陳紹祥, 陽(yáng)　莉, 劉金德

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都　610106)

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基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)

陳紹祥, 陽(yáng)莉, 劉金德

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都610106)

摘要：介紹了一種基于H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的5百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其具備多種視頻預(yù)處理功能，有利于提高視頻質(zhì)量.采用H.265視頻編碼壓縮技術(shù)，具有高的壓縮比.在較窄的網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下，能夠傳輸流暢的高清視頻信號(hào)，降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的要求，便于高清視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的推廣和應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：H.265標(biāo)準(zhǔn)；高清；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；視頻預(yù)處理

0引言

隨著人們生活水平的提高、安全意識(shí)不斷增強(qiáng)，各行各業(yè)對(duì)視頻監(jiān)控的需求越來越大，要求也越來越高.在高清視頻帶來更加清晰、逼真視覺效果的同時(shí),其海量的視頻數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬提出了更高的要求.因此，對(duì)海量的高清視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行更高效率的壓縮成了亟待解決的問題.

目前，一方面表征圖像清晰度的主要參數(shù)——分辨率從CIF(352×288，10萬像素)、D1到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的720P、1080P,視頻清晰度逐步得到了提高；另一方面，視頻圖像的壓縮經(jīng)歷了從MJPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4到目前廣泛應(yīng)用的H.264的演進(jìn)歷程.H.265是繼H.264之后最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是，相比H.264/AVCHP(HighProfile)的圖像質(zhì)量，碼率降低了50%[1-4].本研究介紹了一種基于H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)方案.該方案采用500萬像素的高清圖像傳感器來采集動(dòng)態(tài)圖像信息，利用H.265壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以達(dá)到在較低網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬下實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的目的.

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)由高清電動(dòng)鏡頭、圖像傳感器單元、編碼控制單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元、存儲(chǔ)單元和電源變換單元組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，高清電動(dòng)鏡頭負(fù)責(zé)收集監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的光信號(hào)，在編碼控制單元的控制下，完成對(duì)進(jìn)入圖像傳感器單元的光線強(qiáng)弱的調(diào)整，完成聚焦、變倍等功能，以便被監(jiān)控場(chǎng)景清晰聚焦到圖像傳感器上.圖像傳感器單元接收高清鏡頭模組聚焦到傳感器靶面上的光信號(hào)，完成光學(xué)圖像到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，內(nèi)嵌的圖像信號(hào)處理(Image Signal Processing，ISP)功能能夠完成3A(AE：自動(dòng)曝光，AWB：自動(dòng)白平衡，AF:自動(dòng)焦距)控制.編碼控制單元接收經(jīng)預(yù)處理后的視頻數(shù)據(jù)，首先對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行降噪、增強(qiáng)、去抖、除霧等視頻預(yù)處理，以提高視頻圖像質(zhì)量，然后按照H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮.與此同時(shí)，它也完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、控制和管理功能，是本系統(tǒng)的核心.編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)，采用RTSP協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)接口單元傳輸?shù)絀P網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸和訪問控制.此外，電源變換單元將外部提供的12 V直流電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部其余各單元需要的工作電源.

1.2圖像傳感器單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)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(jù)需要靈活配置多種格式，最高幀率為60幀/s，最低照度達(dá)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(dòng)鏡頭進(jìn)入的光信號(hào)，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、處理后，以LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號(hào))輸出.傳感器IMX178LQJ輸出的LVDS信號(hào)包括8對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)(LVDS-D-1～LVDS-D-8)和2對(duì)時(shí)鐘信號(hào)(LVDS-C-1～LVDS-C-2)，用于傳輸?shù)浇?jīng)A/D轉(zhuǎn)換、處理之后的視頻數(shù)據(jù)，以便編碼控制模塊進(jìn)行編碼.圖像傳感器工作的主時(shí)鐘INCK由編碼控制模塊提供，根據(jù)應(yīng)用需求，可以接收頻率為27、37.125、54、74.25 MHz的時(shí)鐘.IMX178LQJ還具有自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)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4線串行外圍接口(Serial Peripheral Interface，SPI)完成對(duì)相應(yīng)功能參數(shù)的配置和調(diào)整，以提高視頻質(zhì)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接口連接示意圖

1.3編碼控制單元設(shè)計(jì)

圖像傳感器單元輸出的LVDS信號(hào)進(jìn)入壓縮控制單元，該單元按照H.265標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮處理，同時(shí)，該單元也負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、管理和控制.

