8K攝像機(jī)視頻流通過5G網(wǎng)絡(luò)便攜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)

侯亞榮 余明火 王德闖 尹占江 張曼華

摘？要：本文對8K超高清視頻流、5G特點(diǎn)、8K視頻流便攜性傳輸需求等進(jìn)行了簡單的分析，對視頻流產(chǎn)生設(shè)備8K攝像機(jī)結(jié)合5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸方案做了論述，重點(diǎn)闡述了8K攝像機(jī)視頻流通過5G轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號便攜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：8K攝像機(jī)；8K視頻流；5G

*深圳市技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目：重2020N061 8K攝像機(jī)圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

0 引言

5G是最新一代移動通信技術(shù)，具有傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)延遲低、帶寬高、連接數(shù)密度大、可移動性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用場景十分廣泛[1]。目前全球大部分國家都在加速推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)、5G基站等基礎(chǔ)設(shè)施的部署。5G在2020年已開始商用，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2020年有超過34個(gè)國家、378個(gè)城市部署了5G商用網(wǎng)絡(luò)，并在不斷探索、試點(diǎn)和完善相關(guān)應(yīng)用。截至2021年3月底，我國累計(jì)建成5G基站81.9萬個(gè)，占全球70%以上，5G終端連接數(shù)超過2.8億，全球最大規(guī)模5G商用網(wǎng)絡(luò)已在中國建成[2]。

8K超高清是超高清顯示的下一代技術(shù)，能夠提供良好的視頻體驗(yàn)和品質(zhì)，是技術(shù)和市場發(fā)展的趨勢[3]。而高質(zhì)量8K視頻需要>140 Mbit/s傳輸帶寬要求，5G傳輸帶寬可達(dá)到2 000 Mbit/s，可滿足8K視頻流的傳輸需求。

8K攝像機(jī)為作為超高清產(chǎn)業(yè)鏈的前端，主要解決的是8K內(nèi)容的生產(chǎn)問題。而現(xiàn)有的攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)的存儲主要在存儲卡中，數(shù)據(jù)傳輸接口主要有HDMI、網(wǎng)絡(luò)接口、WiFi、SDI等，通過此類接口可以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)跟顯示器、服務(wù)器等傳輸[4]。以上傳輸方式，在配合相關(guān)設(shè)備的情況下，可實(shí)現(xiàn)直播、視頻流錄制等功能。但在無人機(jī)等各種移動方式下，存在實(shí)現(xiàn)不便等問題，如果要解決帶寬以及可移動便攜性問題，需要能跟8K攝像機(jī)配套應(yīng)用的可移動式高帶寬網(wǎng)絡(luò)，而根據(jù)5G的高帶寬、低延時(shí)、便攜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種8K攝像機(jī)視頻流通過5G信號便攜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)，是技術(shù)需要解決的問題。

1 系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)

1.1 方案簡述

本文所涉及的8K攝像機(jī)視頻流通過5G網(wǎng)絡(luò)便攜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分功能，可錄制的8K攝像機(jī)方案、具有5G通信功能的模塊及中間銜接安裝裝置[5]。

