（电气工程专业论文）电力系统视频监控系统中的视频数据库技术研究.pdf

研究 摘要 本文首先介绍了数字视频的定义及其主要特征，因视频数据的巨大数据量， 为有效地传输、存储视频数据，对视频数据的压缩提出了要求，并对视频进行分 段处理。视频数据库是对视频数据进行有效管理的系统，使用户对视频数据进行 存取，视频数据库技术可广泛应用在监控系统中，在电力系统无人值班变电站中， 通过监控系统，可以使工作人员及时了解变电站现场情况，为中心站值班人员提 供现场图像，及时处理变电站紧急情况，避免和减少事故损失，并方便视频数据 查询。最后以典型事例说明了电力系统视频监控系统在无人值守变电站的应用。 论文结尾对视频监控系统中视频数据库技术作了总结和展望。 关键词：视频数据，视频数据库，监控系统，无人值班变电站，数据查询 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no fd i g i t a lv i d e oa n di t sm a i nf e a t u r e sa tf i r s t b e c a u s eo ft h ee n o r m o u so fv i d e od a t a ，i tb r i n g sf o r w a r dm o r ed e m a n d sf o rt h ee f f e c t i v e t r a n s m i s s i o n ，s t o r a g eo fv i d e od a t a , a n ds u b - v i d e op r o c d s s i n g v i d e od a t a b a s ei st h e e f f e c t i v em a n a g e m e n to fv i d e od a t as y s t e m ，a l l o w i n gu s e r sa c c e s st ov i d e od a t a v i d e o d a t a b a s et e c h n o l o g yc a nb ew i d e l yu s e di nm o n i t o r i n g s y s t e m i nt h eu n m a n n e d s u b s t a t i o no fp o w e rs y s t e m ，s t a f fc a nk e e pa b r e a s to fe m e r g e n c ys u b s t a t i o nt oa v o i d a c c i d e n t sa n dr e d u c el o s s e s ，a n df a c i l i t a t ed a t aq u e r yv i d e ot h r o u g hm o n i t o r i n gs y s t e m v i d e om o n i t o ra n dt h u sl e a d st ot h ed e v e l o p m e n to fd a t a b a s es y s t e m s i te x p l a i n st h e a p p l i c a t i o ni nu n m a n n e ds u b s t a t i o no fp o w e rs y s t e mt h r o u g ht h et y p i c a le x a m p l ea tl a s t t h ep a p e rc o n t r a p o s i n gt h ev i d e od a t a b a s et e c h n o l o g yo fv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e ms u m m a r i z e sa n dp r o s p e c t sa tt h ee n d k e yw o r d s ：v i d e od a t a ，v i d e od a t a b a s e ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，u n m a n n e ds u b s t a t i o n ，d a t a q u e r y 一i i - - 1 2 视频监控系统设计原则2 1 3 电力系统视频监控系统3 2 视频与视频数据6 2 1 模拟视频与数字视频6 2 2 数字视频的特征：8 2 3 视频数据压缩和网络传输9 2 4 视频数据分段处理1 5 3 视频数据库2 1 3 1 视频数据库系统的结构2 1 3 2 视频数据的管理2 3 3 3 视频数据库研究的几个问题2 6 4 视频数据库技术在监控系统中的应用3 2 4 1 视频数据库技术应用3 2 5 多媒体监控系统视频信息查询的实现3 8 5 1 数据模型的选择3 8 5 2 监控视频数据库系统结构4 0 5 3 视频内容的自动分析4 l 5 4 监控视频数据库的数据存取4 3 6 无人值守变电站视频监控系统的应用4 4 6 1 无入值守变电站视频监控系统简介4 4 6 2 视频监控系统组成4 4 6 3 视频监控系统特点。