基于H.265的高清晰度無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭武略 ，尚 濤 ，張富春 ，金 釗 ，王一鳴 ，趙 敏 ，張 蔓

（1.廣州市南方電網(wǎng)廣東廣州510000，2.電子科技大學(xué)四川成都611731）

輸電線路在電力行業(yè)中有著舉足輕重的地位，承擔(dān)著電流傳輸?shù)娜蝿?wù)，輸電線路可靠的運(yùn)行，以及安全無危險(xiǎn)的周圍環(huán)境是我們必須要保證的。隨著科學(xué)的快速發(fā)展和技術(shù)的革新，巡檢輸電線路的方式不再是單一的人工巡視，而是采用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、無人機(jī)巡檢設(shè)備等進(jìn)行輸電線路巡檢，逐步變的多樣化[1-2]。而在山區(qū)輸電線路巡檢中，特別是在高山、險(xiǎn)山等人為不易操作的區(qū)域，采用無人機(jī)巡檢的優(yōu)勢(shì)更為明顯，采集到的圖像使用無線圖傳進(jìn)行傳輸。

與有線圖像傳輸相對(duì)比，無線圖傳在可移動(dòng)性和功耗方面均有較大的優(yōu)勢(shì)，但其實(shí)時(shí)性和圖像的傳輸速度以及質(zhì)量遠(yuǎn)不及有線圖像傳輸：1）圖傳清晰度不夠，傳輸距離近，不能滿足應(yīng)用要求；2）輸電走廊無通信鏈路，輸電線路巡視視頻無法實(shí)時(shí)回傳監(jiān)控中心；3）巡視數(shù)據(jù)處理智能化程度低巡視圖片、視頻的分析、命名、存檔、查詢均為人工操作，智能化程度低，效率不高，特別是巡視視頻和現(xiàn)場(chǎng)鐵塔號(hào)無法自動(dòng)對(duì)應(yīng)，仍然主要依賴于人工操作。所以，針對(duì)無人機(jī)巡檢技術(shù)發(fā)展，高清遠(yuǎn)距離無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)對(duì)其具有深遠(yuǎn)的影響意義

1 系統(tǒng)方案

設(shè)計(jì)的機(jī)載模塊，通過將相機(jī)和無線發(fā)射模塊整合在一起來構(gòu)成具有無線傳輸功能的相機(jī)，其中相機(jī)分為高清視頻采集和壓縮兩部分，而視頻采集模塊則采用支持自動(dòng)強(qiáng)光抑制、高速自動(dòng)聚焦等功能的高端機(jī)芯。通過采用自動(dòng)強(qiáng)光抑制及自動(dòng)聚焦機(jī)芯，機(jī)載模塊能夠高效的進(jìn)行視頻采集，并且能實(shí)時(shí)得到相機(jī)焦距信息；視頻壓縮模塊采用H.265硬壓縮方式[3]，與其他方式相比，所需時(shí)間較少，并且效果更好。無線發(fā)射模塊由信息調(diào)制和功率放大器兩部分組成。無線接收部分由緩沖區(qū)和解調(diào)、解碼、顯示3個(gè)模塊組成。能夠完成高質(zhì)量視頻以及焦距信息傳遞輸送，距離長(zhǎng)達(dá)5 km[4]。

射端中采用H.265壓縮格式壓縮視頻，可以減少70～80%的帶寬消耗。H.265視頻壓縮模塊采用高效的硬壓縮方式，采用相應(yīng)的芯片提供高速高可靠性的視頻壓縮。無線傳輸模塊采用放大器將無線信號(hào)放大后利用554 MHz頻率的無線信號(hào)傳輸，能夠有效的繞過障礙物的遮擋，提高傳輸?shù)目煽啃?。電源備份采用高效鋰電池，為高質(zhì)量清晰度攝像機(jī)機(jī)芯、視頻壓縮和無線傳輸3個(gè)部分供電。MCU控制器主要用來管理系統(tǒng)中的各個(gè)外圍接口，并協(xié)調(diào)其工作。發(fā)射端系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射端系統(tǒng)框圖

