基于H.265標準的高清網絡攝像機設計*

陳紹祥,黃建剛,劉金德

(成都大學 信息科學與工程學院,成都 610106)

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基于H.265標準的高清網絡攝像機設計*

陳紹祥,黃建剛,劉金德

(成都大學 信息科學與工程學院,成都 610106)

基于H.265視頻壓縮標準的500像素高清網絡攝像機,具備多種視頻預處理功能，有利于提高視頻質量。采用H.265視頻編碼壓縮技術，具有較高的壓縮比，在較窄的網絡帶寬條件下，能夠傳輸流暢的高清視頻信號，降低了對網絡傳輸帶寬的要求，有利于高清視頻網絡監控的推廣和應用。

H.265標準；高清網絡攝像機；視頻預處理

引　言

隨著人們生活水平的提高、安全意識的不斷增強，社會各行各業對視頻監控的需求越來越大，要求也越來越高。構建“看得更清”、“看得更遠”的高清視頻網絡監控系統已成業界追求的目標[1]。高清視頻在帶來更加清晰、逼真的視覺效果的同時,其海量的視頻數據對網絡傳輸帶寬提出了更高的要求，因此，對海量的高清視頻數據進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——分辨率，從之前的CIF、D1到現在廣泛應用的720P、1080P,視頻清晰度逐步得到了提高，如今，業界已經提出了500W、4K的要求。另一方面，視頻圖像的壓縮經歷了從MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4到目前廣泛應用的H.264的演進歷程。H.265是繼H.264之后的最新視頻編碼標準，該標準于2013年4月13日正式成為國際標準,H.265/HEVC標準的目標是，相比H.264/AVC HP(High Profile)的圖像質量，碼率降低50%[3-4]。

本文介紹了一種基于H.265視頻壓縮標準的高清網絡攝像機的設計方案，該方案采用644萬像素的高清圖像傳感器來采集動態圖像信息，利用H.265壓縮標準對圖像數據進行壓縮，以達到在較低網絡傳輸帶寬下實現高清視頻監控攝像機進行聯網監控的目的。

1　系統結構設計

本系統所設計的高清網絡攝像機由高清電動鏡頭、圖像傳感器單元、編碼控制單元、網絡接口單元、存儲單元和電源變換單元組成,系統結構圖如圖1所示。

圖1　系統結構圖

在圖1中，高清電動鏡頭負責收集監控現場的光信號，在編碼控制單元的控制下，完成對進入圖像傳感器單元的光線強弱的調整，完成聚焦、變倍等功能，使被監控場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鏡頭模組聚焦到傳感器靶面上的光信號，完成光學圖像到電信號的轉換，內嵌的ISP(Image Signal Processing：圖像信號處理)功能能夠完成3A(AE，自動曝光；AWB，自動白平衡；AF，自動增益)控制。編碼控制單元接收圖像傳感器單元采集到的視頻信號，首先對視頻信號進行降噪、增強、去抖、除霧等視頻預處理，以提高視頻圖像質量，然后按照H.265視頻壓縮標準進行壓縮；與此同時，它也完成對整個系統的配置、控制和管理功能，是本系統的核心。編碼壓縮后的視頻數據，采用RTSP協議通過網絡接口單元傳輸到IP網絡，以實現遠程網絡傳輸和訪問控制。電源變換單元將外部提供的12 V直流電源變換成系統內部其余各單元需要的工作電源。

2　圖像傳感器單元的設計

在本設計方案中，圖像傳感器采用SONY公司的IMX178LQJ 高分辨率、高靈敏度、高動態范圍的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，并可根據需要靈活配置多種格式，最高幀率為60幀/秒，最低照度達到了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鏡頭進入的光信號，進行A/D轉換,處理后，以LVDS(Low-Voltage Differential Signaling,低電壓差分信號)輸出。

傳感器IMX178LQJ輸出的LVDS信號包括8對數據信號(LVDS_D_1～10)和兩對時鐘信號(LVDS_C_1～2)，用于傳輸經A/D轉換和處理之后的視頻數據，以便編碼控制模塊進行編碼。圖像傳感器工作的主時鐘INCK由編碼控制模塊提供，根據應用需求，可以接收27 MHz、37.125 MHz、54 MHz、74.25 MHz頻率的時鐘。IMX178LQJ還具有自動曝光量控制、非均勻補償、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)完成對相應功能參數的配置和調整，以提高視頻質量。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　編碼控制單元的設計

圖像傳感器單元輸出的LVDS信號進入壓縮控制單元，該單元按照H.265標準進行壓縮處理，同時，該單元也負責對整個系統的配置、管理和控制工作。

由于H.265標準發布的時間不長，可供選擇的支持H.265標準的芯片不多。在本系統中，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標準的高清網絡攝像機處理器。Hi3516A處理器采用海思先進的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC標準固有的圖像振鈴效應，極大減少了運動場景下的拖尾現象和塊效應，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信號接口接收圖像傳感器單元輸出的視頻數據。VICAP支持內嵌ISP處理單元，針對機載視頻的特點，可以對視頻圖像進行白平調節、降噪、強光抑制、背光補償、色彩增強、壞點校正、數字防抖、去霧等視頻預處理功能，以提高視頻質量，經過預處理后的視頻數據存入輸入圖像緩沖區，作為后續進行H.265視頻壓縮的數據源。