4 7 6 4 主要作用：4 8 6 5 变电站视频监控系统典型事例5 2 7 结论与展望5 4 致谢5 6 参考文献5 7 c o n t e n ts a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i v l 1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1p u t f o r w o m t h e v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m 1 1 2t h ed e s i g nd i s c i p l i n eo f v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m 2 1 3v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mo f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m 3 ：! v i d e o a n dv i d e od a t a 6 2 1a n a l o gv i d e oa n dd i g i t a lv i d e o 6 2 2t h ec e n t r a lc h a r a c t e ro f d i g i t a lv i d e o 8 2 3v i d e od a t ac o m p r e s s i n ga n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y 9 2 4s u b s e c t i o nm a n a g e do f v i d e od a t a 1 5 ：；v i d e od a t a b a s e ：! l 3 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo f v i d e od a t a b a s es y s t e m ：2 1 3 2t h em a n a g e m e n to f v i d e od a t a _ 2 3 3 3s e v e r a lq u s e t i o no f r e s e a r c h i n gv i d e od a t a 2 6 4 a p p l i c a t i o no f v i d e od a t a b a s et e c h n o l o g yi nm o n i t o r i n gs y s t e m 3 2 4 1t h e a p p l i c a t i o no f v i d e od a t a b a s et e c h n o l o g y 3 2 5 a c h i e v i n gt oi n q u i r yv i d e oi n f o r m a t i o no f m u l t i m e d i am o n i t o r i n gs y s t e m 38 5 1c h o i c eo f d a t am o d e l 3 8 5 2c o m p o s i n go f m o n i t o r i n gv i d e od a t a b a s e 4 0 5 3a u t o m a t i ca n a l y s i so fm o n i t o r i n gv i d e oc o n t e n t s 4 1 5 4s t o r i n g a n d a c c e s s i n go f m o n i t o r i n gv i d e od a t a b a s e 4 3 6 t h ea p p l i c a t i o no fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi nn o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n 4 5 6 1s y n o p s i so fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi nn