線圖傳的接收端由信號(hào)接收和視頻解碼、輸出接口以及電源4個(gè)不同的模塊共同構(gòu)成[5]。信號(hào)接收模塊由高靈敏度天線和功率放大器兩部分組成，高靈敏度天線快速高效的接收發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)，并通過功率放大器進(jìn)行放大，使其更加明顯。視頻解碼模塊主要器件為H.265芯片，對(duì)已拍攝完成的數(shù)字視頻解壓縮。在輸出模塊中，選擇HDMI接口負(fù)責(zé)將信號(hào)接收端與顯示器之間的鏈接。接收、解碼、視頻輸出接口3個(gè)不同的模塊所需要的一切電量均使用電源部分中的高效鋰電池提供。接收端系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 接收端系統(tǒng)框圖

2 技術(shù)方案

此次基于554 MHz視頻傳輸設(shè)計(jì)的無線圖傳整體方案大致分為以下5大塊：1）視頻采集；2）視頻編解碼；3）系統(tǒng)核心控制；4）系統(tǒng)供電；5）射頻通信[6]。視頻采集部分功能為完成視頻信息的采集，通過CMOS圖像傳感器芯片采集外界的視頻信息并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以供視頻編碼處理；編解碼部分主要用于高清視頻的信號(hào)編碼以及接收端解碼[7]；系統(tǒng)核心控制部分功能是控制視頻信號(hào)的采集、發(fā)送和接收[8]；系統(tǒng)供電部分是為系統(tǒng)提供需要的工作電壓；射頻通信部分通過直接發(fā)送和接收電磁波信號(hào)進(jìn)行高清視頻的發(fā)射以及接收以達(dá)到通信的目的。

2.1 視頻采集部分

視頻采集部分采用GoPro HERO4戶外運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星高清攝像機(jī)，GoPro相機(jī)是一款小型可攜帶固定式防水防震相機(jī)。

GoPro攝像機(jī)能夠拍攝1 440 p、1 080 p、720 p的視頻，HERO4 Black是首款能夠拍攝超高分辨率、高幀速率視頻的小型攝像機(jī)。使用HERO4 Black，能夠以每秒高達(dá)30幀的速率連拍12 MP照片。非常適合將攝像機(jī)固定到其他設(shè)備上進(jìn)行拍攝而無法安東快門按鈕時(shí)的場(chǎng)景。GoPro充電采用微型USB接口，可采用Micro HDMI傳輸高達(dá)1 080 p的視頻流，并且可以將所拍攝視頻存入microSD內(nèi)存卡中。

2.2 視頻編碼部分

本系統(tǒng)視頻編解碼部分采用海思Hi3516A視頻編解碼芯片，采用業(yè)界最新的H.265視頻壓縮編碼器（Hi3517A不支持），同時(shí)采用先進(jìn)低功耗工藝和低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)，這一切將使得Hi3516A在同類產(chǎn)品中占有巨大優(yōu)勢(shì)，不但擁有低碼率，而且在圖像清晰度上也極其優(yōu)秀，同時(shí)，低功耗也是選擇它的一個(gè)重要理由。其系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 H.265系統(tǒng)框圖

其在視頻編解碼方面具有優(yōu)越的性能：

1）處理器內(nèi)核：A7@600MHz，32KB I-Cache，32KB D-Cache/128KB L2 cache，支持 Neon加速，集成FPU處理單元；

2）視頻編碼：H.265 Main Profile，H.264 BP/MP/HP，MJPEG/JPEG Baseline編碼；

3）視頻編碼處理性能：H.265/H.264編碼可支持最大分辨率為5M Pixel且具有多碼流實(shí)時(shí)編碼能力，支持JPEG抓拍5M@8fps，編碼幀率支持為1/16～60fps，CBR/VBR 碼率控制 16 kbit/s～40 Mbit/s，且支持8個(gè)感興趣區(qū)域（ROI）編碼；

4）智能視頻分析：集成智能分析加速引擎，支持智能運(yùn)動(dòng)偵測(cè)、周界防范、車牌識(shí)別、視頻診斷等多種智能分析應(yīng)用[9]；

