基于H.265的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

周宇飛+盧阿麗+張建濤

摘要：本文主要提出了一種基于H.265編解碼標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)在視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域利用H.265壓縮編碼和基于RTMP（ Real Time MessagingProtocol）協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)傳輸，探索在視頻監(jiān)控領(lǐng)域上運(yùn)用H.265協(xié)議完成視頻的編解碼。

[關(guān)鍵詞]H.265 RTMP視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控

隨著計(jì)算機(jī)和信息化的發(fā)展，視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)己向著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展、在城市安保、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、軍事等方而發(fā)揮著極其重要的作用。當(dāng)今社會(huì)，數(shù)字視頻不斷向高分辨率、高幀率和高壓縮率發(fā)展，視頻的多樣化和高清化趨勢(shì)對(duì)視頻的壓縮性能提出了更高的要求。為此，2010年4月VCEG和MPEG組建視頻編碼聯(lián)合組，聯(lián)手制定新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)——H.265/HEVC。2013年ISO/IEC正式發(fā)布了H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)。H.265目標(biāo)是為音視頻服務(wù)提供更好的視頻編解碼方法。為了提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和普適性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于H.265的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用RTMP傳輸協(xié)議作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要用來在Flash/AIR平臺(tái)和支持RTMP協(xié)議的流媒體/交互服務(wù)器之問進(jìn)行音視頻的數(shù)據(jù)通信和監(jiān)控服務(wù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由客戶端和服務(wù)器端兩部分組成，服務(wù)器端由視頻服務(wù)器和Live555流媒體服務(wù)器組成，服務(wù)器使用Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，首先采集音視頻信息，并將這些信息以H.265的編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，生成H.265碼流和音頻流，再封裝成RTMP數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，采用RTMP協(xié)議為客戶端提供實(shí)時(shí)的視頻服務(wù)。客戶端負(fù)責(zé)向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求，接收來自服務(wù)器端的信息，通過客戶端的播放器進(jìn)行視頻播放。

硬件開發(fā)平臺(tái)使用海思Hi3 616A開發(fā)平臺(tái)，H13 516A是專用于HD IP攝像機(jī)的多媒體芯片，具有高性能Cortex-A7處理器和內(nèi)部集成的硬件H.265視頻標(biāo)準(zhǔn)編碼器。開發(fā)平臺(tái)的處理數(shù)據(jù)流程為：首先調(diào)用系統(tǒng)控制模塊的媒體處理平臺(tái)編程接口（MPI）完成硬件和MPI初始化，它實(shí)現(xiàn)的重要功能是分配視頻緩存池；其次，調(diào)用VI模塊的MPI創(chuàng)建視頻輸入設(shè)備和視頻物理通道并設(shè)置參數(shù)；然后，調(diào)用VPSS模塊的MPI創(chuàng)建組和通道，并設(shè)置組和通道參數(shù)，輸出期望分辨率的視頻數(shù)據(jù)；最后，調(diào)用REGION模塊的MPI，在原始圖像上疊加用戶信息.并調(diào)用VENC模塊的MPI對(duì)YUV原始圖像進(jìn)行H.265壓縮編碼，得到H.265格式碼流。

2 RTMP協(xié)議

RTMP是一種適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，該協(xié)議建立在TCP協(xié)議之上，適合在使用Flash平臺(tái)之問傳遞數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)無插件播放。

播放一個(gè)RTMP協(xié)議的流媒體需要經(jīng)過以下四個(gè)步驟：握手，建立連接，建立流和播放。RTMP連接都是以握手作為開始的；建立連接階段用于建立客戶端與服務(wù)器之問的“網(wǎng)絡(luò)連接”：建立流階段用于建立客戶端與服務(wù)器之問的“網(wǎng)絡(luò)流”；播放階段用于傳輸視音頻數(shù)據(jù)。

