基于H.265标准的高清网络摄像机设计

陈绍祥, 阳　莉, 刘金德

(成都大学 信息科学与工程学院, 四川 成都　610106)



基于H.265标准的高清网络摄像机设计

陈绍祥, 阳莉, 刘金德

(成都大学 信息科学与工程学院, 四川 成都610106)

摘要：介绍了一种基于H.265视频压缩标准的5百万像素高清网络摄像机，其具备多种视频预处理功能，有利于提高视频质量.采用H.265视频编码压缩技术，具有高的压缩比.在较窄的网络带宽条件下，能够传输流畅的高清视频信号，降低了对网络传输带宽的要求，便于高清视频网络监控的推广和应用.

关键词：H.265标准；高清；网络摄像机；视频预处理

0引言

随着人们生活水平的提高、安全意识不断增强，各行各业对视频监控的需求越来越大，要求也越来越高.在高清视频带来更加清晰、逼真视觉效果的同时,其海量的视频数据对网络传输带宽提出了更高的要求.因此，对海量的高清视频数据进行更高效率的压缩成了亟待解决的问题.

目前，一方面表征图像清晰度的主要参数——分辨率从CIF(352×288，10万像素)、D1到现在广泛应用的720P、1080P,视频清晰度逐步得到了提高；另一方面，视频图像的压缩经历了从MJPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4到目前广泛应用的H.264的演进历程.H.265是继H.264之后最新的视频编码标准，其目标是，相比H.264/AVCHP(HighProfile)的图像质量，码率降低了50%[1-4].本研究介绍了一种基于H.265视频压缩标准的高清网络摄像机的设计方案.该方案采用500万像素的高清图像传感器来采集动态图像信息，利用H.265压缩标准对图像数据进行压缩，以达到在较低网络传输带宽下实现高清视频监控摄像机进行联网监控的目的.

1系统设计

1.1系统结构设计

本研究设计的高清网络摄像机系统由高清电动镜头、图像传感器单元、编码控制单元、网络接口单元、存储单元和电源变换单元组成.系统结构框图如图1所示.

图1系统结构示意图

图1中，高清电动镜头负责收集监控现场的光信号，在编码控制单元的控制下，完成对进入图像传感器单元的光线强弱的调整，完成聚焦、变倍等功能，以便被监控场景清晰聚焦到图像传感器上.图像传感器单元接收高清镜头模组聚焦到传感器靶面上的光信号，完成光学图像到电信号的转换，内嵌的图像信号处理(Image Signal Processing，ISP)功能能够完成3A(AE：自动曝光，AWB：自动白平衡，AF:自动焦距)控制.编码控制单元接收经预处理后的视频数据，首先对视频信号进行降噪、增强、去抖、除雾等视频预处理，以提高视频图像质量，然后按照H.265视频压缩标准进行压缩.与此同时，它也完成对整个系统的配置、控制和管理功能，是本系统的核心.编码压缩后的视频数据，采用RTSP协议通过网络接口单元传输到IP网络，以实现远程网络传输和访问控制.此外，电源变换单元将外部提供的12 V直流电源变换成系统内部其余各单元需要的工作电源.

1.2图像传感器单元设计

本设计方案中，图像传感器采用SONY公司的IMX178LQJ 高分辨率、高灵敏度、高动态范围的1/1.8 CMOS型图像传感器，总像素为3 096(H)×2 094(V)(约644万像素)，并可根据需要灵活配置多种格式，最高帧率为60帧/s，最低照度达到了0.002 lux(彩色)/0.001 lux(黑白).图像传感器单元的感光靶面接收由高清电动镜头进入的光信号，进行AD转换、处理后，以LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号)输出.传感器IMX178LQJ输出的LVDS信号包括8对数据信号(LVDS-D-1～LVDS-D-8)和2对时钟信号(LVDS-C-1～LVDS-C-2)，用于传输到经A/D转换、处理之后的视频数据，以便编码控制模块进行编码.图像传感器工作的主时钟INCK由编码控制模块提供，根据应用需求，可以接收频率为27、37.125、54、74.25 MHz的时钟.IMX178LQJ还具有自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等功能，编码控制单元通过4线串行外围接口(Serial Peripheral Interface，SPI)完成对相应功能参数的配置和调整，以提高视频质量.图像传感器单元与编码控制单元的接口连接图如图2所示.

图2图像传感器单元与编码控制单元接口连接示意图

1.3编码控制单元设计

图像传感器单元输出的LVDS信号进入压缩控制单元，该单元按照H.265标准进行压缩处理，同时，该单元也负责对整个系统的配置、管理和控制.

