基于HDMI傳輸技術(shù)的高清攝像機(jī)方案研究

王 磊，徐 鋒（同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

基于HDMI傳輸技術(shù)的高清攝像機(jī)方案研究

王 磊，徐 鋒
（同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

高清視頻傳輸攝像機(jī)有圖像分辨率高，無失真，無延遲等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛的應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中。高清視頻的有效傳輸是該攝像機(jī)的核心，也是未來研究的重點(diǎn)方向。HD-SDI和HDMI作為數(shù)字信號接口的兩大主要代表，是實(shí)現(xiàn)圖像高質(zhì)量的傳輸?shù)挠行浇?，同時(shí)也是研究的主要對象。

HDMI；高清；傳輸技術(shù)

1　引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)步與發(fā)展，人民生活水平不斷提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也越來越廣泛的應(yīng)用在我們的生產(chǎn)生活中，但是傳統(tǒng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的清晰度低、觀察范圍不夠大、觀察范圍內(nèi)目標(biāo)不夠清楚，在拍攝記錄和壓縮傳輸?shù)确矫娑即嬖谝恍﹩栴}，給治安監(jiān)控、調(diào)查取證等工作帶來一定的困難。

目前在高清視頻應(yīng)用中主要有4種：基于色差分量等方式的模擬高清、基于以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)數(shù)字高清、基于HDMI/DVI等接口傳輸?shù)臄?shù)字高清、基于SDI接口的數(shù)字高清。由于模擬高清和SDI接口的攝像機(jī)受到傳輸介質(zhì)的限制，不適合應(yīng)用于安防系統(tǒng)。模擬高清已經(jīng)趨于淘汰，而HDMI接口的視頻主要用于多媒體設(shè)備中。

2　總體設(shè)計(jì)方案

通過對需求的分析以及成本的控制，將高清無壓縮攝像機(jī)整體分為3個(gè)部分，分別為圖像采集部分，圖像處理部分，HDMI發(fā)送和接收部分。圖1為高清無壓縮攝像機(jī)整體框圖。

2.1圖像采集模塊

圖像采集模塊主要是高清 Sensor。目前主要有CMOS和CCD兩種。CCD中文為電荷耦合器件，能夠把光信號轉(zhuǎn)化為電信號。CMOS中文為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。兩者結(jié)構(gòu)雖相似，但又有很多不同特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。CCD和CMOS傳感器有以下主要區(qū)別：

2.1.1讀取信息方式

圖1　高清無壓縮攝像機(jī)整體框圖

CCD和CMOS處理電荷方式不同。CCD傳感器存儲的電荷信息要求在同步信號控制下逐位轉(zhuǎn)移后再讀取，信號讀取過程較為復(fù)雜；CMOS傳感器經(jīng)行列解碼器直接輸出電壓信號，讀取信號方式十分簡單。

2.1.2功耗

CCD傳感器的電源線路設(shè)計(jì)更加精密，耗電量較大；CMOS傳感器只需使用一個(gè)電源，其內(nèi)部的感光二極管產(chǎn)生的電荷由晶體管放大輸出，功耗非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8。

2.1.3成像速度

CCD圖像傳感器采用串行方式；CMOS圖像傳感器信號讀出采用X-Y尋址方式，允許以整塊、部分或者單元為單位靈活的讀出數(shù)據(jù)，從而提高尋址速度，該項(xiàng)性能優(yōu)于CCD。

2.1.4尺寸

CCD技術(shù)很難將光敏單元陣列，驅(qū)動(dòng)電路和模擬數(shù)字電路集成在單片機(jī)上；而CMOS器件可將光敏元，圖像信號放大器，A/D轉(zhuǎn)換等電路集成在一塊芯片上。因此CMOS可做尺寸小，功能更強(qiáng)大的圖像傳感器。

2.1.5可靠性

在大部分情況下CCD和CMOS的可靠性并無太大去別，但由于CMOS的集成度高于CCD，管腳數(shù)一般較少，因此焊點(diǎn)少，焊接工藝更為可靠。在特殊條件下，CMOS的可靠性高于CCD。

通過對比選擇CMOS Sensor，來自MICRON 公司的MT9P031，輸出可以達(dá)到 500萬像素，成像速率為30pfs。

2.2圖像處理單元

在處理器上我們有比較多的選擇，通常我們可以采用 ASIC、DSP、FPGA 或者TI的達(dá)芬奇結(jié)構(gòu)（DaVinciTM）。

ASIC為專用集成電路，可以按照用戶的需求而定制，有體積小，可靠性高，保密性高，大批量應(yīng)用時(shí)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

DSP（數(shù)字信號處理器）是一種微處理器，這種處理器有專門的硬件結(jié)構(gòu)，使它可以快速進(jìn)行數(shù)字信號處理，因此相對運(yùn)算速度非?？臁５珡母旧蟻碚f，DSP體系還是串行指令系統(tǒng)，只是對一些固定的運(yùn)算進(jìn)行硬件優(yōu)化，不能滿足多種算法的需要。

