井下视像技术研究

摘　要：随着测井技术的不断发展,井下视像技术在测井中的应用也取得突飞猛进的进步。本文系统介绍了其中的视频采集与制式分解技术、视频的压缩与传输技术等技术。

关键词：井下视像　视频采集　制式分解　数字视频

井下视像系统在套管井中，可以用来监测套管的错位、腐蚀、破裂、变形、断裂、射孔等状况；在裸眼井中，可用于孔洞地层结构、岩层裂缝等的识别。此外，还可用于监测油管或套管内壁的结垢情况；探明井下落物的位置与形状；检测射孔后套管的情况；了解射孔层位产液状况等。总之，井下视像技术能够直观、及时地发现井下所出现的问题，以积极、有针对性地采取弥补措施，这对于提高产量以及保证生产的顺利进行具有重要的意义。此外，它具有结构简单、体积小、图像直观实时可视、数字图像传输速率快、价格相对低廉等优势。从这个角度来说，井下视像技术将会有良好的应用前景。

一、视频采集与制式分解技术

1.视频采集

作为采集图像的装置，摄像头将收集到的视频信号转化为电信号，以便于进行信号处理。根据组成元件的差异，可将摄像头分为CCD摄像头和CMOS摄像头。CCD摄像头(Charge Coupled Device，电荷藕合器)是一种新型半导体集成光电器件，从20世纪70年代初发展起来，于1970年由美国贝尔实验室首先提出的。在经历了一段时间的研究开发之后，建立了一套基于一维势阱的非稳态CCD理论。近年来，CCD摄像头在视频采集领域得以广泛应用。CMOS摄像头是一种新兴的感光设备，其工作原理与CCD相同，不过偶尔会出现一些色偏，因此其成像的清晰度不如CCD。但这样的成像质量对于一般的应用来说完全可以接受。

当前摄像头有很多型号，要根据具体的应用情况来挑选。一般说来，对摄像头的基本要求包括较好的光源与系统性能匹配的图像分辨率，尽可能广的视角、尽可能小的直径。

2.制式分解

制式分解是指将模拟视频信号转换成数字YUV信号，包括数字化视频信号和转换信号格式。

数字化视频信号。数字视频信号的传输，首先需要解决的问题是将视频信号数字化。这包括两个方面：亮度电平值的离散和数字化，以及空间位置的离散和数字化。需要对视频信号进行抽样、量化和编码。（1）抽样、量化信号。二维平面图像看可表示为f(x，y，t)，该函数在时间和空间上都是连续的，其所包含的信息是无穷的，且所占带宽是无限的。因此需要对其加于限制，抽样和量化是可采取的有效方法。（2）数字编码。视频信号是一种有灰度层次的图像信号，对视频信号进行数字编码的原理是：在保证一定质量的前提下(按主观评价得分或信噪比要求)，以最少比特数表达视频图像。对标量量化来说，通常先对视频信号进行线性PCM编码，其信噪比与量化比特数的关系为：每像素的编码比特数每减少或增加1，信噪比大约减少或增加6dB。

转换信号格式。图像的RGB空间表示，是指将视频描述成一组连续的画面，并将每个画面看成二维像素阵列，而每一像素的彩色表示由三个分量构成：R（红），G（绿），B（蓝）。但大多数压缩算法是在另一个彩色空间，对PAL制式来说，是在YUV空间中进行压缩处理。在YUV空间里，每一彩色像素包含另外三个分量： Y（亮度分量），U、V（两个色差分量）。可通过两个空间之间的联系进行空间转换。两个彩色空间的转换是以人类视觉系统的特性为基础的：在RGB空间中，R、G、B三个信号中的其中一个有变化，则总的图像色彩就会产生变化，肉眼能轻易识别这种变化；但肉眼对Y，U，V三个信号变化的反应是不同的，其中亮度分量的变化比较敏感，而对色差分量的变化不是很敏感，由此可以较多的考虑亮度信号，而采用一些处理方法以提高色差信号的压缩比。

