许才顼，解迪，劳志成

（1.梧州学院广西机器视觉与智能控制重点实验室，广西梧州，543000；2.梧州学院电子与信息工程学院，广西梧州，543000）

0 引言

信息技术的发展促进了新媒体技术的进步，视频监控技术也逐渐被重视起来，传统的监控方法过于依赖人力，不仅提高了监控成本，还达不到较好的监控效果，视频实时监控方法可以利用计算机进行远程监控，有效扩大了监控的范围，提高了监控效率[1-3]。在HEVC技术的基础上，相关研究人员开发了HEVC编码框架，该框架能提高网络传输亲和力，实现码流节省编码，因此本文基于HEVC编码框架设计了视频实时监控系统，为实现实时视频监控，促进视频监控技术的发展提供依据。

1 基于HEVC编码框架的视频实时监控系统

此次系统硬件设计中包括综合监控电路、X265视频编码器和ZC301摄像头，根据系统功能设计系统整体框架，如图1所示。

图1 系统整体框架图

1.1 硬件设计

1.1.1 综合监控电路

为了保证视频实时监控的可靠性，本文设计的系统组建了综合监控电路，保证组件开发的稳定性，首先根据实时监控系统的CEC板设计综合电路的接口部分，综合电路的每个组成部分都包含两个USB接口，便于设备的连接和输入，根据各个电路之间的信息传输关系，排除各电路可能会给编码框架带来的干扰，进行综合监控电路的设计，在元器件选型时，需要注重信号模拟量，根据信号的干扰状态进行综合设计，综合监控电路如图2所示。

图2 综合监控电路

综合电路的第一个组成部分就是AMS1117供电电路，由于系统的监控稳定性直接决定实际监控效果，因此设计的系统使用LDO技术进行供电，并经过AMS1117-33芯片实现电压的输出[6]。在该部分开始工作后，需要在通电的同时进行同步滤波处理，降低输出的波纹，保证电压的稳定性输出，还可以利用VDD3.3进行振荡抑制，避免电阻受限流影响导致的供电电路失稳[7]。

第二个组成部分是时钟电路，在实际监控过程中外界环境会对监控结果造成一定的影响，因此可以根据实际晶振情况选取符合系统实时监控需求的时钟电路进行晶振处理，避免外界环境干扰，因此本系统利用12MHz晶振时钟源设计时钟电路，首先根据石英晶体的振荡情况决定电容的容量，其次采集产生的时钟信号，设置石英晶振输出频率，增加信号输出的稳定性，并将其与供电电路进行有效连接。

第三个组成部分是复位电路，复位电路是整个电路的核心组成部分，可以决定系统监控过程中的综合状态，设计的复位电路图如图3所示。

由图3可知，在开始工作时，复位电路中的C7逐渐充电，NRST信号根据实际情况进行快速转化，达到C7容值后使用MPU完成复电，设置001H子程序，反复执行处理操作，实现复位。

图3 复位电路图

第四个组成部分是摄像头驱动电路，摄像头受外界光环境影响，因此需要在摄像头驱动电路内部添加感光元件，增加电路的光感灵敏度，保证监控效果，为了实现实时跟踪，需要使用SCL与PCLK结合驱动技术，降低驱动电路的体积，保证影像运动轨迹的实时监控。

最后一个组成部分是按键控制电路，整个综合监控电路必须能进行快速控制，避免由于电路故障或连接阻塞出现的电路控制问题，基于此，设计该系统的按键控制电路，首先需要保证输入信号与控制器之间的连接效果，在电路接通后，保证电压与电阻处于平衡关系，其次使用I/O接口进行低电平转换，从而有效识别视频中场景的位置，实现视频实时监控。

1.1.2 X265视频编码器

为了提高视频的编码效果，增加视频编码率，设计的系统使用HEVC编码框架设计了X265视频编码器。根据视频监控的快速帧内选择需求，使用核心编码技术提高了编码速度，降低了视频监控消耗时间，X265编码器的编码流程示意图如图4所示。

由图4可知，X265视频编码器主要使用Fast prediction algorithm完成快速选择，因此在进行视频编码时，需要根据编码器的状态设置编码器的初始化指标，完成初步图像读取。X265编码的流程如下：第一步，利用X265_param_alloc()设置编码参数，第二步，将设置参数传输到储存空间中，第三步使用X265_picture_alloc()进行结构分配，设计特异性处理函数，第四步使用X265_encoder_encode()算法进行编码，最后一步，申请所需的编码，实现高效视频编码。

图4 编码流程示意图

1.1.3 ZC301摄像头

在视频实时监控系统中设计中最重要的就是监控摄像头的选择，根据系统的实际需求状态，目前符合系统需求的监控摄像头共有两种，即ZC301摄像头和ov5640摄像头，这两种摄像头都具有分辨率高，摄像效果好的特点，进一步对比两种摄像头的使用成本可知，ZC301摄像头的使用成本相对较低，因此本文设计的视频实时监控系统选取ZC301摄像头作为监控摄像头。ZC301摄像头不仅能实时对采集到的视频图像进行处理，还可以根据实际处理情况进行高效的图像压缩，因此ZC301摄像头的压缩比相对较高，处理后图像的清晰程度也可以保证。ZC301摄像头的组成部分较简单，由DSP信号处理模块，CMOS传感器、镜头组成，会根据采集信息的状态完成信号模数转化，实现信号的高效处理，增加系统的实时监控效率，符合系统的监控需求。

