基于HEVC編碼框架的視頻實時監控系統的設計與實現

許才頊，解迪，勞志成

（1.梧州學院廣西機器視覺與智能控制重點實驗室，廣西梧州，543000；2.梧州學院電子與信息工程學院，廣西梧州，543000）

0 引言

信息技術的發展促進了新媒體技術的進步，視頻監控技術也逐漸被重視起來，傳統的監控方法過于依賴人力，不僅提高了監控成本，還達不到較好的監控效果，視頻實時監控方法可以利用計算機進行遠程監控，有效擴大了監控的范圍，提高了監控效率[1-3]。在HEVC技術的基礎上，相關研究人員開發了HEVC編碼框架，該框架能提高網絡傳輸親和力，實現碼流節省編碼，因此本文基于HEVC編碼框架設計了視頻實時監控系統，為實現實時視頻監控，促進視頻監控技術的發展提供依據。

1 基于HEVC編碼框架的視頻實時監控系統

此次系統硬件設計中包括綜合監控電路、X265視頻編碼器和ZC301攝像頭，根據系統功能設計系統整體框架，如圖1所示。

圖1 系統整體框架圖

1.1 硬件設計

1.1.1 綜合監控電路

為了保證視頻實時監控的可靠性，本文設計的系統組建了綜合監控電路，保證組件開發的穩定性，首先根據實時監控系統的CEC板設計綜合電路的接口部分，綜合電路的每個組成部分都包含兩個USB接口，便于設備的連接和輸入，根據各個電路之間的信息傳輸關系，排除各電路可能會給編碼框架帶來的干擾，進行綜合監控電路的設計，在元器件選型時，需要注重信號模擬量，根據信號的干擾狀態進行綜合設計，綜合監控電路如圖2所示。

圖2 綜合監控電路

綜合電路的第一個組成部分就是AMS1117供電電路，由于系統的監控穩定性直接決定實際監控效果，因此設計的系統使用LDO技術進行供電，并經過AMS1117-33芯片實現電壓的輸出[6]。在該部分開始工作后，需要在通電的同時進行同步濾波處理，降低輸出的波紋，保證電壓的穩定性輸出，還可以利用VDD3.3進行振蕩抑制，避免電阻受限流影響導致的供電電路失穩[7]。

第二個組成部分是時鐘電路，在實際監控過程中外界環境會對監控結果造成一定的影響，因此可以根據實際晶振情況選取符合系統實時監控需求的時鐘電路進行晶振處理，避免外界環境干擾，因此本系統利用12MHz晶振時鐘源設計時鐘電路，首先根據石英晶體的振蕩情況決定電容的容量，其次采集產生的時鐘信號，設置石英晶振輸出頻率，增加信號輸出的穩定性，并將其與供電電路進行有效連接。

第三個組成部分是復位電路，復位電路是整個電路的核心組成部分，可以決定系統監控過程中的綜合狀態，設計的復位電路圖如圖3所示。

由圖3可知，在開始工作時，復位電路中的C7逐漸充電，NRST信號根據實際情況進行快速轉化，達到C7容值后使用MPU完成復電，設置001H子程序，反復執行處理操作，實現復位。

圖3 復位電路圖

第四個組成部分是攝像頭驅動電路，攝像頭受外界光環境影響，因此需要在攝像頭驅動電路內部添加感光元件，增加電路的光感靈敏度，保證監控效果，為了實現實時跟蹤，需要使用SCL與PCLK結合驅動技術，降低驅動電路的體積，保證影像運動軌跡的實時監控。

最后一個組成部分是按鍵控制電路，整個綜合監控電路必須能進行快速控制，避免由于電路故障或連接阻塞出現的電路控制問題，基于此，設計該系統的按鍵控制電路，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系，其次使用I/O接口進行低電平轉換，從而有效識別視頻中場景的位置，實現視頻實時監控。

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，設計的系統使用HEVC編碼框架設計了X265視頻編碼器。根據視頻監控的快速幀內選擇需求，使用核心編碼技術提高了編碼速度，降低了視頻監控消耗時間，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，因此在進行視頻編碼時，需要根據編碼器的狀態設置編碼器的初始化指標，完成初步圖像讀取。X265編碼的流程如下：第一步，利用X265_param_alloc()設置編碼參數，第二步，將設置參數傳輸到儲存空間中，第三步使用X265_picture_alloc()進行結構分配，設計特異性處理函數，第四步使用X265_encoder_encode()算法進行編碼，最后一步，申請所需的編碼，實現高效視頻編碼。

圖4 編碼流程示意圖

1.1.3 ZC301攝像頭

在視頻實時監控系統中設計中最重要的就是監控攝像頭的選擇，根據系統的實際需求狀態，目前符合系統需求的監控攝像頭共有兩種，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，進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，因此本文設計的視頻實時監控系統選取ZC301攝像頭作為監控攝像頭。ZC301攝像頭不僅能實時對采集到的視頻圖像進行處理，還可以根據實際處理情況進行高效的圖像壓縮，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，會根據采集信息的狀態完成信號模數轉化，實現信號的高效處理，增加系統的實時監控效率，符合系統的監控需求。

1.2 軟件設計

1.2.1 分析視頻實時監控需求

系統需要滿足用戶實時監控功能，在用戶數量增多時可以進行通道劃分，避免出現用戶使用卡頓的情況，其次設計的系統需要為實際使用提供訪問支持，根據移動終端的訪問狀態，設計符合系統功能的訪問渠道，增加系統的完整性，還需完善用戶的身份信息認證制度，設計的視頻實時監控系統的整體目標如下：