o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n 4 5 6 2t h ef o r mo f v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m 4 5 6 3t h ec h a r a c t e ro f v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m 4 8 6 4m a i nc o m p s i t i o n 4 9 6 5t h et y p i c a le x a m p l e0 f d e om o n i t o r i n gs y s t e mi nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n 4 9 7 c o n c l u s s i o n sa n d e x p e c t a t i o n ：5 6 a c k n o w l e d g m e n t s 5 8 r e f e r e n c e s 。5 9 一i v 电力系统视频豁控系统中的视频数据库技术研究 1 绪论 随着微电子技术、计算机技术、现代通信技术和网络技术的飞跃发展，人类 社会正健步迈进信息化时代，这使多媒体通信技术领域进入了一个革命性的发展 时期。突出表现在以下几个方面： ( 1 ) 信息化社会对图象信息的处理、传输、传播和交换的需要越来越迫切。 人们对信息的要求不再仅仅局限于语音。对传统的电话人们也有了更高的要求， 希望在通话的同时看到对方的表情。这些都促进了多媒体视频通信的发展，也使 各个通信运营商密切关注多媒体通信。 ( 2 ) 电子器件和设备处理能力和处理速度的大幅度提高，使图象的数据化处 理和传播成为可能，从而使以前提出的许多方法得以实现并有了实际用途。随着 电子器件发展，专用的多媒体芯片也得到了很好的发展，各种编码方案逐步走向 成熟，使得多媒体数据的采集、编码深入到各个环节。 ( 3 ) 图象压缩编码技术、交换技术和现代数字调制技术等的研究，已经成为 异常活跃的研究领域，吸引了越来越多研究工作者和企业家的兴趣，小波变换和 基于模型的编码方法相继问世，新理论、新方法和新技术层出不穷。图象压缩编 码技术逐步走向成熟，基于各种信道速率出现了各种不同的编码方案，而且形成 了国际标准。最重要的是现在的网络技术，得到了长足的发展，使其无处不在。 网络的接入方式由先前的通过m o d e n 接入到现在的n i s d n ，c a b l em o d e n ，x d s l ， 传输速率出现了质的飞跃。i p 网络的无处不在使得计算机之间的多媒体通信成为 了可能，而且现在网络的通信质量好，传输速率快。 ( 4 ) 由于其传输质量高、处理方便、易于集成化和频带利用率高，数字化的 多媒体通信已成为当前和未来的主要发展方向，这一点从v c d 、d v d 、新型会议电 视系统和高清晰度电视的发展过程可见一斑。当现在网络发展成熟后，各大通信 设备制造商、通信运营商都把目光投向了多媒体通信这一市场。 ( 5 ) j p e g 、h 2 6 1 、h 2 6 3 和m p e g - 1 、m p e g - 2 、m p e g - 4 、m p e g 一7 等一系列国 际数字图象压缩编码和传输标准或建议已制定出来并得到越来越广泛的应用。国 际标准的出现对应用的发展起着推动作用。它使的规范作用使得各种协议之间的 可互通性成为可能。而且根据规范所写的各种通信程序具有通用性，可以实现多 媒体通信跨过不同的应用网关。 1 1 视频监控系统的提出 在当今市场经济大潮中，社会经济效益已成为首要奋斗目标，达到“减员增 性和社会声誉已经成为现代化管理的重要方法。拥有一套高科技先进网络集中监 控管理系统，能很方便的实现远程集中监控管理，距离和时间将不再是障碍。以 高科技的网络监控实现了日常巡回检查和业务管理，有效解决各监察点人力不足 及因工作形式单调乏味而易麻痹疏忽等因素造成的隐患。 因此，监控系统是安全技术防范体系中的一个重要组成部分，是一种先进的、 防范能力极强的综合系统。它可以通过遥控摄像机及辅助设备( 镜头、云台等) 直接观看被监视场所的一切情况。可以把被监视场所的图像、声音内容同时传送 到监控中心，使被监控场所的情况一目了然。同事，监控系统还可以与防盗报警 等其他安全技术防范体系联动运行，使防范能力更加强大。特别是近几年来，多 媒体技术的发展以及计算机图像文件处理技术的发展，使网络监控系统在实现影 像报警、自动跟踪、实时处理等方面更有了长足的发展，从而使监控系统在整个 安全技术防范体系中具有举足轻重的地位。监控系统的另一个特点是它可以把被 监视场所的图像及声音全部或部分的记录下来，这样就为日后对某些事件的处理 提供了方便条件及重要依据。 