基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)*

陳紹祥,黃建剛,劉金德

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610106)

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基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)*

陳紹祥,黃建剛,劉金德

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610106)

基于H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的500像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),具備多種視頻預(yù)處理功能，有利于提高視頻質(zhì)量。采用H.265視頻編碼壓縮技術(shù)，具有較高的壓縮比，在較窄的網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下，能夠傳輸流暢的高清視頻信號(hào)，降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的要求，有利于高清視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的推廣和應(yīng)用。

H.265標(biāo)準(zhǔn)；高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；視頻預(yù)處理

引　言

隨著人們生活水平的提高、安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，社會(huì)各行各業(yè)對(duì)視頻監(jiān)控的需求越來越大，要求也越來越高。構(gòu)建“看得更清”、“看得更遠(yuǎn)”的高清視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)已成業(yè)界追求的目標(biāo)[1]。高清視頻在帶來更加清晰、逼真的視覺效果的同時(shí),其海量的視頻數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬提出了更高的要求，因此，對(duì)海量的高清視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行更高效率的壓縮成了亟待解決的問題[2]。

表征圖像清晰度的主要參數(shù)——分辨率，從之前的CIF、D1到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的720P、1080P,視頻清晰度逐步得到了提高，如今，業(yè)界已經(jīng)提出了500W、4K的要求。另一方面，視頻圖像的壓縮經(jīng)歷了從MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4到目前廣泛應(yīng)用的H.264的演進(jìn)歷程。H.265是繼H.264之后的最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年4月13日正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是，相比H.264/AVC HP(High Profile)的圖像質(zhì)量，碼率降低50%[3-4]。

本文介紹了一種基于H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)方案，該方案采用644萬像素的高清圖像傳感器來采集動(dòng)態(tài)圖像信息，利用H.265壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以達(dá)到在較低網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬下實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的目的。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)由高清電動(dòng)鏡頭、圖像傳感器單元、編碼控制單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元、存儲(chǔ)單元和電源變換單元組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，高清電動(dòng)鏡頭負(fù)責(zé)收集監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的光信號(hào)，在編碼控制單元的控制下，完成對(duì)進(jìn)入圖像傳感器單元的光線強(qiáng)弱的調(diào)整，完成聚焦、變倍等功能，使被監(jiān)控場(chǎng)景可清晰地聚焦到圖像傳感器上。圖像傳感器單元接收高清電動(dòng)鏡頭模組聚焦到傳感器靶面上的光信號(hào)，完成光學(xué)圖像到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，內(nèi)嵌的ISP(Image Signal Processing：圖像信號(hào)處理)功能能夠完成3A(AE，自動(dòng)曝光；AWB，自動(dòng)白平衡；AF，自動(dòng)增益)控制。編碼控制單元接收?qǐng)D像傳感器單元采集到的視頻信號(hào)，首先對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行降噪、增強(qiáng)、去抖、除霧等視頻預(yù)處理，以提高視頻圖像質(zhì)量，然后按照H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮；與此同時(shí)，它也完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、控制和管理功能，是本系統(tǒng)的核心。編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)，采用RTSP協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)接口單元傳輸?shù)絀P網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸和訪問控制。電源變換單元將外部提供的12 V直流電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部其余各單元需要的工作電源。

2　圖像傳感器單元的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)方案中，圖像傳感器采用SONY公司的IMX178LQJ 高分辨率、高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍的1/1.8 CMOS型圖像傳感器，總像素為3 096(H)×2 094(V)約644萬像素，并可根據(jù)需要靈活配置多種格式，最高幀率為60幀/秒，最低照度達(dá)到了0.002 lux(彩色)/0.001 lux(黑白)。圖像傳感器單元的感光靶面接收由高清電動(dòng)鏡頭進(jìn)入的光信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,處理后，以LVDS(Low-Voltage Differential Signaling,低電壓差分信號(hào))輸出。