1.2 软件设计

1.2.1 分析视频实时监控需求

系统需要满足用户实时监控功能，在用户数量增多时可以进行通道划分，避免出现用户使用卡顿的情况，其次设计的系统需要为实际使用提供访问支持，根据移动终端的访问状态，设计符合系统功能的访问渠道，增加系统的完整性，还需完善用户的身份信息认证制度，设计的视频实时监控系统的整体目标如下：

第一，需要满足系统运行可靠性，提高系统自动恢复能力，设置故障检测中心，第二，保证系统中登入用户信息的可靠性，降低系统的安全风险，第三，增加系统使用性价比，保证系统能实现低投入、高性能。第四，增加系统的可拓展性，保证其能兼容各种类型的移动设备，最后，系统需要具有可维护性，降低维护难度。

1.2.2 基于HEVC设计视频实时监控体系架构

HEVC编码框架可以实现高效视频编码，增加视频编码率，其主要使用HEVC协议标准进行编码，因此本文设计的系统使用HEVC编码框架设计了实时监控体系架构，首先需要确定编码架构的指标，计算公式如下（1）所示。

公式（1）中，n代表HEVC编码系数，应用该指标可以进行快速帧内选择，因此可以将设计的实时监控体系架构划分为几个层次：

第一层是表现层，用户在该层次可以获取视频监控信息，访问监控摄像头，进行移动监控，第二层是架构中较重要的层次，称其为中间层，中间层可以始终保证系统的稳定运行，处于系统的运行中心，可以随时根据系统的运行状态处理错误逻辑，控制监控信息的转发和摄像头方向，也是系统的监控中心，最后一层是数据层，数据层主要与实时监控产生的数据信息相关，可以记录监控系统各项操作中产生的数据，为进一步分析作基础。

1.2.3 设计功能模块

根据设计的实时监控体系架构，可以设计系统的功能模块，第一部分是监控中心模块，该模块主要使用了Monitor监控软件，用户在进入该模块前必须进行权限验证，验证通过后才被允许进入，在该模块可以观看监控视频，报警，或进行监控数据交互，该模块往往与移动终端相连，用户可以使用移动终端登录，查看浏览历史数据。监控中心模块能够监控异常活动目标，当出现突发状况时，可以截取异常画面并保存，同时将报警信息发送至应急处理邮箱。

第二部分是流媒体服务模块，该模块作为较重要的部分决定着视频资源的利用状态，进行视频资源的实时监控，用户在使用的过程中，需要根据视频资源的状态发布相关的使用信息，生成较小码率的视频流，降低网络资源，在媒体流服务模块的内部使用QoS机制来保证传输稳定性，从而限制用户等级，完成准确控制。流媒体服务模块采用流式传输，由于自身媒体信号带宽的优势，能够满足网络连接及视频监控的基本需求。该模块中具有流媒体服务器，可以实现视频信息的实时传输，且能够适应随机性访问及快进、快退功能。

第三部分是管理模块，可以统一对用户权限进行配置，及时进行系统维护管理，还可以接收其他模块发布的报警信息，及时进行管理，为了提高视频监控的效率，管理模块还添加了录像回放功能，记录监控过程中生成的历史数据，为后续的操作提供相关依据。另外在管理模块中还需要对视频数据进行拆包处理，即需要解码后以位图的形式保存于缓冲区，经过准确读取、调用，实现视频的播放和浏览，操作部分代码如图5所示。

图5 管理模块操作代码

第四部分是报警转发模块，可以与各种前端报警模块交互，调用传输报警信息，及时响应给管理员，因此该模块也是报警信息的重要处理模块，对监控质量起决定性作用。

2 平台测试

为了检验设计的基于HEVC编码框架的视频实时监控系统的监控效果，本文搭建了系统测试平台，进行系统测试如下。

2.1 测试准备

受系统的实际组成情况影响，测试平台必须具有与测试功能拟合的服务终端，确保测试信息采集的准确性，在测试初期，首先需要根据系统的实际运行状态获取HEVC编码视频信息，然后与手机终端进行交互，与媒体流服务器相连，最后利用C#/C++和eclipse for android开发测试平台测试功能，完成部署，系统测试平台部署参数如表1所示。

表1 系统测试平台参数

由表1可知，此时的各项参数均与后续的测试准确性相关，为了增加系统测试的可靠性，在系统测试前需要制定有效的系统测试方案。

在实际测试过程中，经常存在受系统综合流程影响导致的测试bug，可以使用bug管理流程进行综合管理，还可以由开发人员进行综合判断并进行相应的回归修复，确定bug的修复状态，对可能存在的bug进行划分，划分情况如表2所示。

表2 系统bug划分情况

根据表2的bug划分情况，可以快速对测试中可能产生的bug进行处理，为增加后续的测试准确性作基础。

2.2 测试结果与讨论

在上述搭建的系统测试平台中进行测试，记录不同数量用户进入时系统的时延变化，拟定系统的合格时延为3.0s，系统测试结果如表3所示。

表3 系统测试结果

由表3可知，设计的系统在人数增长的情况下时延始终低于标准时延3.0s，证明设计的系统性能良好，具有有效性，能满足视频实时监控需求。

3 结束语

综上所述，视频实时监控是信息时代发展中的关键性技术，在各个领域都得到了广泛应用，利用视频监控技术进行监控不仅降低了人力成本，还能增加监控的效率，因此本文根据HEVC编码框架，设计了视频实时监控系统，提高了视频监控的效果，进行系统测试，结果表明，设计的视频实时监控系统在人数快速变化的情况下时延始终符合测试标准，证明设计的系统性能良好，具有一定的应用价值，可以作为后续视频监控技术发展的参考。