二、视频的压缩与传输技术

1.数字视频压缩

由于数据量的庞大，且受存储空间与信道带宽的制约，数字图像和视频在实际应用存在很大的困难，数据压缩就变得十分必要，并出现了各种压缩算法和以ITU-T的H.261/263、ISO的JPEG和MPBG-1/2等为代表的国际压缩标准。这些压缩算法主要采用的是通过块运动估计/补偿技术进行时间冗余的消除，基于块的离散余弦变换进行空间冗余的消除，最后经过变长编码消除统计冗余，它们在实际中都得到了广泛的应用。

一般来说，图像压缩技术分为有损图像压缩技术和无损图像压缩技术两大类，其中后者的普遍缺陷是压缩比过小，如位平面编码、变长编码、无损预测编码(DPCM)等，因此其应用领域有很大的局限。当前应用较广泛的有损图像压缩算法主要有两种：一种是传统的有损图像压缩技术，以离散余弦变换(DCT，Discrete Cosine Transformation)为代表。由于其原理存在明显的缺陷，使得离散余弦变换在大压缩比的情况下，易出现“方块”效应。此外，由于DCT变换必须存储三角函数，且在运算过程中会有舍入误差，就极大地影响了解压精度。当今流行的另外一种有损图像压缩技术是分形压缩，此种压缩算法是基于分形几何中的自相似原理来实现图像的有损压缩，其压缩效果较为理想。但是，由于分形压缩算法的压缩编码速度太慢，且随着被压缩图像的增大，运算复杂度过高，运算量增长过快，因此阻碍了分形压缩编码技术进入实用阶段。而小波或子带变换分解以其能量能集中在一些系数上、去象素间的相关性、多率/多尺度的结构和允许应用匹配每个频带的统计性以及人的视觉特征的有效编码方法，成为强有力的图像编码工具。数据压缩的基本目的是减少传输的码流位率与存贮空间，并保持可靠的图像的质量或信任度。基于此，矢量量化也是常见且有效的压缩编码方法之一，它能把分解的信号转换成可利用带外和带内相关性和高维矢量空间分维灵活性的位率。

2.视频传输

依据所传输的视频信号的类型，视频传输可分为数字传输和模拟传输。其中，数字传输使用了最新的信道编码和信源编码技术，提高了频谱/功率的综合利用率，且抗干扰能力强；可以大幅提高视频图像质量，易进入宽带综合业务数字网，适合于多媒体通信网络。

在进行传输之前，数字信号必须经过信道编码和调制。信道编码是指将冗余度引入到信源的二进制序列中引，以克服非理想信道引起的噪声干扰和失真损坏发送信号，有利于接收机对荷载信息的序列进行正确的解码。此后，要通过信道向接收机发送经过信道编码后的序列，需要选用适应信道特性的发送信号形式。作为数字传输的常用系统，载波数字传输系统的基本思想是选择一组有限离散的波形来代表多进制或二进制数字信息，这些波形需能够适合于在实际信道中传输。在传输系统的接收端，有一个数字解码器，其作用是处理经过信道传输被劣化了的信号，并判决每个信号，还原成单一数值，该数值表示所发送数字符合的估计值，解调器将产生的判决输出到解码器，解码器根据接收数据中所包含的冗余度和信道编码器所使用的编码规则去恢复原始的信息序列。

三、结论

随着油气田的开发，地层测试技术对提高采收率有十分重要的意义。而井下视像技术具有色彩丰富、清晰精确、直观可视等特点，在石油领域具有广阔的应用空间与前景，在测井技术中也会越来越明显的作用。当然任何一项新技术新方法的应用和推广都需要一个相对长时间的实践过程，这需要我们在理论研究和实践探索中不断探索和完善这项技术。

参考文献

[1]张家田.井下电视成像技术研究[J].石油仪器，2005（5）.

[2]易朋莹，张顺斌，张超.井下电视成像技术在滑坡勘察中的应用[J].矿产勘察，2011（5）.