許才頊，解迪，勞志成

（1.梧州學(xué)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(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣西梧州，543000）

0 引言

信息技術(shù)的發(fā)展促進了新媒體技術(shù)的進步，視頻監(jiān)控技術(shù)也逐漸被重視起來，傳統(tǒng)的監(jiān)控方法過于依賴人力，不僅提高了監(jiān)控成本，還達不到較好的監(jiān)控效果，視頻實時監(jiān)控方法可以利用計算機進行遠程監(jiān)控，有效擴大了監(jiān)控的范圍，提高了監(jiān)控效率[1-3]。在HEVC技術(shù)的基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員開發(fā)了HEVC編碼框架，該框架能提高網(wǎng)絡(luò)傳輸親和力，實現(xiàn)碼流節(jié)省編碼，因此本文基于HEVC編碼框架設(shè)計了視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)，為實現(xiàn)實時視頻監(jiān)控，促進視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 基于HEVC編碼框架的視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)

此次系統(tǒng)硬件設(shè)計中包括綜合監(jiān)控電路、X265視頻編碼器和ZC301攝像頭，根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計系統(tǒng)整體框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 綜合監(jiān)控電路

為了保證視頻實時監(jiān)控的可靠性，本文設(shè)計的系統(tǒng)組建了綜合監(jiān)控電路，保證組件開發(fā)的穩(wěn)定性，首先根據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)的CEC板設(shè)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(shè)備的連接和輸入，根據(jù)各個電路之間的信息傳輸關(guān)系，排除各電路可能會給編碼框架帶來的干擾，進行綜合監(jiān)控電路的設(shè)計，在元器件選型時，需要注重信號模擬量，根據(jù)信號的干擾狀態(tài)進行綜合設(shè)計，綜合監(jiān)控電路如圖2所示。

圖2 綜合監(jiān)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(tǒng)的監(jiān)控穩(wěn)定性直接決定實際監(jiān)控效果，因此設(shè)計的系統(tǒng)使用LDO技術(shù)進行供電，并經(jīng)過AMS1117-33芯片實現(xiàn)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(wěn)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(dǎo)致的供電電路失穩(wěn)[7]。

第二個組成部分是時鐘電路，在實際監(jiān)控過程中外界環(huán)境會對監(jiān)控結(jié)果造成一定的影響，因此可以根據(jù)實際晶振情況選取符合系統(tǒng)實時監(jiān)控需求的時鐘電路進行晶振處理，避免外界環(huán)境干擾，因此本系統(tǒng)利用12MHz晶振時鐘源設(shè)計時鐘電路，首先根據(jù)石英晶體的振蕩情況決定電容的容量，其次采集產(chǎn)生的時鐘信號，設(shè)置石英晶振輸出頻率，增加信號輸出的穩(wěn)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(fù)位電路，復(fù)位電路是整個電路的核心組成部分，可以決定系統(tǒng)監(jiān)控過程中的綜合狀態(tài)，設(shè)計的復(fù)位電路圖如圖3所示。

由圖3可知，在開始工作時，復(fù)位電路中的C7逐漸充電，NRST信號根據(jù)實際情況進行快速轉(zhuǎn)化，達到C7容值后使用MPU完成復(fù)電，設(shè)置001H子程序，反復(fù)執(zhí)行處理操作，實現(xiàn)復(fù)位。

圖3 復(fù)位電路圖

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

最后一個組成部分是按鍵控制電路，整個綜合監(jiān)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(xiàn)的電路控制問題，基于此，設(shè)計該系統(tǒng)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(guān)系，其次使用I/O接口進行低電平轉(zhuǎn)換，從而有效識別視頻中場景的位置，實現(xiàn)視頻實時監(jiān)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(shè)計的系統(tǒng)使用HEVC編碼框架設(shè)計了X265視頻編碼器。根據(jù)視頻監(jiān)控的快速幀內(nèi)選擇需求，使用核心編碼技術(shù)提高了編碼速度，降低了視頻監(jiān)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(jù)編碼器的狀態(tài)設(shè)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(shè)置編碼參數(shù)，第二步，將設(shè)置參數(shù)傳輸?shù)絻Υ婵臻g中，第三步使用X265_picture_alloc()進行結(jié)構(gòu)分配，設(shè)計特異性處理函數(shù)，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(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計中最重要的就是監(jiān)控攝像頭的選擇，根據(jù)系統(tǒng)的實際需求狀態(tài)，目前符合系統(tǒng)需求的監(jiān)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(shè)計的視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)選取ZC301攝像頭作為監(jiān)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(jù)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(jù)采集信息的狀態(tài)完成信號模數(shù)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)信號的高效處理，增加系統(tǒng)的實時監(jiān)控效率，符合系統(tǒng)的監(jiān)控需求。

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 分析視頻實時監(jiān)控需求

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

第一，需要滿足系統(tǒng)運行可靠性，提高系統(tǒng)自動恢復(fù)能力，設(shè)置故障檢測中心，第二，保證系統(tǒng)中登入用戶信息的可靠性，降低系統(tǒng)的安全風(fēng)險，第三，增加系統(tǒng)使用性價比，保證系統(tǒng)能實現(xiàn)低投入、高性能。第四，增加系統(tǒng)的可拓展性，保證其能兼容各種類型的移動設(shè)備，最后，系統(tǒng)需要具有可維護性，降低維護難度。

