CN107241122B - 一种基于电力线的视频信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力线的视频信号传输方法，该方法能够利用电力线传输视频信号。该方法利用数字编码获得最佳的编码效率，模拟编码获得平缓的视频质量变化，通过混合数模编码方法，有效地结合二者的优点，利用数字编码调制中的功率余量传输增强层相关的信息，在提高功率利用率的同时增强视频传输的重建质量；根据信道状况动态调整目标信息速率，保证全天候的通信可达性；且在同样的带宽条件下动态实现不同信息速率的传输，最大化利用带宽，并保证通信速率和成功率；视频数据解码过程中，通过创建ION共享内存并利用私有句柄结构对象直接访问接收端窗口缓存器中的视频解码数据，减少了CPU的压力，提高了视频信号传输的效率。

Description

一种基于电力线的视频信号传输方法

技术领域

本发明涉及电力载波通信技术，具体涉及一种基于电力线的视频信号传输方法。

背景技术

目前，电使用已经遍及千家万户，但如何实现家用电的智慧管理，是政府部门和相关厂商需要考虑的问题。通过物联网解决这一问题是一个很好的思路和途径，不过目前对于智慧电力物联网***的研究还处于初步发展阶段，研究较少。

电力载波是电力***特有的通信方式，电力载波通讯(Power lineCommunication，PLC)是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。近年来，宽带电力线载波通信(BPLC：Broadband Power Line Carrier)技术得到了广泛应用，尤其大量应用于智能电网抄表***、能源互联网、智能家居和工业数据采集等场景。

视频监控在电力设备监控中存在广泛的应用中，当前视频信号的传输主要依靠光缆或其他单独的传输通道进行传输，成本较高。现有技术中尚未见采用电力线进行视频信号传输的报道。

电力线载波通信网络具有无需重复布线的优点，可大大减少视频传输网络筹建费用。利用已有的电力线资源进行通信，既能满足通信需求，又可解决布线困难，且基础建设投资和日常维护费用低廉，因此电力线载波通信技术具有很高的经济性、便捷性和实用性。但是电力线路设计的初衷是为了完成电能配送而非数据的传输，因而对于数据通信而言，电力线网络并不是一种可靠的通信载体，首先，电力线对通信信号会造成强烈的衰减，这种衰减幅度时变性很强，取决于信号频率、网络拓扑、负载电器等等。

现有的电力线载波通信***和装置中的频段分为窄带(30kHz-500kHz)和宽带(2MHz-30MHz)通信，电力线载波通信信道受到各种干扰、衰减、反射等多种影响，使得信道的频率和相位响应变得十分复杂，导致通信成功率随时间和线路变化差异性很大。

此外，视频信号与传统的网络数据传输的差别在于视频对实时性要求较高，另一方面，用户对于视频传输中的一些差错和失真是可以容忍的。这就给模拟编码传输创造了一个应用场景。现有数字编码它存在悬崖效应。信源经过熵编码之后，经过信道传输。根据香农的分离编码理论，对于点到点通信，这个性能是可以达到最优的。但这个最优性能是有前提的，一是要对信道质量估计非常准确；一旦信源数字编码的码率确定之后，如果信道质量发生变化，信道变得更好，也不能利用信道质量变好带来的增益，如果信道质量变差，差到临界点，整个视频质量就会出现悬崖效应。

发明内容

本发明提供一种基于电力线的视频信号传输方法，该方法可以利用电力线传输视频信号，不需要建立专门的视频信号传输网络，实现监控视频信号的经济通信，且能保证信号传输的可靠性和及时性；成本较低；利用数字编码获得最佳的编码效率，模拟编码获得平缓的视频质量变化，充分利用数字编码调制中的功率余量传输增强层相关的信息，在提高功率利用率的同时增强视频传输的重建质量；可以保证全天候的通信可达性；且在同样的带宽条件下动态实现不同信息速率的传输，可以最大化利用带宽，并可以保证通信速率和成功率；减少了CPU的压力，提高了视频信号传输的效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于电力线的视频信号传输方法，该方法能够利用电力线传输视频信号。