Hi3516A完成H.265的壓縮，是由內部的VEDU(Video Encode Decode Unit)單元來完成的，VEDU是一個硬件實現的支持 H.265 視頻標準的編碼器。VEDU 編碼實現了運動估計/幀間預測、幀內預測、運動矢量預測、變換/量化、反量化/反變換、 CABAC 編碼及碼流生成、 de-blocking 濾波、 SAO 等協議/算法處理。Hi3516A內嵌Cortex-A7核 600 MHz處理器，通過設計相應的應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內緩存，然后通過內嵌的GSF(Gigabit Switch Fabric)千兆以太網交換接口輸出到網絡接口單元。

編碼控制單元是本高清網絡攝像機的控制核心，完成對整個系統的控制和管理，負責各進程的調度。HI3516A內嵌Cortex-A7核 600 MHz的嵌入式硬件處理器，在其上運行Linux嵌入式操作系統軟件，以實現整個系統的配置、管理和運行控制。

4　網絡接口單元的設計

編碼控制模塊將編碼后的視頻數據流通過網絡接口單元發送到視頻監控網絡，該網絡接口單元支持 10/100/1000 Mb/s 速率自適應功能，工作模式可配置，支持全雙工、半雙工工作模式。網口可實現和CPU 端口間的數據通信。另外，網口支持 EEE(Engery Efficient Ethernet)能效以太網 WoL(Wake_on_LAN)網絡喚醒功能，支持 RMII/RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口。在本方案中，選用RTL8211作為以太網PHY接口芯片，它通過RGMII接口與Hi3516A的千兆以太網交換接口連接，提供10M/100M/1000M速率自適應以太網絡物理接口。網絡接口單元與編碼控制單元之間的連接關系如圖3所示。

圖3　網絡接口單元與編碼控制單元之間的連接圖

5　輔助單元的設計

(1) 存儲單元

在本系統中，選用兩片H5TC4G63AFR(DDR3SDRAM)提供8 Gb存儲空間，以滿足進行H.265壓縮對于數據存緩存空間以及處理器運行對于緩存數據空間的需求。采用256 Mb存儲空間 的SPI Flash芯片MX25L25635和128 Gb存儲空間的NAND Flash芯片MT29F64G08 CFABAWP來存儲系統程序和應用程序。

(2) 電源變換單元

本高清網絡攝像機接收外部DC 12 V供電，經電源變換模塊轉換為系統內部需要的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　語

對本系統進行測試，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，而采用本文所設計的基于H.265的視頻處理系統來進行錄制，其文件大小為75.6 Mb，是前者的四分之一，且視頻效果相當甚至更好。本高清網絡攝像機在提供2 592(H)×1944(V)×30

圖4　電源變換單元功能框圖

幀約500萬像素的動態視頻時，僅需要2 Mb/s的網絡傳輸帶寬。采用本系統所具備的圖像增強、降噪、去霧和感興趣區域編碼等視頻預處理功能，能有效地改善圖像的質量。將本文所述的基于H.265標準的高清網絡攝像機應用于視頻監控網絡中，可以達到節省存儲空間、減少傳輸帶寬的目標，有利于高清視頻網絡監控的推廣和應用。

[1] 李虹. 網絡視頻監控系統現狀和發展趨勢研究[J].中國化工貿易, 2016, 8(2).

[2] 陳志文. 基于TMS320DM368高清視頻壓縮系統的設計與研究[D]. 西安：中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所), 2012.

[3] 陳德元. 新一代視頻壓縮標準H.265應用前瞻[J].中國多媒體通信, 2013(7):17-19.

[4] 安然, 王浩全, 張秀林,等.下一代視頻編碼標準H.265的核心技術研究[J].計算機技術與發展, 2014(4):210-213.

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

陳紹祥(高級工程師)，主要從事圖像處理、數據通信系統研究。

編者按： 我們的時代是一個智能化工具代替人類腦力勞動的時代。人類智能有思維與行為兩種形式，它們都體現為人類個體的腦力勞動。與之對應的人工智能有通用計算機的智力平臺與嵌入式系統的工具智力嵌入，它們體現了現代計算機的智力革命。從本期開始，將分4期連續刊登有關人工智能的系列文章，包括人工智能的源頭、人工智能的兩個領域、知識學視角的人工智能，以及人工智能的現狀與人類未來。

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目(2014-HM01-00075-SF)；四川省教育廳科研計劃(14ZA0324)。

TP274

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(責任編輯：楊迪娜2016-04-01)