1 2 视频监控系统设计原则 在监控系统管理系统项目的建设过程中，必须结合各行业经营管理的实际特 点，依据国家、行业的相关技术标准，充分利用最新信息技术、监控技术，保证 系统能够满足日常工作的需要，实现建设目标，并遵循以下原则： ( 1 ) 先进性原则 远程图像监控系统的设计应以结构化、规范化、模块化、集成化的方式实现， 应能适应系统维护和技术发展的需要。集成化设计应符合有关规定。技术上应具 有适度超前性和设备的互换性，为系统的增容或改造留有余地。 ( 2 ) 规范性原则 远程图像监控系统的设计应符合有关风险等级和防护级别的要求。在系统的 设计和建设过程中，必须严格遵循各行业有关规范、规则、规定和标准，同时遵 循有关国标和行业标准。 ( 3 ) 实用性原则 图像监控系统的建设应当根据各部门、各级单位的实际特点和工作需要，根 据环境条件、监视对象、投资规模、维护保养以及监控方式等因素统筹考虑。满 足各行业经营管理对监控工作的要求，切实解决实际工作中存在的问题，对相关 的功能要整合，要易于使用，操作简单，用户经过简单的培训即可实用。 一2 一 电力系统视频舱控系统中的视频数据库技术研究 ( 4 ) 经济性原则 图像监控系统要充分利用已有的软硬件资源，设备更新改造时，要充分考虑 所选设备功能是否能同时满足网络监控、门禁系统管理、报警信息管理等需求， 避免重复投资，以最小的投入获得最大的经济效益。 ( 5 ) 准确性原则 图像监控系统应能在现场环境条件和所选设备条件下，对防护目标进行准确、 实时的监控，应能根据设计要求，清晰显示和记录防护目标的可用图像。应能在 延迟时间内将报警图像信号传送到监控中心。 ( 6 ) 完整性原则 系统应保持图像信息和声音信息的原始完整性和实时性，即无论中间过程如 何处理，应使最后显示记录回放的图像和声音与原始场景保持一致，即在色彩 还原性、图像轮廓的还原性、事件后继性、声音特征等方面均与现场场景保持最 大相似性，并且后端图像和声音的实时显示与现场事件发生之间的延迟时间应在 合理范围之内。应对现场视频探测范围有一个合理的分配，以便获得现场的完整 的图像信息，减少目标区域的盲区。应能音频探测及双向音频传输。 ( 7 ) 安全性和管理性原则 图像监控系统应实现分级授权管理的功能，使用日志功能，能够防止监控信 息非法使用，确保系统安全稳定运行，并有效的预防外来侵害。还应具备日志分 析体系，对系统的运行实现实时监控。监控管理系统的管理和维护应当简单、方 便、实用。 1 3 电力系统视频监控系统 基于各类技术的发展，各种视频监控系统相继建立起来，应用在电力、银行 和邮电系统等各个行业和领域。 在电力系统中，随着管理体制的深化改革，变电站的自动化技术也不断进步。 目前，很多变电站，特别是l i o k v 以下变电站已逐步实现无人值守。对于变电站， 除了常规的自动化系统之外，视频监控系统已逐步成为无人值守变电站新增的而 且是一个十分必要的自动化项目，是其他自动化手段不可替代的。各地供电公司 的信息网络，在近几年内也有了长足的发展，利用信息网络平台，实现变电站的 视频监控成为电力系统探索这一新课题的出发点。随着计算机网络技术和数字视 频通讯技术的发展，建立一个统一平台的集中管理式变电站视频监控系统，将在 电力行业日常工作和生产管理上发挥着越来越大的作用。实践证明，基于统一信 息平台的视频监控技术已日臻成熟。 把数据库应用在监控系统中，一方面能够为集控中心站实时提供现场图像， 一3 一 查询，另一方面可以将在事故发生前后一段时间的现场情况录制下来，以供事故 分析和研究，避免今后类似事故发生，减少经济损失。同时监控系统还可以介入 企业m i s 系统中，可以在m i s 工作站上监控现场情况。 当前电力系统监控系统，主要可以实现以下几项内容： ( 1 ) 视音频采集：在保证实时性和图像质量的前提下，由于采用成熟的图像 解码技术能够传输高清晰的图像，图像可达到4 8 1 2 1 6 3 2 路同步视音频采集、压 缩、存储、网络传输、播放，标准分辨率较高清晰度可达7 0 4 x 5 7 6 实时，传输速率 可以在l - - 2 5 帧秒间根据网络情况自适应变化；每路每小时只需6 0 1 8 0 m 硬盘 空间( 包括视音频) ，网络传输所需带宽6 4 k - - 2 m 可调。 ( 2 ) 多画面显示：客户端监控视频窗口可进行自由切换选择1 、4 、6 、8 、9 、 1 6 、3 2 、6 4 画面同屏幕显示；某路视频放大到单画面显示；将视频显示区域进行 全屏显示；排列各个画面的显示位置等操作。 ( 3 ) 云镜控制：云镜控制可实现云台左、右、上、下方向转动，自动巡视； 控制镜头变焦、聚焦、光圈调节；控制灯光、雨刷等辅助设备等功能。 ( 4 ) 画质调节：可以调节当前视频窗口图像的亮度、色彩、对比度、饱和度； ( 5 ) 画面轮巡：系统具备视频自动巡视功能，在可设定的间隔时间内对全部 前端监控点进行图像巡查，参与巡查对象可以任意选定，并可设置切换间隔时间。 ( 6 ) 预置位：系统可控制高速球机预置位定义、存储和调用，并可按预置位 序列进行巡视，快捷的实现多地点远程控制。 ( 7 ) 字幕叠加：可在每路图像上，叠加地点名称和时间。 ( 8 ) 报警功能 故障报警，可识别“设备断线”、“设备连线”等报警类型，并可通过声音、灯光 等设备进行输出。 移动侦测报警，可选定固定的监控区域，自动识别并可联动报警，且识别的 灵敏度可任意调节。 报警输入报警，“温度”、“火警”、“烟感”、“红外”，“移动侦测”、“开关量输入” 等多种报警输入。系统具有接警优先的功能，当有警情传来时，系统自动终止其他 任何工作，优先处理报警信息。 系统具备报警信息联动控制功能，当其中一个报警器出现警情时，系统可根 据事先设置好的规则触发相应动作，包括启动图像录制、启动报警输入、声光提 示管理员、发送短信、自动电话呼叫、弹出现场视频。报警信息可存储、网络传 输、查询；为日后协助公安机关破案提供帮助。 ( 9 ) 录像回放 一4 一 电力系统视频 监控系统中的视频数据库技术研究 录像存储：系统提供定时录像、报警录像、手动录像和移动侦测录像四种录 像策略；可设定录像的压缩率、帧速和保存时间；支持前端存储、本地存储和服 务器集中存储等。 图片抓拍：可实现手动抓拍、报警触发抓拍图片功能。 录像检索：录像记录可在所有监控终端上以具检索权限的用户名登录后进行 检索，录像检索可根据不同查询条件如日期、监控地点和报警类型检索录像记录。 录像回放：检索到的图像记录可以实际尺寸或全屏方式回放，播放速度速度 可以按照正常、快速、慢速回放。可根据系统最大容量设定存储时间，超过存储 时间资料按时间顺序自动循环覆盖。 ( 1 0 ) 资料查询 历史视频查询：录像检索可根据不同查询条件如日期、监控地点和报警类型 检索录像记录。 报警信息查询：可根据日期、监控地点等条件查询报警信息。 日志查询：可查询“前端连接”、“用户操作”、“节点配置”、“用户配置”、“系 统运行”等日志信息。 服务器状态查询：可查看服务器的运行状态、磁盘使用、网络通信和进程等 信息。 ( 1 1 ) 系统管理： 用户管理：可进行多用户帐号的开户、修改、删除、密码修改等维护操作； 权限管理：可设定管理员和普通用户等多个等级管理权限，非授权用户不能 登陆系统。 设备管理：可对前端设备参数进行远程修改、设置、系统重启等维护操作。 系统锁定：可锁定系统，系统处于无法操作状态，解锁系统时需要输入当前 登陆用户的密码。 视频监控系统系统的安全性除了基本的防攻击、防非法侵入、防病毒等要求 之外，还需要保证只有合法用户可以访问和使用网络视频监控系统提供的服务， 保证用户只能管理自己的前端设备，查看有权限使用的监控点的视频监控图像； 保证用户保存在系统中的视频文件的安全，不会被其它用户甚至是系统管理员私 自查看。 本文将从视频与视频数据出发，讨论视频数据库的基本结构问题；从视频数 据的管理，讨论视频数据库技术在多媒体监控系统中的应用问题；从选择数据模 型出发，讨论监控视频数据库的数据存储及存取问题；最后讨论了变电站视频监 控系统的应用。 一5 一 2 视频与视频数据 2 1 模拟视频与数字视频 在同常的学习、工作、生活中，人们通过媒体进行信息传递和信息存储。多 媒体就是能够进行多种信息传播的媒体，如图形、音频、文档、视频等信息的组 合。在多媒体信息中，视频信息比较特殊，视频信息数据量大，蕴涵信息多，具 多维结构，包括时间和空间的，所以在对视频信息进行表达、传输时难度更大。 视频信息属于视觉媒体信息。它类似于其他信息，通常情况下有两种表达方 式：模拟和数字。模拟信号是时间和幅度都连续变化的信号，数字信号是时间和 幅度离散的信号。 2 1 1 模拟视频 模拟视频来自于电视的技术。电视所表达的信息是用光栅扫描方式进行，在 显示器上显示。具体过程是：扫描线自顶部开始扫描，一行一行扫描至显示器的 底部，然后重新返回顶部起点，再开始进行扫描；扫描过程中，若施加于显示器 c r t 控制极的模拟电视图象信号使光栅随图象信号的色彩或亮度变化，便组成了我 们看到的电视中的一幅图象，通常被称作帧。连续不断的图象序列也就形成了动 态视频图象。 水平分辨率是指水平扫描线所能分辨出的点数，垂直分辨率是指一帧中垂直 扫描的行数。通常情况下来讲，光栅上如果光点越小，则扫描线会越细，这样分 辨率就越高。 目前大家看到的电视主要有三种制式，分别为n t s c ( 5 2 5 6 0 ) ，s e c a m ( 6 2 5 5 0 ) 和p a l ( 6 2 5 5 0 ) 。彩色电视颜色的表示会有多种模式，大家最常用的是r 、g 、b ( 即 红、绿、蓝) ，这三种基色相互合成，自然界中的大部分颜色便可得到。另一种颜 色是用y ( 亮度信号) 和u 、v ( 色差信号) 。还有一种是h i s 模式( 色调、饱和度、 亮度，这是种用人眼彩色视觉特性表达的方法。 