傳感器IMX178LQJ輸出的LVDS信號(hào)包括8對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)(LVDS_D_1～10)和兩對(duì)時(shí)鐘信號(hào)(LVDS_C_1～2)，用于傳輸經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和處理之后的視頻數(shù)據(jù)，以便編碼控制模塊進(jìn)行編碼。圖像傳感器工作的主時(shí)鐘INCK由編碼控制模塊提供，根據(jù)應(yīng)用需求，可以接收27 MHz、37.125 MHz、54 MHz、74.25 MHz頻率的時(shí)鐘。IMX178LQJ還具有自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等功能，編碼控制單元通過四線串行外圍接口(Serial Peripheral Interface，SPI)完成對(duì)相應(yīng)功能參數(shù)的配置和調(diào)整，以提高視頻質(zhì)量。圖像傳感器單元與編碼控制單元的接口連接圖如圖2所示。

圖2　圖像傳感器單元與編碼控制單元的接口連接圖

3　編碼控制單元的設(shè)計(jì)

圖像傳感器單元輸出的LVDS信號(hào)進(jìn)入壓縮控制單元，該單元按照H.265標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮處理，同時(shí)，該單元也負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、管理和控制工作。

由于H.265標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的時(shí)間不長(zhǎng)，可供選擇的支持H.265標(biāo)準(zhǔn)的芯片不多。在本系統(tǒng)中，選用Hi3516A芯片來完成壓縮功能。Hi3516A是海思公司推出的基于H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處理器。Hi3516A處理器采用海思先進(jìn)的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)固有的圖像振鈴效應(yīng)，極大減少了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的拖尾現(xiàn)象和塊效應(yīng)，支持H.264 BP/MP/HP、H.265 Main Profile、MJPEG/JPEG Baseline 編碼[5]。

Hi3516A的視頻捕獲單元VICAP( Video Capture)通過 LVDS信號(hào)接口接收?qǐng)D像傳感器單元輸出的視頻數(shù)據(jù)。VICAP支持內(nèi)嵌ISP處理單元，針對(duì)機(jī)載視頻的特點(diǎn)，可以對(duì)視頻圖像進(jìn)行白平調(diào)節(jié)、降噪、強(qiáng)光抑制、背光補(bǔ)償、色彩增強(qiáng)、壞點(diǎn)校正、數(shù)字防抖、去霧等視頻預(yù)處理功能，以提高視頻質(zhì)量，經(jīng)過預(yù)處理后的視頻數(shù)據(jù)存入輸入圖像緩沖區(qū)，作為后續(xù)進(jìn)行H.265視頻壓縮的數(shù)據(jù)源。

Hi3516A完成H.265的壓縮，是由內(nèi)部的VEDU(Video Encode Decode Unit)單元來完成的，VEDU是一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的支持 H.265 視頻標(biāo)準(zhǔn)的編碼器。VEDU 編碼實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)估計(jì)/幀間預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)、變換/量化、反量化/反變換、 CABAC 編碼及碼流生成、 de-blocking 濾波、 SAO 等協(xié)議/算法處理。Hi3516A內(nèi)嵌Cortex-A7核 600 MHz處理器，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用軟件可以完成碼率控制和中斷處理等編碼控制處理。編碼壓縮后的視頻碼流在碼流緩沖區(qū)內(nèi)緩存，然后通過內(nèi)嵌的GSF(Gigabit Switch Fabric)千兆以太網(wǎng)交換接口輸出到網(wǎng)絡(luò)接口單元。

編碼控制單元是本高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的控制核心，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，負(fù)責(zé)各進(jìn)程的調(diào)度。HI3516A內(nèi)嵌Cortex-A7核 600 MHz的嵌入式硬件處理器，在其上運(yùn)行Linux嵌入式操作系統(tǒng)軟件，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的配置、管理和運(yùn)行控制。

4　網(wǎng)絡(luò)接口單元的設(shè)計(jì)

編碼控制模塊將編碼后的視頻數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)接口單元發(fā)送到視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)接口單元支持 10/100/1000 Mb/s 速率自適應(yīng)功能，工作模式可配置，支持全雙工、半雙工工作模式。網(wǎng)口可實(shí)現(xiàn)和CPU 端口間的數(shù)據(jù)通信。另外，網(wǎng)口支持 EEE(Engery Efficient Ethernet)能效以太網(wǎng) WoL(Wake_on_LAN)網(wǎng)絡(luò)喚醒功能，支持 RMII/RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口。在本方案中，選用RTL8211作為以太網(wǎng)PHY接口芯片，它通過RGMII接口與Hi3516A的千兆以太網(wǎng)交換接口連接，提供10M/100M/1000M速率自適應(yīng)以太網(wǎng)絡(luò)物理接口。網(wǎng)絡(luò)接口單元與編碼控制單元之間的連接關(guān)系如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)接口單元與編碼控制單元之間的連接圖