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上發(fā)展的產(chǎn)物，是一種被廣泛應(yīng)用的可編程邏輯器件。FPGA內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、內(nèi)部連線和輸入輸出模塊IOB三部分。FPGA設(shè)計(jì)非常靈活，可單獨(dú)使用FPGA完成幾乎所有數(shù)字器件的功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。但是這種架構(gòu)成本相對來說比較高，一般應(yīng)用于高端場合。

達(dá)芬奇結(jié)構(gòu)（DaVinciTM）是一個(gè)基于DSP系統(tǒng)的高效的數(shù)字視頻/音頻的組件組合。它是一個(gè)基于DSP的SOC處理芯片，集成了DSP核和ARM核，既有DSP對數(shù)據(jù)的高速處理能力又有ARM對外設(shè)的強(qiáng)大管理能力的處理器。

目前主流的DaVinci 系列處理器硬件平臺有：

（1）基于 DSP 單核架構(gòu)處理器平臺，如DM647/648 ，均有類似于FBGA的全面可編程性，性能處于業(yè)界領(lǐng)先，應(yīng)用于數(shù)碼攝像機(jī)（DVR）、IP 視頻服務(wù)器以及高性能影像應(yīng)用等。

（2） 基 于 DSP+Cortex-A8 多 核 架 構(gòu) 處 理 器 平 臺， 如DM8167/8168系列。高性能 DM81x 器件提供廣泛的視頻功能，包括單一高性能 1080p60 fps 視頻流、三個(gè)同步 720p30 fps 視頻流或多個(gè) 3瓦低分辨率流，可以構(gòu)建消費(fèi)類和醫(yī)療視頻應(yīng)用，以視頻為中心的系統(tǒng)需要較少的視頻流即可在多達(dá)三個(gè)獨(dú)立顯示屏上同步捕捉、編碼、解碼和分析多個(gè)視頻流。

（3）基于 ARM+Codec 硬件加速器架構(gòu)處理器平臺，如DM365/368 等。

通過需求和成本考慮，選擇基于達(dá)芬奇結(jié)構(gòu)的TDMS320DM368為圖像處理器，是基于 ARM+Codec 硬件加速器架構(gòu)處理器平臺。DM368以432-MHz 為主頻的ARM926EJ-S為內(nèi)核，可滿足1080P30fps視頻，有兩個(gè)視頻處理器引擎：HDVICP，MJCP；多種視頻處理子系統(tǒng)：高速人臉識別系統(tǒng)；從1/16倍至8倍縮放引擎；16位并行AFE（模擬前端）接口，頻率高達(dá)120 MHz；4:2:2 （8-/16-bit） 接口；用于模擬高清視頻輸出的3路高清數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。

2.3HDMI發(fā)送和接收部分

HDMI（High Defnition Multimedia Interface）是一種數(shù)字化的影像和音頻接口［13］，可傳送未經(jīng)壓縮的音頻和影像信號，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為2.25GB/s。HDMI的設(shè)計(jì)初衷是取代RCA和SCART老式接口的。它支持各種電視影像格式，包括SDTV和HDTV視頻格式，同時(shí)可傳輸多聲道音頻。HDMI也支持非壓縮的8聲道數(shù)碼音頻，以及任何壓縮音頻如DTS以及SACD所用的8聲道1bit DSD信號。HDMI可搭配HDCP（寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)），以防止合法的影音內(nèi)容遭到非法的復(fù)制和利用。

Silicon Image是HDMI標(biāo)準(zhǔn)先驅(qū)者，它出產(chǎn)的芯片在實(shí)際應(yīng)用中可保證質(zhì)量和效果。同時(shí)TI生產(chǎn)的HDMI接收器TPD12S421成本低，可支持HDMI1.3版本，能和Sil9022配合使用，并能保證質(zhì)量。

3　本章小結(jié)

本章進(jìn)行了高清無壓縮攝像機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，從三個(gè)核心系統(tǒng)進(jìn)行需求分析并選型。首先對比了CCD和CMOS傳感器的優(yōu)劣，從實(shí)際應(yīng)用角度和需求出發(fā)，從各個(gè)角度比較分析后使用CMOS圖像傳感器MT9P031。其次通過對比目前應(yīng)用領(lǐng)域的圖像處理器，確定使用以達(dá)芬奇結(jié)構(gòu)為核心的TMS320DM368核心處理器。最后確定了HDMI發(fā)送器和接收器。對比成本、開發(fā)難度和需求，選擇了Sil9022為發(fā)送器，TPD12S421為接收器。

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［5］熊平.CCD與CMOS圖像傳感器特點(diǎn)的比較［J］.半導(dǎo)體光電，2004，25（01）：1-4.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.206