在本設(shè)計(jì)方案中，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(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處理器.Hi3516A處理器采用海思先進(jìn)的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)固有的圖像振鈴效應(yīng)，極大減少了大運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的拖尾現(xiàn)象和塊效應(yīng)，并支持H.264 BP/MP/HP、H.265 Main Profile、MJPEG/JPEG Baseline 編碼[5-7].

Hi3516A的視頻捕獲單元VICAP(Video Capture)通過BT656/601、BT1120接收HDMI視頻接口單元輸出的并行視頻數(shù)據(jù).VICAP支持內(nèi)嵌ISP(Image Signal Processing，圖像信號(hào)處理)處理單元，針對(duì)機(jī)載視頻的特點(diǎn)，可以對(duì)視頻圖像進(jìn)行白平調(diào)節(jié)、降噪、強(qiáng)光抑制、背光補(bǔ)償、色彩增強(qiáng)、壞點(diǎn)校正、數(shù)字防抖、去霧等視頻預(yù)處理功能，以提高視頻質(zhì)量，經(jīng)過預(yù)處理后的視頻數(shù)據(jù)存入輸入圖像緩沖區(qū)，作為后續(xù)進(jìn)行H.265視頻壓縮的數(shù)據(jù)源.

Hi3516A完成H.265的壓縮是由內(nèi)部的VEDU(Video Encode Decode Unit)單元來完成的.VEDU是一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的支持H.265視頻標(biāo)準(zhǔn)的編碼器.VEDU 編碼實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)估計(jì)/幀間預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)、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(xié)議/算法處理.Hi3516A內(nèi)嵌CotexA7@ 600 MHz處理器，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用軟件完成碼率控制和中斷處理等編碼控制.編碼壓縮后的視頻碼流在碼流緩沖區(qū)內(nèi)緩存，然后通過內(nèi)嵌的GSF(Gigabit Switch Fabric)千兆以太網(wǎng)交換接口輸出到網(wǎng)絡(luò)接口單元.

編碼控制單元是本高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的控制核心，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，負(fù)責(zé)各進(jìn)程的調(diào)度.Hi3516A內(nèi)嵌Cotex A7@ 600 MHz的嵌入式硬件處理器，在其上運(yùn)行LINUX嵌入式操作系統(tǒng)軟件以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的配置、管理和運(yùn)行控制.

1.4網(wǎng)絡(luò)接口單元設(shè)計(jì)

編碼控制模塊將視頻編碼數(shù)據(jù)流通過千兆以太網(wǎng)交換接口發(fā)送到外部視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，支持10/100/1 000 Mbit/s工作模式可配置，支持全雙工、半雙工工作模式.網(wǎng)口可實(shí)現(xiàn)和CPU端口間的數(shù)據(jù)通信，另外，網(wǎng)口支持EEE(Engery Efficient Ethernet)能效以太網(wǎng)WoL(Wake-on-LAN)網(wǎng)絡(luò)喚醒功能，支持RMII/RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口.在本設(shè)計(jì)方案中，選用RTL8211作為以太網(wǎng)PHY接口芯片，它通過RGMII接口與Hi3516A的千兆以太網(wǎng)交換接口連接，提供10 M/100 M/1 000 M以太網(wǎng)絡(luò)物理接口.網(wǎng)絡(luò)接口單元與編碼控制單元之間的連接關(guān)系如圖3所示.