2 1 2 数字视频 ( 1 ) 视频信息 计算机所存储的各类信息均是数字形式的，视频信息因为是以模拟形式表示， 一6 一 电力系统视频监控系统中的视频数据库技术研究 所以要在计算机中存储和处理，也必须要数字化。对视频信息按时间逐帧数字化， 这样便可得到图象序列，即为数字视频序列。视频数据进入计算机的时候，每一 帧画面均应进行采样，同时按灰度或颜色进行量化，所以每一帧画面都会形成一 幅数字图象。数字图象各象素点会按照一定结构形式存储在帧缓冲器中，每一象 素点均对应帧缓冲器中的数字代码，这便是位图图象。再现计算机中存储的数字 视频时，以数字形式存储的位图图象会按照一定的时间顺序和格式顺序送到显示 器，显示时转换成模拟信号，其原理与显示模拟视频的电视一样。 ( 2 ) 数字化模拟视频 把模拟视频以数字化形式表示的原因，是数字视频有许多明显的优点。主要 有以下几个方面： 数字视频抗噪声能力很强；数字视频方便直接存取；数字视频便于编辑；数 字视频便于索引及注释；数字视频易于传播。 ( 3 ) 数字视频 多幅连续的图象序列构成数字视频，如果每一帧图象交换速度特别快( 一般 情况下达到每秒2 5 3 0 帧) ，人眼会感觉到图象是连续的。在图2 1 中，x 轴表示 水平方向的空间维，y 轴表示垂直方向的空间维，t 轴表示时间维。人眼在亮度信 号消失后亮度感可保持l 2 0 1 1 0 s 的时间。利用人眼的视觉暂留作用，如果沿 时间轴一幅图象保持一个时间段a t ，便可形成连续运动图象的感觉。 图象帧 图2 1 数字视频示意 f i g2 1h i n to fd i g i t a lv i d e o 一系列图象帧组成数字视频。如果用沿x 轴的扫描行上分布的象素点，沿y 方向表示垂直方向的行数，这样，每一象素点的亮度或者颜色e 可表示为x y 平面 上的函数e ( x ，y ，t ) 。 视频数据库存储的对象是数字视频。数字视频均要以一定的结构进行存储， 这样方便从视频数据库中检索视频对象。通常把送入计算机的数字视频称为原始 一7 一 ( s e q u e n c e ) 等。把原始视频流可以划分视频分段( v i d e os e g m e n t a t i o n ) ，视频 分段是视频数据库建立中的基本问题。 视频数据库实际上是以管理时基类媒体信息( 视频及声音) 为主的多媒体数 据库。 2 2 数字视频的特征 2 - 2 1 视频数据含有丰富的信息内容 ( 1 ) 视频数据信息分辨率较高 信息分辨率是指媒体提供细节的多少。随着对视频数据观察的深入，逐渐获 得一些新细节。例如描述一段犯罪现场，可从中视频数据中分辨犯罪种类、背景、 地点、犯罪工具等细节。细节中蕴涵着很多信息内容。 ( 2 ) 视频数据内容的多样性 视频数据所含内容可分为两类：信息内容，是指视频中所含有的定义内容， 例如上述描述犯罪情况的视频数据，何种罪行、犯罪手段及地点等是信息内容： 声视内容，是指视频中所含有的声音图像的外部表示，例如场景的颜色、物体 运动、纹理、彼此之间的关系、物体形状大小等等，可以通过多种声视内容表达 信息内容。 ( 3 ) 视频数据解释的模糊性 视频数据是连续播放的图象信息，所含有的信息量十分大，内容十分丰富。 每一个人对一幅图象或者一段视频都可能有不同的解释。在视频数据库中，因为 视频数据的模糊性，通常只能用近似匹配对视频数据进行查询。 2 2 2 视频数据的结构及关系 ( 1 ) 视频数据的空间属性和时间属性 空间维是指每一帧图象均是空间二维结构，包含的空间信息十分复杂繁琐， 难于建立一种清楚的结构。时间维是指视频是由多个图象帧构成的沿时间轴分布 的流结构，其以图象帧为单位。如果要把视频数据存储于数据库之中，就必须要 对视频数据流在进行分段抽象。 ( 2 ) 视频数据单元之间关系不明确 例如，两个视频帧之间的相似运算就很难定义。 一8 一 监控系统中的视频数据库技术研究 例如，一幅图象分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，色彩为2 4 b i t 象素，数字图象的大小大 约为1 m b 。如果播放的速率每一秒3 0 帧，那么，1 秒的数据量大约为3 0 m b ，2 0 s 的动态图象则需要6 0 0 m b 的硬盘。所以，首先必须解决的关键问题就是动态图象 的数据压缩编码和解码，这是实现视频数据管理的关键。目前，有诸多压缩标准， 包括m p e g ，h 2 6 1 和q u i c kt i m e 等，压缩比可达到5 0 ：1 至2 0 0 ：l 。但即便如 此，压缩后的视频数据量仍很大，如2 小时的一部电影，若以h 2 6 1 标准压缩， 压缩后数量仍有1 3 0 0 m b 左右。 2 3 视频数据的压缩和网络传输 2 3 1 视频数据压缩 鉴于视频数据的数据量巨大，为了有效地存储和传输视频数据，就必须对视 频数据进行压缩。近年来，视频压缩技术进展迅速，目前较成熟的图象及视频压 缩方法及标准已有多种。