基于HEVC編碼框架的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許才頊，解迪，勞志成

（1.梧州學(xué)院廣西機(jī)器視覺與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西梧州，543000；2.梧州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣西梧州，543000）

0 引言

信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了新媒體技術(shù)的進(jìn)步，視頻監(jiān)控技術(shù)也逐漸被重視起來，傳統(tǒng)的監(jiān)控方法過于依賴人力，不僅提高了監(jiān)控成本，還達(dá)不到較好的監(jiān)控效果，視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控方法可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效擴(kuò)大了監(jiān)控的范圍，提高了監(jiān)控效率[1-3]。在HEVC技術(shù)的基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員開發(fā)了HEVC編碼框架，該框架能提高網(wǎng)絡(luò)傳輸親和力，實(shí)現(xiàn)碼流節(jié)省編碼，因此本文基于HEVC編碼框架設(shè)計(jì)了視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，促進(jìn)視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 基于HEVC編碼框架的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

此次系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中包括綜合監(jiān)控電路、X265視頻編碼器和ZC301攝像頭，根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 綜合監(jiān)控電路

為了保證視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控的可靠性，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組建了綜合監(jiān)控電路，保證組件開發(fā)的穩(wěn)定性，首先根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的CEC板設(shè)計(jì)綜合電路的接口部分，綜合電路的每個(gè)組成部分都包含兩個(gè)USB接口，便于設(shè)備的連接和輸入，根據(jù)各個(gè)電路之間的信息傳輸關(guān)系，排除各電路可能會給編碼框架帶來的干擾，進(jìn)行綜合監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)，在元器件選型時(shí)，需要注重信號模擬量，根據(jù)信號的干擾狀態(tài)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，綜合監(jiān)控電路如圖2所示。

圖2 綜合監(jiān)控電路

綜合電路的第一個(gè)組成部分就是AMS1117供電電路，由于系統(tǒng)的監(jiān)控穩(wěn)定性直接決定實(shí)際監(jiān)控效果，因此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用LDO技術(shù)進(jìn)行供電，并經(jīng)過AMS1117-33芯片實(shí)現(xiàn)電壓的輸出[6]。在該部分開始工作后，需要在通電的同時(shí)進(jìn)行同步濾波處理，降低輸出的波紋，保證電壓的穩(wěn)定性輸出，還可以利用VDD3.3進(jìn)行振蕩抑制，避免電阻受限流影響導(dǎo)致的供電電路失穩(wěn)[7]。

第二個(gè)組成部分是時(shí)鐘電路，在實(shí)際監(jiān)控過程中外界環(huán)境會對監(jiān)控結(jié)果造成一定的影響，因此可以根據(jù)實(shí)際晶振情況選取符合系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控需求的時(shí)鐘電路進(jìn)行晶振處理，避免外界環(huán)境干擾，因此本系統(tǒng)利用12MHz晶振時(shí)鐘源設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，首先根據(jù)石英晶體的振蕩情況決定電容的容量，其次采集產(chǎn)生的時(shí)鐘信號，設(shè)置石英晶振輸出頻率，增加信號輸出的穩(wěn)定性，并將其與供電電路進(jìn)行有效連接。

第三個(gè)組成部分是復(fù)位電路，復(fù)位電路是整個(gè)電路的核心組成部分，可以決定系統(tǒng)監(jiān)控過程中的綜合狀態(tài)，設(shè)計(jì)的復(fù)位電路圖如圖3所示。

由圖3可知，在開始工作時(shí)，復(fù)位電路中的C7逐漸充電，NRST信號根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化，達(dá)到C7容值后使用MPU完成復(fù)電，設(shè)置001H子程序，反復(fù)執(zhí)行處理操作，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

圖3 復(fù)位電路圖

第四個(gè)組成部分是攝像頭驅(qū)動電路，攝像頭受外界光環(huán)境影響，因此需要在攝像頭驅(qū)動電路內(nèi)部添加感光元件，增加電路的光感靈敏度，保證監(jiān)控效果，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，需要使用SCL與PCLK結(jié)合驅(qū)動技術(shù)，降低驅(qū)動電路的體積，保證影像運(yùn)動軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

最后一個(gè)組成部分是按鍵控制電路，整個(gè)綜合監(jiān)控電路必須能進(jìn)行快速控制，避免由于電路故障或連接阻塞出現(xiàn)的電路控制問題，基于此，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的按鍵控制電路，首先需要保證輸入信號與控制器之間的連接效果，在電路接通后，保證電壓與電阻處于平衡關(guān)系，其次使用I/O接口進(jìn)行低電平轉(zhuǎn)換，從而有效識別視頻中場景的位置，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.1.2 X265視頻編碼器