5）視頻與圖形處理：支持3D去噪、圖像增強(qiáng)、動(dòng)態(tài)對(duì)比度增強(qiáng)處理功能，8個(gè)區(qū)域的編碼前處理OSD疊加，視頻圖形，即視頻+圖形兩層進(jìn)行疊加[10]；

6）音頻編解碼：通過軟件實(shí)現(xiàn)多協(xié)議語音編解碼，協(xié)議支持G711、ADPCM、G726，支持回聲抵消功能，支持ANR，ALC功能；

7）視頻接口

輸入：

-支持8/10/12/14 bit RGB Bayer DC時(shí)序視頻輸入，時(shí)鐘頻率最高150 MHz；

-支持BT.601、BT.656、BT.1120輸入接口；

-支持MIPI、LVDS/Sub-LVDS、HiSPi接口；

-支持與 SONY、Aptina、OmniVision、Panasonic等主流高清CMOS sensor對(duì)接；

輸出：

-支持1路PAL/NTSC輸出，支持負(fù)載自動(dòng)檢測(cè)；

8）音頻接口：集成 Audio codec，支持 16 bit語音輸入和輸出，支持I2S接口，支持對(duì)接外部Audio codec；

支持I2S接口，支持對(duì)接外部Audio codec。

2.3 系統(tǒng)核心控制部分

本系統(tǒng)使用OMAP5910作為系統(tǒng)的主控制芯片，接收其他模塊信息，并對(duì)其他模塊功能發(fā)送命令控制。雙核應(yīng)用處理器OMAP5910可以實(shí)現(xiàn)互連、嵌入式、遠(yuǎn)程等多種計(jì)算，其中，TI應(yīng)用最為廣泛的TMS320C55XDSP可以用于實(shí)時(shí)多媒體，而在功能上有所改善的ARM925則可滿足控制和接口等方面的需要[11]。

基于雙核結(jié)構(gòu)，OMAP5910具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力和極低的功耗，一方面產(chǎn)品性能高、省電，另一方面同其他OMAP處理器一樣，采用開放式、易于開發(fā)的軟件設(shè)施，支持廣泛的操作系統(tǒng)，如Linux、Windows、WincE、Nucleus、PalmOS、VxWorks、Java等[12-13]。OMAP5910系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程

2.4 系統(tǒng)供電部分

因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的方案中存在各類功能和和性質(zhì)均不相同的電路，因此，整個(gè)系統(tǒng)的供電部分與其他同類方案相比，要復(fù)雜許多。只有足夠可靠的電源，才能完全保證整個(gè)電路的正常工作。在本次設(shè)計(jì)方案中，為了滿足攜帶移動(dòng)方便的要求，采用電池提供所需電能，同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)工作時(shí)長(zhǎng)以及安全性能方面有著較高標(biāo)準(zhǔn)，這就導(dǎo)致在此次方案中需要較多的工作專注于電池的選取。

此次，選取3塊3.7 V鋰電池，經(jīng)依次串聯(lián)組成的3S鋰電池提供系統(tǒng)所需電能。系統(tǒng)輸出電壓為11.1 V。眾所周知，因?yàn)榉桨高x取電池充當(dāng)電源，所以伴著時(shí)間逐步推移，器件的持續(xù)工作對(duì)電池的容量會(huì)有一定程度的使用，導(dǎo)致電壓強(qiáng)度慢慢變低。為了解決系統(tǒng)方案的不足，由于最大輸出電路電流均為800 Ma，擁有較強(qiáng)大的負(fù)載能力，因此選取輸出電壓強(qiáng)度分別為5 V和3.3 V的TPS62050與TPS62056[5]。

TPS62050電路圖如圖5所示。

TPS62056電路圖如圖6所示。

2.5 射頻通信部分

通過對(duì)市場(chǎng)上較為流行的幾種收發(fā)芯片進(jìn)行比較，最終，采用nRF905，整個(gè)芯片采用QFN封裝，大小僅為5×5 mm。

