ＭＰＥＧ－１、ＭＰＥＧ－２、￣ＥＧ－４和 ＭｐＥＧ－７［２］． （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Ｌ３Ｊ，其中ＭＰＥＧ－１和ＭＰＥＧ－２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 码技术；ｂｌＰＥＧ－４则是基于第二代压缩编码技术制定的国际标 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． ＭＰＥＣ．４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（ｖｃｒ．Ｇ）和ＩＳＯ／ＩＥＣ的 运动图像专家组（麟）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ＭＰＥＣ．４更高的压缩性 能，使图像的数据量减少３０％一５０％．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． ２．３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６ｂｔＨｚ，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Ｉｎｔｅｒｌ￣ｔ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：① 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．媒体同步机制的核心是在媒体内 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． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ期 关晓惠．视频监控技术研究及其在水利信息化中的应用 １５ ２．４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． ３视频监控技术在水利信息化中的应用 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． ３．１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［６］． 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． ３．２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，水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． ３．３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，并能对进人工 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． ４结论 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ｉ ［１］高春平，姜黎辉，何雄．远程实时视频数字监控系统在防汛抢险 中的应用［Ｊ］．东北水利水电，２０Ｏ４，９９（４）：５８—６０． ［２］谭仕勇，戴琼海，陈慧蓉．ＭＰＥＧ一４标准中的视频编码［Ｊ］．广播与 电视技术，２００１，２８（６）：５２—５８． ［３］沙丽娜，王宁章，覃团发．视频压缩编码国际标准综述［Ｊ］．电子科 技，２００５（５）：５６—６ｏ． ［４］魏铮．视频采集系统软件设计［Ｊ］．计算机工程与应用，２０Ｏ３ （３１）：１３６—１３９． ［５］Ｆｕｅｏｔｅｓ Ｌ Ｍ，Ｖｅｌａｓｔｉｎ Ｓ Ａ．Ｆｒｏｍ ｕａｅｋｉｎｓ ｔｏ ａｄｖａｎｃｅｄ ｍｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ［Ｊ］． ２００３，３（２）：１２１—１２４． 【６］Ｔｒａｊｋｏｖｉｃｓ Ｄ，Ｃｏ￣ｅｏ—Ｓｏｌｌａ Ｍ，Ｌｙｏｎｓ Ｅ，ｅｔ ８１．Ａ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｍｏｄｅｌ ｉｎｉｉｔａ１． ｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｖｉｄｅｏ ｍｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ［Ｊ］．Ｉｎ Ｐｒｏｅ ０ｆＩＥＥＥ Ｃｏｎｆ ｏｎ Ｃｏｉｎ－ ｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ，２００１：７３３—７４０．