一种优化方案，包括如下步骤：

S1.在多个电力设备之间设置多个载波数据发送端和并在中控室设置载波数据接收端；

S2. 原始视频信号经基本层数字编码和增强层模拟编码的分层编码，对应得到数字信道编码信号和模拟编码信号，将数字信道编码信号和模拟编码信号打包得到待发送数据包；

S3. 获取待发送的数据包，并动态确定目标信息速率；

S4. 根据预设的帧结构确定信息帧，所述信息帧包括信息帧头和所述信息数据，所述信息帧头包括所述目标信息速率，所述信息数据包括所述数据包；

S5. 将所述信息帧发送至中控室接收端，完成视频信号的传输。

进一步地，其中在S2中，基本层数模编码过程为：原始视频信号经基于最优量化参数的数字信源编码器得到数字比特流，数字比特流经数字信道编码器得到数字信道编码信号，增强层模拟编码过程为：数字比特流经视频解码器得到重建的数字编码视频，原始视频信号与重建的数字编码视频求差得到残差信号，残差信号经模拟编码器得到模拟编码信号。

进一步地，在所述S3中，包括：按照预设的临时信息速率向接收端发送信道探测帧，指示所述接收端确定接收所述信道探测帧的第一信噪比，所述信道探测帧包括发送功率；获取接收端以所述临时信息速率发送的应答帧，所述应答帧包括所述第一信噪比；确定接收所述应答帧的第二信噪比；在所述第一信噪比和所述第二信噪比均不小于预设阈值时，将所述临时信息速率作为所述目标信息速率。

进一步地，在所述按照预设的临时信息速率向接收端发送信道探测帧之后，还包括：当在预设时间段内未接收到接收端发送的应答帧时，重复执行更新所述临时信息速率，直至接收到接收端发送的应答帧；更新所述临时信息速率包括：降低所述临时信息速率，并将降低后的临时信息速率作为新的临时信息速率。

进一步地，在所述步骤S5中，所述视频信号传输过程中，还建立了残差信号分块后的子块的块方差与量化参数之间的线性函数关系。

进一步地，所述残差信号分块后的子块的块方差与量化参数之间的线性函数关系，对应的建立过程为：

S51.在设定的量化参数取值范围内，选取最高值QP_min和最低值QP_max；

S52.将原始视频信号划分为多个画面组GoP，由每个GoP分别得到与QP_min和QP_max对应的残差信号数据；

S53对步骤S52.获得的两组的残差信号数据分别进行三维DCT变换，将三维DCT变换得到的DCT系数进行分块，获取分块后每个子块的块方差，用λ_i表示第i个子块的块方差；

S54.用线性函数lnλ_i＝k_i·QP+w_i表示lnλ_i随QP变化的曲线，可得：

式中，

和

表示在QP_min和QP_max下第i个子块的块方差，k_i和w_i为第i个子块对应的曲线参数；

S55.对于一个GoP中的每个子块，都对应得到一组k_i和w_i，则对于任意给出的一个量化参数QP的数值，可得在量化参数QP下第i个子块的块方差λ_{i_QP}为：

λ_{i_QP}＝exp(k_i·QP+w_i)。

进一步地，在所述步骤S5中，还包括视频信号重建的过程。

进一步地，所述视频信号重建的过程为：

接收端接到的所述信息帧经数字信道解码器得到重建的数字信道编码信号，由重建的数字信道编码信号得到重建的数字比特流，重建的数字比特流经数字信源解码器得到重建的数字编码视频；