1.2.2 基于HEVC設(shè)計視頻實時監(jiān)控體系架構(gòu)

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

公式（1）中，n代表HEVC編碼系數(shù)，應(yīng)用該指標可以進行快速幀內(nèi)選擇，因此可以將設(shè)計的實時監(jiān)控體系架構(gòu)劃分為幾個層次：

第一層是表現(xiàn)層，用戶在該層次可以獲取視頻監(jiān)控信息，訪問監(jiān)控攝像頭，進行移動監(jiān)控，第二層是架構(gòu)中較重要的層次，稱其為中間層，中間層可以始終保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，處于系統(tǒng)的運行中心，可以隨時根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)處理錯誤邏輯，控制監(jiān)控信息的轉(zhuǎn)發(fā)和攝像頭方向，也是系統(tǒng)的監(jiān)控中心，最后一層是數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層主要與實時監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息相關(guān)，可以記錄監(jiān)控系統(tǒng)各項操作中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，為進一步分析作基礎(chǔ)。

1.2.3 設(shè)計功能模塊

根據(jù)設(shè)計的實時監(jiān)控體系架構(gòu)，可以設(shè)計系統(tǒng)的功能模塊，第一部分是監(jiān)控中心模塊，該模塊主要使用了Monitor監(jiān)控軟件，用戶在進入該模塊前必須進行權(quán)限驗證，驗證通過后才被允許進入，在該模塊可以觀看監(jiān)控視頻，報警，或進行監(jiān)控數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。監(jiān)控中心模塊能夠監(jiān)控異?；顒幽繕耍敵霈F(xiàn)突發(fā)狀況時，可以截取異常畫面并保存，同時將報警信息發(fā)送至應(yīng)急處理郵箱。

第二部分是流媒體服務(wù)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(tài)，進行視頻資源的實時監(jiān)控，用戶在使用的過程中，需要根據(jù)視頻資源的狀態(tài)發(fā)布相關(guān)的使用信息，生成較小碼率的視頻流，降低網(wǎng)絡(luò)資源，在媒體流服務(wù)模塊的內(nèi)部使用QoS機制來保證傳輸穩(wěn)定性，從而限制用戶等級，完成準確控制。流媒體服務(wù)模塊采用流式傳輸，由于自身媒體信號帶寬的優(yōu)勢，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)連接及視頻監(jiān)控的基本需求。該模塊中具有流媒體服務(wù)器，可以實現(xiàn)視頻信息的實時傳輸，且能夠適應(yīng)隨機性訪問及快進、快退功能。

第三部分是管理模塊，可以統(tǒng)一對用戶權(quán)限進行配置，及時進行系統(tǒng)維護管理，還可以接收其他模塊發(fā)布的報警信息，及時進行管理，為了提高視頻監(jiān)控的效率，管理模塊還添加了錄像回放功能，記錄監(jiān)控過程中生成的歷史數(shù)據(jù)，為后續(xù)的操作提供相關(guān)依據(jù)。另外在管理模塊中還需要對視頻數(shù)據(jù)進行拆包處理，即需要解碼后以位圖的形式保存于緩沖區(qū)，經(jīng)過準確讀取、調(diào)用，實現(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)模塊，可以與各種前端報警模塊交互，調(diào)用傳輸報警信息，及時響應(yīng)給管理員，因此該模塊也是報警信息的重要處理模塊，對監(jiān)控質(zhì)量起決定性作用。

2 平臺測試

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

2.1 測試準備

受系統(tǒng)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(wù)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(jù)系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)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(wù)器相連，最后利用C#/C++和eclipse for android開發(fā)測試平臺測試功能，完成部署，系統(tǒng)測試平臺部署參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試平臺參數(shù)

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

在實際測試過程中，經(jīng)常存在受系統(tǒng)綜合流程影響導(dǎo)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(fā)人員進行綜合判斷并進行相應(yīng)的回歸修復(fù)，確定bug的修復(fù)狀態(tài)，對可能存在的bug進行劃分，劃分情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)bug劃分情況

根據(jù)表2的bug劃分情況，可以快速對測試中可能產(chǎn)生的bug進行處理，為增加后續(xù)的測試準確性作基礎(chǔ)。

2.2 測試結(jié)果與討論

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

表3 系統(tǒng)測試結(jié)果

由表3可知，設(shè)計的系統(tǒng)在人數(shù)增長的情況下時延始終低于標準時延3.0s，證明設(shè)計的系統(tǒng)性能良好，具有有效性，能滿足視頻實時監(jiān)控需求。

3 結(jié)束語

綜上所述，視頻實時監(jiān)控是信息時代發(fā)展中的關(guān)鍵性技術(shù)，在各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，利用視頻監(jiān)控技術(shù)進行監(jiān)控不僅降低了人力成本，還能增加監(jiān)控的效率，因此本文根據(jù)HEVC編碼框架，設(shè)計了視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)，提高了視頻監(jiān)控的效果，進行系統(tǒng)測試，結(jié)果表明，設(shè)計的視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)在人數(shù)快速變化的情況下時延始終符合測試標準，證明設(shè)計的系統(tǒng)性能良好，具有一定的應(yīng)用價值，可以作為后續(xù)視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的參考。