在本设计方案中，选用Hi3516A芯片来完成压缩功能.Hi3516A是海思公司推出的基于H.265/HEVC标准的高清网络摄像机处理器.Hi3516A处理器采用海思先进的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC标准固有的图像振铃效应，极大减少了大运动场景下的拖尾现象和块效应，并支持H.264 BP/MP/HP、H.265 Main Profile、MJPEG/JPEG Baseline 编码[5-7].

Hi3516A的视频捕获单元VICAP(Video Capture)通过BT656/601、BT1120接收HDMI视频接口单元输出的并行视频数据.VICAP支持内嵌ISP(Image Signal Processing，图像信号处理)处理单元，针对机载视频的特点，可以对视频图像进行白平调节、降噪、强光抑制、背光补偿、色彩增强、坏点校正、数字防抖、去雾等视频预处理功能，以提高视频质量，经过预处理后的视频数据存入输入图像缓冲区，作为后续进行H.265视频压缩的数据源.

Hi3516A完成H.265的压缩是由内部的VEDU(Video Encode Decode Unit)单元来完成的.VEDU是一个硬件实现的支持H.265视频标准的编码器.VEDU 编码实现了运动估计/帧间预测、帧内预测、运动矢量预测、变换/量化、反量化/反变换、CABAC编码及码流生成、de-blocking滤波、SAO等协议/算法处理.Hi3516A内嵌CotexA7@ 600 MHz处理器，通过设计相应的应用软件完成码率控制和中断处理等编码控制.编码压缩后的视频码流在码流缓冲区内缓存，然后通过内嵌的GSF(Gigabit Switch Fabric)千兆以太网交换接口输出到网络接口单元.

编码控制单元是本高清网络摄像机的控制核心，完成对整个系统的控制和管理，负责各进程的调度.Hi3516A内嵌Cotex A7@ 600 MHz的嵌入式硬件处理器，在其上运行LINUX嵌入式操作系统软件以实现整个系统的配置、管理和运行控制.

1.4网络接口单元设计

编码控制模块将视频编码数据流通过千兆以太网交换接口发送到外部视频监控网络，支持10/100/1 000 Mbit/s工作模式可配置，支持全双工、半双工工作模式.网口可实现和CPU端口间的数据通信，另外，网口支持EEE(Engery Efficient Ethernet)能效以太网WoL(Wake-on-LAN)网络唤醒功能，支持RMII/RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口.在本设计方案中，选用RTL8211作为以太网PHY接口芯片，它通过RGMII接口与Hi3516A的千兆以太网交换接口连接，提供10 M/100 M/1 000 M以太网络物理接口.网络接口单元与编码控制单元之间的连接关系如图3所示.

图3网络接口单元与编码控制单元之间的连接示意图

1.5辅助单元设计

1)存储单元.本系统中，选用2片H5TC4G63A-

FR(DDR3SDRAM)提供8 Gb存储空间，以满足进行H.265压缩对于数据缓存空间以及处理器运行对于缓存数据空间的需求；采用256 Mb存储空间的SPI FLASH芯片MX25L25635和128 Gb存储空间的NAND FLASH芯片MT29F64G08CFABAWP来存储系统程序和应用程序.

2)电源变换单元.本高清网络摄像机接收外部DC 12 V供电，经电源变换模块转换为系统内部需要的3.3、2.9、1.8和1.2 V电源.为避免I/O在上电时电流过大，要求3.3 V先于1.1 V上电.电源变换模块原理框图如图4所示.

图4电源变换单元功能框图

2实验测试与结论

通过对本设计方案进行实验测试，并录制6 min的视频，结果显示，如果采用H.264的压缩方式，其文件大小为305 Mb，而采用本设计的基于H.265的视频处理系统进行录制，其文件大小为75.6 Mb，是前者的四分之一，且视频效果相当甚至略好.同时，本高清网络摄像机在提供2 592(H)×1 944(V)×30帧(约500万像素)的动态视频时，仅需要2 Mb/s的网络传输带宽.另外，采用本系统所具备的图像增强、降噪、去雾和感兴趣区域编码等视频预处理功能，能有效地改善图像的质量.将本研究所设计的基于H.265标准的高清网络摄像机应用于视频监控网络中，能节省存储空间，减少传输带宽，有利于高清视频网络监控的推广和应用.

参考文献：

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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

中图分类号：TN948.41

文献标志码：A

作者简介：陈绍祥(1968 — )， 男， 硕士， 高级工程师， 从事计算机图像处理与数据通信研究.

基金项目：成都市科技局科技惠民计划(2014-HM01-00075-SF)资助项目.

收稿日期：2016-01-08.

文章编号：1004-5422(2016)01-0070-03