為了提高視頻的編碼效果，增加視頻編碼率，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用HEVC編碼框架設(shè)計(jì)了X265視頻編碼器。根據(jù)視頻監(jiān)控的快速幀內(nèi)選擇需求，使用核心編碼技術(shù)提高了編碼速度，降低了視頻監(jiān)控消耗時(shí)間，X265編碼器的編碼流程示意圖如圖4所示。

由圖4可知，X265視頻編碼器主要使用Fast prediction algorithm完成快速選擇，因此在進(jìn)行視頻編碼時(shí)，需要根據(jù)編碼器的狀態(tài)設(shè)置編碼器的初始化指標(biāo)，完成初步圖像讀取。X265編碼的流程如下：第一步，利用X265_param_alloc()設(shè)置編碼參數(shù)，第二步，將設(shè)置參數(shù)傳輸?shù)絻Υ婵臻g中，第三步使用X265_picture_alloc()進(jìn)行結(jié)構(gòu)分配，設(shè)計(jì)特異性處理函數(shù)，第四步使用X265_encoder_encode()算法進(jìn)行編碼，最后一步，申請所需的編碼，實(shí)現(xiàn)高效視頻編碼。

圖4 編碼流程示意圖

1.1.3 ZC301攝像頭

在視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)中最重要的就是監(jiān)控?cái)z像頭的選擇，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求狀態(tài)，目前符合系統(tǒng)需求的監(jiān)控?cái)z像頭共有兩種，即ZC301攝像頭和ov5640攝像頭，這兩種攝像頭都具有分辨率高，攝像效果好的特點(diǎn)，進(jìn)一步對比兩種攝像頭的使用成本可知，ZC301攝像頭的使用成本相對較低，因此本文設(shè)計(jì)的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)選取ZC301攝像頭作為監(jiān)控?cái)z像頭。ZC301攝像頭不僅能實(shí)時(shí)對采集到的視頻圖像進(jìn)行處理，還可以根據(jù)實(shí)際處理情況進(jìn)行高效的圖像壓縮，因此ZC301攝像頭的壓縮比相對較高，處理后圖像的清晰程度也可以保證。ZC301攝像頭的組成部分較簡單，由DSP信號處理模塊，CMOS傳感器、鏡頭組成，會根據(jù)采集信息的狀態(tài)完成信號模數(shù)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)信號的高效處理，增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控效率，符合系統(tǒng)的監(jiān)控需求。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 分析視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控需求

系統(tǒng)需要滿足用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，在用戶數(shù)量增多時(shí)可以進(jìn)行通道劃分，避免出現(xiàn)用戶使用卡頓的情況，其次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要為實(shí)際使用提供訪問支持，根據(jù)移動終端的訪問狀態(tài)，設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)功能的訪問渠道，增加系統(tǒng)的完整性，還需完善用戶的身份信息認(rèn)證制度，設(shè)計(jì)的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的整體目標(biāo)如下：

第一，需要滿足系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，提高系統(tǒng)自動恢復(fù)能力，設(shè)置故障檢測中心，第二，保證系統(tǒng)中登入用戶信息的可靠性，降低系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，第三，增加系統(tǒng)使用性價(jià)比，保證系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)低投入、高性能。第四，增加系統(tǒng)的可拓展性，保證其能兼容各種類型的移動設(shè)備，最后，系統(tǒng)需要具有可維護(hù)性，降低維護(hù)難度。

1.2.2 基于HEVC設(shè)計(jì)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控體系架構(gòu)

HEVC編碼框架可以實(shí)現(xiàn)高效視頻編碼，增加視頻編碼率，其主要使用HEVC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用HEVC編碼框架設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控體系架構(gòu)，首先需要確定編碼架構(gòu)的指標(biāo)，計(jì)算公式如下（1）所示。

公式（1）中，n代表HEVC編碼系數(shù)，應(yīng)用該指標(biāo)可以進(jìn)行快速幀內(nèi)選擇，因此可以將設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控體系架構(gòu)劃分為幾個(gè)層次：

第一層是表現(xiàn)層，用戶在該層次可以獲取視頻監(jiān)控信息，訪問監(jiān)控?cái)z像頭，進(jìn)行移動監(jiān)控，第二層是架構(gòu)中較重要的層次，稱其為中間層，中間層可以始終保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，處于系統(tǒng)的運(yùn)行中心，可以隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)處理錯(cuò)誤邏輯，控制監(jiān)控信息的轉(zhuǎn)發(fā)和攝像頭方向，也是系統(tǒng)的監(jiān)控中心，最后一層是數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層主要與實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息相關(guān)，可以記錄監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)操作中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步分析作基礎(chǔ)。

1.2.3 設(shè)計(jì)功能模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控體系架構(gòu)，可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模塊，第一部分是監(jiān)控中心模塊，該模塊主要使用了Monitor監(jiān)控軟件，用戶在進(jìn)入該模塊前必須進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后才被允許進(jìn)入，在該模塊可以觀看監(jiān)控視頻，報(bào)警，或進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交互，該模塊往往與移動終端相連，用戶可以使用移動終端登錄，查看瀏覽歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心模塊能夠監(jiān)控異常活動目標(biāo)，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)，可以截取異常畫面并保存，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送至應(yīng)急處理郵箱。