接收端接到到的所述信息帧与重建的数字信道编码信号求差得到带躁的模拟编码信号，带躁的模拟编码信号经模拟解码器得到重建的残差信号；

重建的数字编码视频与重建的残差信号相叠加，获得重建的原始视频信号。

进一步地，所述数字信道解码器通过如下方法重建数字信道编码信号：

通过数字信道管理函数创建一包含文件标识符的ION共享内存；

根据所述文件标识符构建私有句柄结构对象并根据所述私有句柄结构对象以及所述ION共享内存创建接收端窗口缓存器。

在接收端接收到所述信息帧时，将所述信息帧中的所述数据包填充至所述接收端窗口缓存器中；

将被所述数据包填充的所述接收端窗口缓存器对应的所述私有句柄结构对象传递至一视频库中；

所述视频库根据接收到的所述接收端窗口缓存器对应的私有句柄结构对象访问所述接收端窗口缓存器中的所述数据包，并进行解码。

本发明具有以下优点和有益效果：

（1）利用数字编码获得最佳的编码效率，模拟编码获得平缓的视频质量变化。通过混合数模编码方法，可以有效地结合二者的优点，充分利用数字编码调制中的功率余量传输增强层相关的信息，在提高功率利用率的同时增强视频传输的重建质量；

（2）根据信道状况动态调整目标信息速率，可以保证全天候的通信可达性；且在同样的带宽条件下动态实现不同信息速率的传输，可以最大化利用带宽，并可以保证通信速率和成功率；

（3）视频数据解码过程中，通过创建ION共享内存并利用私有句柄结构对象直接访问接收端窗口缓存器中的视频解码数据，减少了CPU的压力，提高了视频信号传输的效率。

附图说明

图1示出了本发明的一种基于电力线的视频信号传输方法的流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1一种基于电力线的视频信号传输方法

本发明提供一种基于电力线的视频信号传输方法，该方法具体包括如下步骤：

S1.在多个电力设备之间设置多个载波数据发送端和并在中控室设置载波数据接收端；

S2. 原始视频信号经基本层数字编码和增强层模拟编码的分层编码，对应得到数字信道编码信号和模拟编码信号，将数字信道编码信号和模拟编码信号打包得到待发送数据包。本发明利用数字编码获得最佳的编码效率，模拟编码获得平缓的视频质量变化。通过混合数模编码方法，可以有效地结合二者的优点，充分利用数字编码调制中的功率余量传输增强层相关的信息，在提高功率利用率的同时增强视频传输的重建质量，从而实现质量可伸缩性和编码效率的有效权衡。

S3. 获取待发送的数据包，并动态确定目标信息速率。

S4. 根据预设的帧结构确定信息帧，所述信息帧包括信息帧头和所述信息数据，所述信息帧头包括所述目标信息速率，所述信息数据包括所述数据包。

S5. 将所述信息帧发送至中控室接收端，完成视频信号的传输。其中，所述信息帧的发送速率参照所述目标信息速率。接收端无需事先协商即可正确解调和接收，无需增加复杂的解调算法。同时，根据信道状况动态调整目标信息速率，可以保证全天候的通信可达性；且在同样的带宽条件下动态实现不同信息速率的传输，可以最大化利用带宽，并可以保证通信速率和成功率。

其中在S2中，基本层数模编码过程为：原始视频信号经基于最优量化参数的数字信源编码器得到数字比特流，数字比特流经数字信道编码器得到数字信道编码信号，增强层模拟编码过程为：数字比特流经视频解码器得到重建的数字编码视频，原始视频信号与重建的数字编码视频求差得到残差信号，残差信号经模拟编码器得到模拟编码信号。

优选的，在所述S3中，包括：按照预设的临时信息速率向接收端发送信道探测帧，指示所述接收端确定接收所述信道探测帧的第一信噪比，所述信道探测帧包括发送功率；获取接收端以所述临时信息速率发送的应答帧，所述应答帧包括所述第一信噪比；确定接收所述应答帧的第二信噪比；在所述第一信噪比和所述第二信噪比均不小于预设阈值时，将所述临时信息速率作为所述目标信息速率。