数据压缩最终的目标是获得尽可能大的压缩比，同时压 缩、解压速度较快，还原时要尽可能获得好的图象质量。 2 3 1 1 视频压缩理论 图2 2 是部分压缩算法示意图。在实际压缩过程中，常常把多种压缩方法混 合使用，达到更高压缩比，如j p e g ，h 2 6 1 ，m p e g 编码标准等。 图2 2 部分图象和视频的压缩方法 f i 9 2 2c o m p r e s s i n gm e t h o do fp o r t i o ni m a g ea n dv i d e o 一9 一 息和码字之间找到确定的对应关系，恢复再现时能够准确无误，或者至少是对应 关系很相似，并把这种失真或不对应概率限制到最小范围内。途径如何，总体目 标是把平均码长压到最低限度。 图象、视频压缩中常用的统计编码有霍夫曼编码、算术编码、行程长度编码 盘曾 守o ( 2 ) 变换编码 将数据从一种形式转换成另一种形式的编码称为变换编码，是对图象信号进 行的数学变换，从而产生一组变换系数，并对变换系数量化、编码，使其有助于 压缩目的的实现。变换编码目的是除去图象信号的相关性，是种有损编码。 在图象和视频压缩中，变换方法d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 离散余 弦变换是最常用的变换方法。 ( 3 ) 预测编码 通过预测下一象素、下一条线、下一帧图象的方法进行压缩的叫预测编码。 预测编码可利用前面的帧、线、象素来协助建立下一个帧、线或象素，就是说， 要能识别出彼此间相同部分，只传递不同的部分，从而减少数据量。最常用的是 差分p c m ( d p c m ) 。在d p c m 中，通常比较相邻象素，传递差值，而这个差值通常很 小，无需传递全部象素值。解压过程中，差值信息作用于修改前的象素，并得到 新的象素值。预测编码在一幅图象内进行帧内编码的同时，也可在多幅图象内进 行帧间编码。通常情况下，活动比较缓慢的地方，帧间预测性能比较好；在快速 活动的地方，帧间预测性能相对较差。 如果想要实现动态补偿，动态检测技术将会更加复杂。运动补偿预测是视频 压缩的重要技术，很多流行的视频压缩标准都采用了“简单帧间预测+ 运动补偿 的技术。 ( 4 ) 分析一综合编码 子带编码：利用带通滤波器组将信号频带分割成若干子频带，通过等效于单 边带调幅的调制过程，将各子带搬移到零频率附近，再以奈奎斯特速率对各子带 输出取样，对取样值进行数字编码。接受端，各子带信号被解码并调制回原始位 置，并将子带输出相加得到恢复波形。 模型基图象编码：主要分为两类：基于明确的已知景物模型基图象编码， 景物中的物体三维模型已知；针对未知事物的模型基图象编码，要实时构造物 体模型。 2 3 1 2 视频压缩标准 ( 1 ) j p e g 标准 准。j p e g 标准包括两 j p e g 标准的应用范围广泛，有两种基本压缩算法：基于差分脉冲码( d p c m ) 的无失真压缩算法。基于离散余弦( d c t ) 有失真压缩算法。 看似j p e g 不能进行实时视频压缩，但如果处理速度很快，j p e g 能用于实时视 频压缩。 ( 2 ) h 2 6 1 标准 h 2 6 1 目标是在全球范围内的数字电话通道上，实现视频和音频传输。具体包 括：视频源信号可以是电视信号；由标准编码器产生的位流一并传输；视频位数 率为4 0 k b p s - - 2 m b p s 之间，该标准可传送相应质量的电视会议图象或可视电话； 支持双向和单向可视通讯；支持多点通信。 ( 3 ) m p e g - 1 标准 m p e g - 1 标准目标是对位率约为1 5 m b p s 时用于数字存储媒体的动态图象及其 伴音编码”。m p e g l 标准包括系统、伴音和图象三部分，其中视频图象是此标准的 核心。 m p e g - 1 视频压缩主要有两项基本技术：基于1 6x1 6 块运动补偿，可减少 序列时间冗余度；基于变换域( d c t ) 压缩技术，可减少帧序列空间冗余度。 为处理随机访问和高效压缩要求之间的冲突，m p e g - 1 共定义四种图象模型： i 图象；p 图象；b 图象；d 图象。 ( 4 ) m p e g - 2 标准 m p e g - 2 标准是制定通用活动图象及伴音的编码标准，以便适应各种用途，主 要对象是t v 和h d t v 。m p e g 一2 标准共9 项：系统；视频；音频；软件； 符合性测试；非向后兼容的音频：数字存储媒体的指令和控制；实时接 口；l o b i t 视频。 ( 5 ) m p e g - 4 标准 m p e g - 4 标准的目标：用于6 4 k b p s 以下的低速率音频编码，适用于窄带多媒体 通信领域。 m p e g - 4 提出了基于内容压缩要求。就是要将基于内容的检索与编码综合考虑， 在压缩数据中要描述视频内容，使其对多媒体信息内容访问可直接针对压缩数据 开展，这是基于内容压缩的编码。 ( 6 ) m p e g - 7 标准 m p e g - 7 正式名称为多媒体内容描述接口。为各类型多媒体信息制定标准化描 述，描述的内容与多媒体信息的内容本身一起，支持用户对各种资料进行快速、 有效检索。 2 3 2 视频数据通信技术 2 3 2 1 应用需求 由于计算机技术与通信技术的飞速发展和广泛应用，计算机网络技术在过去 的2 0 年间取得了显著的发展。但随着分布式多媒体应用的发展，对计算机通信网 络技术提出了新的要求。视频传输的技术要求有以下几个方面。 ( 1 ) 足够的带宽。视频数据库的应用大约需要1 2 m b p s 以上的带宽用于单方 向的一个媒体流的传输。 ( 2 ) 低传输延迟。网络传输延迟是指有发送端系统发送的一个数据块的第一 位到接受端系统接收到该数据位之间的时间。端到端的总延迟是指在发送端准备 好发送信息块直到接收端接收完信息块所用的总时间。国际电信同盟( i t u ) 建议 最大的端到端的总延迟不要超过1 5 0 m s ，最大传输延迟大约为6 0 m s 。除去互连设 备引入的延迟，每一跳( h o p ) 的最大传输延迟为1 0 1 5 m s 。 ( 3 ) 低抖动。网络抖动对h d t v 品质的视频来说不应超过5 0 m s ，对广播质量 的视频来说应不超过l o o m s ，对视频会议质量的视频来说应不超过4 0 0 m s 。 ( 4 ) 低差错率。不同媒体可接受的差错率如表2 3 所示。其中b e r ( b i te r r o r r a t e ) 表示可接受的比特差错率，p e r ( p a c k e te r r o rr a t e ) 表示可接受分组差错 率。 表2 3 部分媒体的可接受差错率 t a b2 3h c c e p t a b i1i t ye r r o rr a t eo fp o r t i o nm e d i a 语音图象视频压缩视频数值 b e r 1 0 1 1 0 q 1 0 。2 1 0 。6o p e r 1 0 。1 1 0 。9 1 0 q 1 0 。9o ( 5 ) 多点通信。多媒体通信需要支持多播通信方式。多播又称为组播或多路 投递，其传送方式是把相同的数据送到一组选择的目的地站点。多播信息传递用 的是组( g r o u p ) 地址，组地址是网络上与多个站点相关的多目的地址。 ( 6 ) 媒体的同步。对于多媒体通信来说，同步可以划分为两种类型：流内同 步和流间同步。流内同步是保持单个媒体流内部的时间关系，即按照一定的延迟 和抖动约束来传送媒体分组流，以满足感官上的要求，不能满足流内同步的音频 流会出现断断续续的现象，而视频图象将变得不连续。流间同步是不同媒体之间 的同步，流间同步可以利用时间戳( t i m es t a m p i n g ) 和播放缓冲区相结合的方法 实现。 2 3 2 2 视频应用的网络技术分析 i e e e 把等时传输定义为事件或信号在可知的时间间隔内重现的时间特性，局 域网上的等时传输需要新的技术和标准。另外每当发送m p e g 格式全运动视频的一 电力系统视频监控系统中的视频数据库技术研究 个关键帧时，网络流量就会突增，而后继的预测帧数据量则相对较小，也就是说， 网络上的流量会随视频场景的改变忽大忽小，平均速率在1 5 m b p s 左右。所以， 网络在提供等时传输的同时，还必须能够支持突发的大流量传输。下面分析各种 网络技术在视频传输方面的应用。 ( 1 ) 以太网 以太网最初是为了满足多用户的数据传送，而不是为了进行同步传输设计的。 它使用的冲突检测载波侦听访问协议c s m a c d 具有时间不确定性，在高负荷情况 下，不能控制访问延迟，也就不能保证每个应用的可用带宽。对于视频来说，以 太网不提供任何存取优先机制，不能优先处理实时数据，因此以太网不是视频应 用的合适网络。 ( 2 ) 等时以太网 为了使i o m b p s 以太网能够支持视频应用，等时以太网采取在以太网的i o m 的 分组信道上增加一个专用的6 m b p s 的虚拟呼叫信道，并采用交换器的方式工作。 它为多媒体视频应用的等时传送提供一个专用信道；这个6 1 4 4 m b p s 的信道，相 当于9 6 条全双工的i s d n 的b 信道( 每条6 4k b p s ) 。这条信道只能够提供4 条实 时的视频传输通路，平均每条1 5 m b p s ，可以满足v c r 质量的视频要求。 ( 3 ) l o o b a s e - t 以太网 l o o b a s e - t 是一种将以太网扩展到l o o m b p s 的方案，是一种快速以太网技术， 目前已经由i e e e 8 0 2 3 工作组标准化，这个方案尽可能地保留了最初以太网的一 些标准，它工作在两条语音级的非屏蔽双绞线上，每段连接不能超过l o o m 。和标 准以太网一样，c s m a c d 技