圖3網(wǎng)絡(luò)接口單元與編碼控制單元之間的連接示意圖

1.5輔助單元設(shè)計(jì)

1)存儲(chǔ)單元.本系統(tǒng)中，選用2片H5TC4G63A-

FR(DDR3SDRAM)提供8 Gb存儲(chǔ)空間，以滿足進(jìn)行H.265壓縮對(duì)于數(shù)據(jù)緩存空間以及處理器運(yùn)行對(duì)于緩存數(shù)據(jù)空間的需求；采用256 Mb存儲(chǔ)空間的SPI FLASH芯片MX25L25635和128 Gb存儲(chǔ)空間的NAND FLASH芯片MT29F64G08CFABAWP來存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序.

2)電源變換單元.本高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接收外部DC 12 V供電，經(jīng)電源變換模塊轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部需要的3.3、2.9、1.8和1.2 V電源.為避免I/O在上電時(shí)電流過大，要求3.3 V先于1.1 V上電.電源變換模塊原理框圖如圖4所示.

圖4電源變換單元功能框圖

2實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)論

通過對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并錄制6 min的視頻，結(jié)果顯示，如果采用H.264的壓縮方式，其文件大小為305 Mb，而采用本設(shè)計(jì)的基于H.265的視頻處理系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)甚至略好.同時(shí)，本高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在提供2 592(H)×1 944(V)×30幀(約500萬像素)的動(dòng)態(tài)視頻時(shí)，僅需要2 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬.另外，采用本系統(tǒng)所具備的圖像增強(qiáng)、降噪、去霧和感興趣區(qū)域編碼等視頻預(yù)處理功能，能有效地改善圖像的質(zhì)量.將本研究所設(shè)計(jì)的基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)應(yīng)用于視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，能節(jié)省存儲(chǔ)空間，減少傳輸帶寬，有利于高清視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的推廣和應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

[1]徐秀知，馮永茂，陳宇，等.DVI數(shù)字視頻接口的硬件設(shè)計(jì)[J].電子器件，2006，29(4)：1280-1283.

[2]苑愛博.機(jī)載電子穩(wěn)像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[3]陳德元.新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.265應(yīng)用前瞻[J].中國(guó)多媒體通信,2013，8(7):17-19.

[4]安然,王浩全,張秀林,等.下一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.265的核心技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2014，24(4):210-213.

[5]Su C G，Ye Y H,Su K X.ApplicationHDMIinH.264HDvideoencodingsystem[J].Video Eng,2012，36(21)：1-4.

[6]Hoffner R.H.265HEVC,thenextstepforMPEG[J].TV Technol,2012，30(9)：18-21.

[7]CSDN.Hi3516A/Hi3516DHDIPCameraSoCdatasheet[EB/OL].[2015-07-24].http://download.csdn.net/detail/ujda765/8928147.

Design of High-definition IP Camera Based on H.265 Standard

CHENShaoxiang,YANGLi,LIUJinde

(School of Information Science and Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

Abstract：This paper discusses a 5-million pixel high-definition(HD) IP camera based on H.265 standard.The HD IP camera has a variety of video preprocessing functions,which can help improve the video quality.By using H.265 video compression technology that has a high compression ratio,HD video signals can be transmitted smoothly under small network bandwidth;therefore,this can lower the requirements of the network transmission bandwidth and is conducive to the promotion and application of high-definition video network monitoring system.

Key words：H.265 standard;high-definition;IP camera;video preprocessing

中圖分類號(hào)：TN948.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：陳紹祥(1968 — )， 男， 碩士， 高級(jí)工程師， 從事計(jì)算機(jī)圖像處理與數(shù)據(jù)通信研究.

基金項(xiàng)目：成都市科技局科技惠民計(jì)劃(2014-HM01-00075-SF)資助項(xiàng)目.

收稿日期：2016-01-08.

文章編號(hào)：1004-5422(2016)01-0070-03