优选的，在所述按照预设的临时信息速率向接收端发送信道探测帧之后，还包括：当在预设时间段内未接收到接收端发送的应答帧时，重复执行更新所述临时信息速率，直至接收到接收端发送的应答帧；所述更新所述临时信息速率包括：降低所述临时信息速率，并将降低后的临时信息速率作为新的临时信息速率。

优选的，在所述步骤S5中，所述视频信号传输过程中，还建立了残差信号分块后的子块的块方差与量化参数之间的线性函数关系，对应的建立过程为：

S51.在设定的量化参数取值范围内，选取最高值QP_min和最低值QP_max；

S52.将原始视频信号划分为多个画面组GoP，由每个GoP分别得到与QP_min和QP_max对应的残差信号数据；

S53对步骤S52获得的两组的残差信号数据分别进行三维DCT变换，将三维DCT变换得到的DCT系数进行分块，获取分块后每个子块的块方差，用λ_i表示第i个子块的块方差；

S54.用线性函数lnλ_i＝k_i·QP+w_i表示lnλ_i随QP变化的曲线，可得：

式中，

和

表示在QP_min和QP_max下第i个子块的块方差，k_i和w_i为第i个子块对应的曲线参数；

S55.对于一个GoP中的每个子块，都对应得到一组k_i和w_i，则对于任意给出的一个量化参数QP的数值，可得在量化参数QP下第i个子块的块方差λ_{i_QP}为：

λ_{i_QP}＝exp(k_i·QP+w_i)。

优选的，在所述步骤S5中，还包括视频信号重建的过程：

接收端接到到的所述信息帧经数字信道解码器得到重建的数字信道编码信号，由重建的数字信道编码信号得到重建的数字比特流，重建的数字比特流经数字信源解码器得到重建的数字编码视频。

接收端接到到的所述信息帧与重建的数字信道编码信号求差得到带躁的模拟编码信号，带躁的模拟编码信号经模拟解码器得到重建的残差信号。具体的，将带噪的模拟编码信号采用LLSE做模拟解码获得重建的残差信号(LLSE是解码器的重要组成部分，LLSE采用一种叫做最小线性平方估计的算法对从PHY物理层接收到的数据进行反白化，反能量分配过程)。

重建的数字编码视频与重建的残差信号相叠加，获得重建的原始视频信号。

优选的，所述数字信道解码器通过如下方法重建数字信道编码信号：

通过数字信道管理函数创建一包含文件标识符的ION共享内存；

根据所述文件标识符构建私有句柄结构对象并根据所述私有句柄结构对象以及所述ION共享内存创建接收端窗口缓存器。

在接收端接收到所述信息帧时，将所述信息帧中的所述数据包填充至所述接收端窗口缓存器中；

将被所述数据包填充的所述接收端窗口缓存器对应的所述私有句柄结构对象传递至一视频库中；

所述视频库根据接收到的所述接收端窗口缓存器对应的私有句柄结构对象访问所述接收端窗口缓存器中的所述数据包，并进行解码。

优选的，所述私有句柄定义为：

在数据I/O中，如果要从数据包中读取数据，应用程序首先要调用操作***函数并传送文件名，并选择一个到该文件的路径来打开文件；上述操作***函数取回一个顺序号，即私有句柄(file handle)，该私有句柄对于打开的文件是唯一的识别依据；要从数据包中读取一块数据，应用程序需要调用函数ReadFile，并将私有句柄在内存中的地址和要拷贝的字节数传送给操作***；buffer(缓冲寄存器，也可以称为缓冲器)可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (3)

