基于H.265的實時監控系統

周宇飛+盧阿麗+張建濤

摘要：本文主要提出了一種基于H.265編解碼標準的實時監控系統的設計方案，實現在視頻實時監控領域利用H.265壓縮編碼和基于RTMP（ Real Time MessagingProtocol）協議的視頻數據傳輸，探索在視頻監控領域上運用H.265協議完成視頻的編解碼。

[關鍵詞]H.265 RTMP視頻實時監控

隨著計算機和信息化的發展，視頻實時監控系統己向著網絡化、數字化、智能化方向發展、在城市安保、農業、商業、軍事等方而發揮著極其重要的作用。當今社會，數字視頻不斷向高分辨率、高幀率和高壓縮率發展，視頻的多樣化和高清化趨勢對視頻的壓縮性能提出了更高的要求。為此，2010年4月VCEG和MPEG組建視頻編碼聯合組，聯手制定新一代視頻編碼標準——H.265/HEVC。2013年ISO/IEC正式發布了H.265/HEVC標準。H.265目標是為音視頻服務提供更好的視頻編解碼方法。為了提高視頻監控系統的實時性和普適性，設計并實現了一種基于H.265的實時視頻監控系統，采用RTMP傳輸協議作為實時數據通信的網絡協議，主要用來在Flash/AIR平臺和支持RTMP協議的流媒體/交互服務器之問進行音視頻的數據通信和監控服務。

1 系統設計

系統主要由客戶端和服務器端兩部分組成，服務器端由視頻服務器和Live555流媒體服務器組成，服務器使用Linux操作系統，系統設計如圖1所示，首先采集音視頻信息，并將這些信息以H.265的編碼標準進行編碼，生成H.265碼流和音頻流，再封裝成RTMP數據包進行轉發，采用RTMP協議為客戶端提供實時的視頻服務。客戶端負責向服務器端發送請求，接收來自服務器端的信息，通過客戶端的播放器進行視頻播放。

硬件開發平臺使用海思Hi3 616A開發平臺，H13 516A是專用于HD IP攝像機的多媒體芯片，具有高性能Cortex-A7處理器和內部集成的硬件H.265視頻標準編碼器。開發平臺的處理數據流程為：首先調用系統控制模塊的媒體處理平臺編程接口（MPI）完成硬件和MPI初始化，它實現的重要功能是分配視頻緩存池；其次，調用VI模塊的MPI創建視頻輸入設備和視頻物理通道并設置參數；然后，調用VPSS模塊的MPI創建組和通道，并設置組和通道參數，輸出期望分辨率的視頻數據；最后，調用REGION模塊的MPI，在原始圖像上疊加用戶信息.并調用VENC模塊的MPI對YUV原始圖像進行H.265壓縮編碼，得到H.265格式碼流。

2 RTMP協議

RTMP是一種適合實時數據傳輸的協議，該協議建立在TCP協議之上，適合在使用Flash平臺之問傳遞數據，可以實現無插件播放。

播放一個RTMP協議的流媒體需要經過以下四個步驟：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器之問的“網絡連接”：建立流階段用于建立客戶端與服務器之問的“網絡流”；播放階段用于傳輸視音頻數據。

2.1 握手

流程如圖2所示。

（1） 一個RTMP連接以握手開始，雙方分別發送大小固定的三個數據塊，握手開始于客戶端發送co、Cl塊。服務器收到co或Cl后發送S0和Sl。

（2）當客戶端收齊so和SI后，開始發送C2。當服務器收齊co和Cl后，開始發送S2。

（3）當客戶端和服務器分別收到S2和C2后，握手完成。

2.2 建立網絡連接

（1）客戶端發送命令消息中的“連接”到服務器，請求與一個服務應用實例建立連接。

（2）服務器接收到連接命令消息后，發送確認窗口大小協議消息到客戶端，同時連接到連接命令中提到的應用程序。

（3）服務器發送設置帶寬協議消息到客戶端。

（4）客戶端處理設置帶寬協議消息后，發送確認窗口大小協議消息到服務器端。

（5）服務器發送用戶控制消息中的“流開始”消息到客戶端。

（6）服務器發送命令消息中的“結果”，通知客戶端連接的狀態。

2.3 建立網絡流

（1）客戶端發送命令消息中的“創建流”命令到服務器端。

（2）服務器端接收到“創建流”命令后，發送命令消息中的“結果”，通知客戶端流的狀態。

2.4 播放

（1）客戶端發送命令消息中的“播放”命令到服務器。

（2）接收到播放命令后，服務器發送設置塊大小協議消息。

（3）服務器發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，服務器發送命令消息中的“響應狀態”告知客戶端“播放”命令執行成功。

（5）在此之后服務器發送客戶端要播放的音頻和視頻數據。

3 編解碼流程

本實時監控系統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、數據傳輸、解碼器和后處理五個過程，在面對不同格式的視頻源時，H.265可以通過前處理模塊將其轉換成統一的數據格式進行編碼，H.265只需應對幾種統一的視頻數據格式，解碼后的視頻再經過后處理模塊還原為與原格式一致的恢復視頻。在保持編解碼算法的簡潔的同時，還可以支持不同的視頻源以及更廣泛的視頻應用。

H.265仍舊采用混合編碼框架，內容包括變化、量化、熵編碼、幀內預測、幀間預測以及環路濾波等模塊。H.265幾乎在每個模塊都使用了新的編碼技術，并且還在不斷擴展，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 結束語

本文探討了將最新的視頻編解碼標準H.265運用到視頻實時監控系統中，伴隨著H.265強大的壓縮性能，勢必會使得視頻實時監控技術得到進一步的發展，為視頻實時監控系統的網絡化、數字化打下堅實的基礎，強大的編碼優勢使H.265會在不遠的將來成為數字視頻產業的首選編解碼標準。

（通訊作者：盧阿麗）

參考文獻

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