5　輔助單元的設(shè)計(jì)

(1) 存儲(chǔ)單元

在本系統(tǒng)中，選用兩片H5TC4G63AFR(DDR3SDRAM)提供8 Gb存儲(chǔ)空間，以滿足進(jìn)行H.265壓縮對(duì)于數(shù)據(jù)存緩存空間以及處理器運(yùn)行對(duì)于緩存數(shù)據(jù)空間的需求。采用256 Mb存儲(chǔ)空間 的SPI Flash芯片MX25L25635和128 Gb存儲(chǔ)空間的NAND Flash芯片MT29F64G08 CFABAWP來存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。

(2) 電源變換單元

本高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接收外部DC 12 V供電，經(jīng)電源變換模塊轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部需要的5 V、3.3 V、2.9 V、1.8 V和1.2 V電源。為避免I/O在上電時(shí)電流過大，要求3.3 V先于1.2 V上電,電源變換模塊原理框圖如圖4所示。

結(jié)　語(yǔ)

對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，錄制6分鐘的視頻，如果采用H.264的壓縮方式，其文件大小為305 Mb，而采用本文所設(shè)計(jì)的基于H.265的視頻處理系統(tǒng)來進(jìn)行錄制，其文件大小為75.6 Mb，是前者的四分之一，且視頻效果相當(dāng)甚至更好。本高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在提供2 592(H)×1944(V)×30

圖4　電源變換單元功能框圖

幀約500萬像素的動(dòng)態(tài)視頻時(shí)，僅需要2 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。采用本系統(tǒng)所具備的圖像增強(qiáng)、降噪、去霧和感興趣區(qū)域編碼等視頻預(yù)處理功能，能有效地改善圖像的質(zhì)量。將本文所述的基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)應(yīng)用于視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，可以達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)空間、減少傳輸帶寬的目標(biāo)，有利于高清視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的推廣和應(yīng)用。

[1] 李虹. 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)研究[J].中國(guó)化工貿(mào)易, 2016, 8(2).

[2] 陳志文. 基于TMS320DM368高清視頻壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 西安：中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所), 2012.

[3] 陳德元. 新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.265應(yīng)用前瞻[J].中國(guó)多媒體通信, 2013(7):17-19.

[4] 安然, 王浩全, 張秀林,等.下一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.265的核心技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2014(4):210-213.

[5] 海思.Hi3516A/Hi3516D HD IP Camera SoC Data Sheet,2012.

陳紹祥(高級(jí)工程師)，主要從事圖像處理、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)研究。

編者按： 我們的時(shí)代是一個(gè)智能化工具代替人類腦力勞動(dòng)的時(shí)代。人類智能有思維與行為兩種形式，它們都體現(xiàn)為人類個(gè)體的腦力勞動(dòng)。與之對(duì)應(yīng)的人工智能有通用計(jì)算機(jī)的智力平臺(tái)與嵌入式系統(tǒng)的工具智力嵌入，它們體現(xiàn)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的智力革命。從本期開始，將分4期連續(xù)刊登有關(guān)人工智能的系列文章，包括人工智能的源頭、人工智能的兩個(gè)領(lǐng)域、知識(shí)學(xué)視角的人工智能，以及人工智能的現(xiàn)狀與人類未來。

Design of High-definition IP Camera Based on H.265

Chen Shaoxiang,Huang Jiangang,Liu Jinde

(School of Information Science and Engineering,Chengdu University,Chengdu 610106,China)

The 5 million pixel high-definition IP Camera based on H.265 standard has a variety of video preprocessing functions,it can improve the video quality.The design uses the H.265 video compression technology,which has high compression ratio and can transmit the smooth HD video signal under the condition of small network bandwidth.The design can reduce the requirement of the network transmission bandwidth,and is useful for the promotion and application of the high-definition video network monitoring system.

H.265 standard;high-definition IP camera;video preprocessing

成都市科技局科技惠民項(xiàng)目(2014-HM01-00075-SF)；四川省教育廳科研計(jì)劃(14ZA0324)。

TP274

A

(責(zé)任編輯：楊迪娜2016-04-01)