1.一种基于电力线的视频信号传输方法，该方法包括如下步骤：

S1.在多个电力设备之间设置多个载波数据发送端和并在中控室设置载波数据接收端；

S2.原始视频信号经基本层数字编码和增强层模拟编码的分层编码，对应得到数字信道编码信号和模拟编码信号，将数字信道编码信号和模拟编码信号打包得到待发送数据包；

S3.获取待发送的数据包，并动态确定目标信息速率；

S4.根据预设的帧结构确定信息帧，所述信息帧包括信息帧头和信息数据，所述信息帧头包括所述目标信息速率，所述信息数据包括所述数据包；

S5.将所述信息帧发送至中控室接收端，完成视频信号的传输；

其中在S2中，基本层数模编码过程为：原始视频信号经基于最优量化参数的数字信源编码器得到数字比特流，数字比特流经数字信道编码器得到数字信道编码信号，增强层模拟编码过程为：数字比特流经视频解码器得到重建的数字编码视频，原始视频信号与重建的数字编码视频求差得到残差信号，残差信号经模拟编码器得到模拟编码信号；

所述S3中，包括：按照预设的临时信息速率向接收端发送信道探测帧，指示所述接收端确定接收所述信道探测帧的第一信噪比，所述信道探测帧包括发送功率；获取接收端以所述临时信息速率发送的应答帧，所述应答帧包括所述第一信噪比；确定接收所述应答帧的第二信噪比；在所述第一信噪比和所述第二信噪比均不小于预设阈值时，将所述临时信息速率作为所述目标信息速率；

在所述按照预设的临时信息速率向接收端发送信道探测帧之后，还包括：当在预设时间段内未接收到接收端发送的应答帧时，重复执行更新所述临时信息速率，直至接收到接收端发送的应答帧；所述更新所述临时信息速率包括：降低所述临时信息速率，并将降低后的临时信息速率作为新的临时信息速率；

在所述步骤S5中，所述视频信号传输过程中，还建立了残差信号分块后的子块的块方差与量化参数之间的线性函数关系，对应的建立过程为：

S51.在设定的量化参数取值范围内，选取最高值QP_min和最低值QP_max；

S52.将原始视频信号划分为多个画面组GoP，由每个GoP分别得到与QP_min和QP_max对应的残差信号数据；

S53.对步骤S52.获得的两组的残差信号数据分别进行3维DCT变换，将3维DCT变换得到的DCT系数进行分块，获取分块后每个子块的块方差，用λ_i表示第i个子块的块方差；

S54.用线性函数lnλ_i＝k_i·QP+w_i表示lnλ_i随QP变化的曲线，可得：

式中，

和

表示在QP_min和QP_max下第i个子块的块方差，k_i和w_i为第i个子块对应的曲线参数；

S55.对于一个GoP中的每个子块，都对应得到一组k_i和w_i，则对于任意给出的一个量化参数QP的数值，可得在量化参数QP下第i个子块的块方差λ_{i_QP}为：

λ_{i_QP}＝exp(k_i·QP+w_i)。

2.如权利要求1所述的方法，在所述步骤S5中，还包括视频信号重建的过程：

接收端接到的所述信息帧经数字信道解码器得到重建的数字信道编码信号，由重建的数字信道编码信号得到重建的数字比特流，重建的数字比特流经数字信源解码器得到重建的数字编码视频；

接收端接到的所述信息帧与重建的数字信道编码信号求差得到带躁的模拟编码信号，带躁的模拟编码信号经模拟解码器得到重建的残差信号；

重建的数字编码视频与重建的残差信号相叠加，获得重建的原始视频信号。

3.如权利要求2所述的方法，所述数字信道解码器通过如下方法重建数字信道编码信号：

通过数字信道管理函数创建一包含文件标识符的ION共享内存；

根据所述文件标识符构建私有句柄结构对象并根据所述私有句柄结构对象以及所述ION共享内存创建接收端窗口缓存器；

在接收端接收到所述信息帧时，将所述信息帧中的所述数据包填充至所述接收端窗口缓存器中；

将被所述数据包填充的所述接收端窗口缓存器对应的所述私有句柄结构对象传递至一视频库中；

所述视频库根据接收到的所述接收端窗口缓存器对应的私有句柄结构对象访问所述接收端窗口缓存器中的所述数据包，并进行解码。

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