單片射頻收發(fā)器nRF905相較于同類產(chǎn)品來說，更為穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)于挪威Nordic VLSI公司。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz等ISM頻段，在頻率合成方面，選取靈敏度更高的DDS+PLL，達(dá)到-100 dBm，最大發(fā)射功率達(dá)+10 dBm，數(shù)據(jù)速率可達(dá)100 kbit/s。[14]其顯著特點(diǎn)是外圍元件極少（約10個(gè)），低工作電壓（1.9V），功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)僅為2.5 μA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。由于器件正常工作時(shí)，處于ShockBurst模式，并且曼徹斯特編/解碼直接由芯片內(nèi)置硬件直接完成，同時(shí)內(nèi)置空閑與關(guān)機(jī)模式，因此整個(gè)器件在使用過程中簡(jiǎn)單方便，并比同類芯片更為節(jié)能[15]。

射頻通信模塊PCB板如圖7所示。

圖5 TPS62050電路圖

圖6 TPS62056電路圖

圖7 射頻通信模塊PCB板

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 室內(nèi)環(huán)境測(cè)試

為測(cè)試圖傳設(shè)備工作是否正常、畫面是否清晰，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用GoPro攝像機(jī)、圖傳設(shè)備、電視顯示設(shè)備在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試步驟：圖像發(fā)射端與圖像接收端天線距離1 m左右，GoPro攝像機(jī)通過Micro HDMI線與圖像發(fā)射端通信；圖像接收端與電視顯示器通過HDMI相連接。先后打開發(fā)射端與接收端，檢查顯示器是否有清晰畫面。其測(cè)試場(chǎng)景如圖8所示。

圖8 室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)景

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，圖像發(fā)射端與圖像接收端形成了有效的信息交互通信連接，并且通過搭載GoPro相機(jī)，可以形成實(shí)時(shí)高清圖像傳輸反饋，且顯示器畫面清晰、穩(wěn)定，圖像傳輸設(shè)備能夠穩(wěn)定通信。

3.2 室外環(huán)境測(cè)試

為測(cè)試及驗(yàn)證圖像傳輸有限距離，實(shí)驗(yàn)通過采用攝像機(jī)、圖傳設(shè)備、顯示器、八旋翼無人機(jī)在室外環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。首先，對(duì)建立高清圖傳地面接收端，將圖傳接收平臺(tái)裝在汽車上，構(gòu)成一個(gè)移動(dòng)的接收平臺(tái)，如圖9所示。

圖9 室外車載接收端測(cè)試場(chǎng)景

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試前對(duì)飛機(jī)所在位置的GPS進(jìn)行標(biāo)定，本次實(shí)驗(yàn)無人機(jī)GPS坐標(biāo)為（103.916 115，30.755 365）。然后將測(cè)試選擇在寬闊的馬路上，并起飛前，請(qǐng)確定當(dāng)前接收衛(wèi)星書數(shù)量，后控制搭載高清圖傳發(fā)射端的無人機(jī)上升至50多米處開始懸停，并啟動(dòng)汽車遠(yuǎn)離無人機(jī)的方向行駛，直至顯示器無圖像為止，記錄此時(shí)GPS坐標(biāo)。其實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖10所示。

圖10 機(jī)載高清圖傳傳輸測(cè)距

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)汽車GPS坐標(biāo)到達(dá)（103.825 818，30.807 643）時(shí)高清圖像傳輸?shù)竭_(dá)臨界距離，并通過計(jì)算可以得出本次實(shí)驗(yàn)高清圖傳最大傳輸臨界距離為10.4 km有效驗(yàn)證了圖傳設(shè)備預(yù)估10 km傳輸距離的要求。

4 結(jié)束語

文中主要針對(duì)無線圖像傳輸系統(tǒng)的傳輸最大距離及傳輸視頻清晰度進(jìn)行研究。由于從傳統(tǒng)高清圖傳普遍成本高昂且操作復(fù)雜，因此本文在高清遠(yuǎn)距離圖傳設(shè)計(jì)選材方面采用大眾通用相機(jī)作為基礎(chǔ)，并對(duì)視頻編碼、、控制及射頻通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本文設(shè)計(jì)的高清圖傳可以很好的完成圖像傳輸任務(wù)、攜帶方便，并具有超視距圖像傳輸能力，可以有效應(yīng)用在遠(yuǎn)距離無人機(jī)輸電線巡檢任務(wù)中。

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