第一，需要滿足系統運行可靠性，提高系統自動恢復能力，設置故障檢測中心，第二，保證系統中登入用戶信息的可靠性，降低系統的安全風險，第三，增加系統使用性價比，保證系統能實現低投入、高性能。第四，增加系統的可拓展性，保證其能兼容各種類型的移動設備，最后，系統需要具有可維護性，降低維護難度。

1.2.2 基于HEVC設計視頻實時監控體系架構

HEVC編碼框架可以實現高效視頻編碼，增加視頻編碼率，其主要使用HEVC協議標準進行編碼，因此本文設計的系統使用HEVC編碼框架設計了實時監控體系架構，首先需要確定編碼架構的指標，計算公式如下（1）所示。

公式（1）中，n代表HEVC編碼系數，應用該指標可以進行快速幀內選擇，因此可以將設計的實時監控體系架構劃分為幾個層次：

第一層是表現層，用戶在該層次可以獲取視頻監控信息，訪問監控攝像頭，進行移動監控，第二層是架構中較重要的層次，稱其為中間層，中間層可以始終保證系統的穩定運行，處于系統的運行中心，可以隨時根據系統的運行狀態處理錯誤邏輯，控制監控信息的轉發和攝像頭方向，也是系統的監控中心，最后一層是數據層，數據層主要與實時監控產生的數據信息相關，可以記錄監控系統各項操作中產生的數據，為進一步分析作基礎。

1.2.3 設計功能模塊

根據設計的實時監控體系架構，可以設計系統的功能模塊，第一部分是監控中心模塊，該模塊主要使用了Monitor監控軟件，用戶在進入該模塊前必須進行權限驗證，驗證通過后才被允許進入，在該模塊可以觀看監控視頻，報警，或進行監控數據交互，該模塊往往與移動終端相連，用戶可以使用移動終端登錄，查看瀏覽歷史數據。監控中心模塊能夠監控異常活動目標，當出現突發狀況時，可以截取異常畫面并保存，同時將報警信息發送至應急處理郵箱。

第二部分是流媒體服務模塊，該模塊作為較重要的部分決定著視頻資源的利用狀態，進行視頻資源的實時監控，用戶在使用的過程中，需要根據視頻資源的狀態發布相關的使用信息，生成較小碼率的視頻流，降低網絡資源，在媒體流服務模塊的內部使用QoS機制來保證傳輸穩定性，從而限制用戶等級，完成準確控制。流媒體服務模塊采用流式傳輸，由于自身媒體信號帶寬的優勢，能夠滿足網絡連接及視頻監控的基本需求。該模塊中具有流媒體服務器，可以實現視頻信息的實時傳輸，且能夠適應隨機性訪問及快進、快退功能。

第三部分是管理模塊，可以統一對用戶權限進行配置，及時進行系統維護管理，還可以接收其他模塊發布的報警信息，及時進行管理，為了提高視頻監控的效率，管理模塊還添加了錄像回放功能，記錄監控過程中生成的歷史數據，為后續的操作提供相關依據。另外在管理模塊中還需要對視頻數據進行拆包處理，即需要解碼后以位圖的形式保存于緩沖區，經過準確讀取、調用，實現視頻的播放和瀏覽，操作部分代碼如圖5所示。

圖5 管理模塊操作代碼

第四部分是報警轉發模塊，可以與各種前端報警模塊交互，調用傳輸報警信息，及時響應給管理員，因此該模塊也是報警信息的重要處理模塊，對監控質量起決定性作用。

2 平臺測試

為了檢驗設計的基于HEVC編碼框架的視頻實時監控系統的監控效果，本文搭建了系統測試平臺，進行系統測試如下。

2.1 測試準備

受系統的實際組成情況影響，測試平臺必須具有與測試功能擬合的服務終端，確保測試信息采集的準確性，在測試初期，首先需要根據系統的實際運行狀態獲取HEVC編碼視頻信息，然后與手機終端進行交互，與媒體流服務器相連，最后利用C#/C++和eclipse for android開發測試平臺測試功能，完成部署，系統測試平臺部署參數如表1所示。

表1 系統測試平臺參數

由表1可知，此時的各項參數均與后續的測試準確性相關，為了增加系統測試的可靠性，在系統測試前需要制定有效的系統測試方案。

在實際測試過程中，經常存在受系統綜合流程影響導致的測試bug，可以使用bug管理流程進行綜合管理，還可以由開發人員進行綜合判斷并進行相應的回歸修復，確定bug的修復狀態，對可能存在的bug進行劃分，劃分情況如表2所示。

表2 系統bug劃分情況

根據表2的bug劃分情況，可以快速對測試中可能產生的bug進行處理，為增加后續的測試準確性作基礎。

2.2 測試結果與討論

在上述搭建的系統測試平臺中進行測試，記錄不同數量用戶進入時系統的時延變化，擬定系統的合格時延為3.0s，系統測試結果如表3所示。

表3 系統測試結果

由表3可知，設計的系統在人數增長的情況下時延始終低于標準時延3.0s，證明設計的系統性能良好，具有有效性，能滿足視頻實時監控需求。

3 結束語

綜上所述，視頻實時監控是信息時代發展中的關鍵性技術，在各個領域都得到了廣泛應用，利用視頻監控技術進行監控不僅降低了人力成本，還能增加監控的效率，因此本文根據HEVC編碼框架，設計了視頻實時監控系統，提高了視頻監控的效果，進行系統測試，結果表明，設計的視頻實時監控系統在人數快速變化的情況下時延始終符合測試標準，證明設計的系統性能良好，具有一定的應用價值，可以作為后續視頻監控技術發展的參考。