第二部分是流媒體服務(wù)模塊，該模塊作為較重要的部分決定著視頻資源的利用狀態(tài)，進(jìn)行視頻資源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，用戶在使用的過程中，需要根據(jù)視頻資源的狀態(tài)發(fā)布相關(guān)的使用信息，生成較小碼率的視頻流，降低網(wǎng)絡(luò)資源，在媒體流服務(wù)模塊的內(nèi)部使用QoS機(jī)制來保證傳輸穩(wěn)定性，從而限制用戶等級，完成準(zhǔn)確控制。流媒體服務(wù)模塊采用流式傳輸，由于自身媒體信號帶寬的優(yōu)勢，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)連接及視頻監(jiān)控的基本需求。該模塊中具有流媒體服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸，且能夠適應(yīng)隨機(jī)性訪問及快進(jìn)、快退功能。

第三部分是管理模塊，可以統(tǒng)一對用戶權(quán)限進(jìn)行配置，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)管理，還可以接收其他模塊發(fā)布的報(bào)警信息，及時(shí)進(jìn)行管理，為了提高視頻監(jiān)控的效率，管理模塊還添加了錄像回放功能，記錄監(jiān)控過程中生成的歷史數(shù)據(jù)，為后續(xù)的操作提供相關(guān)依據(jù)。另外在管理模塊中還需要對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包處理，即需要解碼后以位圖的形式保存于緩沖區(qū)，經(jīng)過準(zhǔn)確讀取、調(diào)用，實(shí)現(xiàn)視頻的播放和瀏覽，操作部分代碼如圖5所示。

圖5 管理模塊操作代碼

第四部分是報(bào)警轉(zhuǎn)發(fā)模塊，可以與各種前端報(bào)警模塊交互，調(diào)用傳輸報(bào)警信息，及時(shí)響應(yīng)給管理員，因此該模塊也是報(bào)警信息的重要處理模塊，對監(jiān)控質(zhì)量起決定性作用。

2 平臺測試

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于HEVC編碼框架的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效果，本文搭建了系統(tǒng)測試平臺，進(jìn)行系統(tǒng)測試如下。

2.1 測試準(zhǔn)備

受系統(tǒng)的實(shí)際組成情況影響，測試平臺必須具有與測試功能擬合的服務(wù)終端，確保測試信息采集的準(zhǔn)確性，在測試初期，首先需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)獲取HEVC編碼視頻信息，然后與手機(jī)終端進(jìn)行交互，與媒體流服務(wù)器相連，最后利用C#/C++和eclipse for android開發(fā)測試平臺測試功能，完成部署，系統(tǒng)測試平臺部署參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試平臺參數(shù)

由表1可知，此時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)均與后續(xù)的測試準(zhǔn)確性相關(guān)，為了增加系統(tǒng)測試的可靠性，在系統(tǒng)測試前需要制定有效的系統(tǒng)測試方案。

在實(shí)際測試過程中，經(jīng)常存在受系統(tǒng)綜合流程影響導(dǎo)致的測試bug，可以使用bug管理流程進(jìn)行綜合管理，還可以由開發(fā)人員進(jìn)行綜合判斷并進(jìn)行相應(yīng)的回歸修復(fù)，確定bug的修復(fù)狀態(tài)，對可能存在的bug進(jìn)行劃分，劃分情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)bug劃分情況

根據(jù)表2的bug劃分情況，可以快速對測試中可能產(chǎn)生的bug進(jìn)行處理，為增加后續(xù)的測試準(zhǔn)確性作基礎(chǔ)。

2.2 測試結(jié)果與討論

在上述搭建的系統(tǒng)測試平臺中進(jìn)行測試，記錄不同數(shù)量用戶進(jìn)入時(shí)系統(tǒng)的時(shí)延變化，擬定系統(tǒng)的合格時(shí)延為3.0s，系統(tǒng)測試結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)測試結(jié)果

由表3可知，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在人數(shù)增長的情況下時(shí)延始終低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延3.0s，證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能良好，具有有效性，能滿足視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控需求。

3 結(jié)束語

綜上所述，視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控是信息時(shí)代發(fā)展中的關(guān)鍵性技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，利用視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控不僅降低了人力成本，還能增加監(jiān)控的效率，因此本文根據(jù)HEVC編碼框架，設(shè)計(jì)了視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，提高了視頻監(jiān)控的效果，進(jìn)行系統(tǒng)測試，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在人數(shù)快速變化的情況下時(shí)延始終符合測試標(biāo)準(zhǔn)，證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能良好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的參考。