2.1 握手

流程如圖2所示。

（1） 一個(gè)RTMP連接以握手開始，雙方分別發(fā)送大小固定的三個(gè)數(shù)據(jù)塊，握手開始于客戶端發(fā)送co、Cl塊。服務(wù)器收到co或Cl后發(fā)送S0和Sl。

（2）當(dāng)客戶端收齊so和SI后，開始發(fā)送C2。當(dāng)服務(wù)器收齊co和Cl后，開始發(fā)送S2。

（3）當(dāng)客戶端和服務(wù)器分別收到S2和C2后，握手完成。

2.2 建立網(wǎng)絡(luò)連接

（1）客戶端發(fā)送命令消息中的“連接”到服務(wù)器，請(qǐng)求與一個(gè)服務(wù)應(yīng)用實(shí)例建立連接。

（2）服務(wù)器接收到連接命令消息后，發(fā)送確認(rèn)窗口大小協(xié)議消息到客戶端，同時(shí)連接到連接命令中提到的應(yīng)用程序。

（3）服務(wù)器發(fā)送設(shè)置帶寬協(xié)議消息到客戶端。

（4）客戶端處理設(shè)置帶寬協(xié)議消息后，發(fā)送確認(rèn)窗口大小協(xié)議消息到服務(wù)器端。

（5）服務(wù)器發(fā)送用戶控制消息中的“流開始”消息到客戶端。

（6）服務(wù)器發(fā)送命令消息中的“結(jié)果”，通知客戶端連接的狀態(tài)。

2.3 建立網(wǎng)絡(luò)流

（1）客戶端發(fā)送命令消息中的“創(chuàng)建流”命令到服務(wù)器端。

（2）服務(wù)器端接收到“創(chuàng)建流”命令后，發(fā)送命令消息中的“結(jié)果”，通知客戶端流的狀態(tài)。

2.4 播放

（1）客戶端發(fā)送命令消息中的“播放”命令到服務(wù)器。

（2）接收到播放命令后，服務(wù)器發(fā)送設(shè)置塊大小協(xié)議消息。

（3）服務(wù)器發(fā)送用戶控制消息中的“streambegin”，告知客戶端流ID。

（4）播放命令成功的話，服務(wù)器發(fā)送命令消息中的“響應(yīng)狀態(tài)”告知客戶端“播放”命令執(zhí)行成功。

（5）在此之后服務(wù)器發(fā)送客戶端要播放的音頻和視頻數(shù)據(jù)。

3 編解碼流程

本實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用的編解碼和視頻通信流程如3所示，包括前處理、編碼器、數(shù)據(jù)傳輸、解碼器和后處理五個(gè)過程，在面對(duì)不同格式的視頻源時(shí)，H.265可以通過前處理模塊將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編碼，H.265只需應(yīng)對(duì)幾種統(tǒng)一的視頻數(shù)據(jù)格式，解碼后的視頻再經(jīng)過后處理模塊還原為與原格式一致的恢復(fù)視頻。在保持編解碼算法的簡(jiǎn)潔的同時(shí)，還可以支持不同的視頻源以及更廣泛的視頻應(yīng)用。

H.265仍舊采用混合編碼框架，內(nèi)容包括變化、量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)以及環(huán)路濾波等模塊。H.265幾乎在每個(gè)模塊都使用了新的編碼技術(shù)，并且還在不斷擴(kuò)展，如比特深可伸縮HEVC編碼等，使得編碼壓縮性能提高了近一倍。

4 結(jié)束語

本文探討了將最新的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)H.265運(yùn)用到視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，伴隨著H.265強(qiáng)大的壓縮性能，勢(shì)必會(huì)使得視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，為視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，強(qiáng)大的編碼優(yōu)勢(shì)使H.265會(huì)在不遠(yuǎn)的將來成為數(shù)字視頻產(chǎn)業(yè)的首選編解碼標(biāo)準(zhǔn)。

（通訊作者：盧阿麗）

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