系統(tǒng)中由8K攝像機(jī)對視頻進(jìn)行采集，編碼壓縮、對視頻信號進(jìn)行傳輸；同時(shí)具有對5G通信模塊供電、通信控制等功能，5G通信模塊主要實(shí)現(xiàn)8K攝像機(jī)編碼后的視頻數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)皆贫?，?K攝像機(jī)和5G通信模塊之間通過USB信號（或PCIE信號的方式）進(jìn)行傳輸。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝上，8K攝像機(jī)設(shè)計(jì)了固定外接設(shè)備的通用接口，另設(shè)計(jì)可以拆卸式支架，5G通信模塊通過支架固定在攝像機(jī)上。當(dāng)使用8K攝像機(jī)需要進(jìn)行5G數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)皆贫藭r(shí)，將5G通信模塊通過支架固定在攝像機(jī)上，8K攝像機(jī)與5G通信模塊之間供電和通信，實(shí)現(xiàn)8K視頻的便捷傳輸，可以滿足無人機(jī)等不方便布局網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下直播對硬件設(shè)備的需求，節(jié)省成本。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1為本方案的系統(tǒng)框圖，主要由8K攝像機(jī)、5G通信模塊等組成。其中8K攝像機(jī)主要有電源管理模塊、鏡頭、SENSOR模塊、ISP圖像編碼處理模塊以及8K信號傳輸接口等。其中電源管理模塊輸入電壓為12 V，有適配器或電池輸入，主要負(fù)責(zé)8K攝像機(jī)系統(tǒng)供電及供電邏輯電源管理，同時(shí)通過USB3.0或USB3.1接口電源信號提供給5G通信模塊的5 V供電。優(yōu)選方案是，8K攝像機(jī)和5G通信模塊的USB連接可設(shè)計(jì)為TYPEC插座形式，并通過合適的線材完成對接，內(nèi)部數(shù)據(jù)信號完成8K攝像機(jī)對采集編碼后的音視頻信號傳輸。SENSOR模塊、鏡頭、ISP圖像編碼處理模塊為攝像機(jī)的三大核心，鏡頭采集拍攝目標(biāo)的光信號，SENSOR使用的是能處理8K分辨率的CMOS傳感器，鏡頭和SENSOR連接的卡口可為M43口或EF口等。ISP模塊使用海思的3559A芯片，也可使用其他具有8K信號處理編碼的ISP芯片。5G通信模塊將攝像機(jī)的視頻信號轉(zhuǎn)為射頻信號，并實(shí)現(xiàn)5G無線傳輸，5G通信模塊內(nèi)的5G模塊使用海思的MH5000-31或其他具有同等功能的模塊。攝像機(jī)的ISP芯片可以通過USB3.1與5G通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及設(shè)備控制。

圖2為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件框圖，由于5G通信模塊的供電是由攝像機(jī)提供，在攝像機(jī)通電開機(jī)后，5G通信模塊也會同時(shí)通電，隨后攝像機(jī)上電初始化，并對USB Device等接口設(shè)備進(jìn)行掃描，確認(rèn)是否有系統(tǒng)中的5G通信模塊接入，如果沒掃描到，則繼續(xù)執(zhí)行檢查動作。當(dāng)檢測到有5G通信模塊接入時(shí)，開始初始化設(shè)置5G通信模塊。攝像機(jī)開機(jī)后，根據(jù)攝像機(jī)的拍攝設(shè)置參數(shù)，進(jìn)入設(shè)置拍攝狀態(tài)，等待拍攝指令。在檢測到拍攝指令后，開始進(jìn)行拍攝和視頻編碼存儲。隨后檢測是否視頻有云端傳輸需求，如無云端傳輸需求，則繼續(xù)保持現(xiàn)有狀態(tài)，如有云端傳輸需求，則獲取云端服務(wù)器用戶名或所配置地址，并進(jìn)行視頻流上傳。

1.3 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為攝像機(jī)固定支架螺釘示意圖，其中攝像機(jī)的側(cè)邊設(shè)計(jì)有2～3個(gè)可固定支架的螺釘孔，圖4是支架實(shí)物圖，支架可旋轉(zhuǎn)，分左側(cè)和右側(cè)，左側(cè)設(shè)計(jì)有跟攝像機(jī)螺釘孔位對應(yīng)的螺釘孔位，右側(cè)為放置5G通信模塊的區(qū)域，圖5為放入5G通信模塊的示意圖，通過以上安裝，5G通信模塊可以便捷安裝在攝像機(jī)上，實(shí)現(xiàn)8K攝像機(jī)便攜式的基于5G傳輸硬件系統(tǒng)的搭建。

圖6為結(jié)構(gòu)圖紙，1為螺釘固定，2為5G通信模塊放置區(qū)。

2 結(jié)束語

通過本文方案的實(shí)施，便捷實(shí)現(xiàn)了8K攝像機(jī)視頻流通過5G向云端或服務(wù)器的傳輸，主要實(shí)現(xiàn)的效果如下。

1）8K攝像機(jī)的傳輸帶寬較高，5G通信模塊傳輸可以滿足數(shù)據(jù)傳輸流暢要求。

2）8K攝像機(jī)、支架、5G通信模塊設(shè)計(jì)為可拆卸獨(dú)立模塊，且5G通信模塊可通過支架直接固定在8K攝像機(jī)上，實(shí)現(xiàn)8K攝像機(jī)靈活的使用5G通信進(jìn)行數(shù)據(jù)云端傳輸，滿足任何基于5G+8K的直播場景需求，如航拍、戶外直播等。

本方案直接使用ISP處理芯片作為5G通信控制模塊的數(shù)據(jù)交換控制芯片，節(jié)省了系統(tǒng)應(yīng)用成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 5G當(dāng)代移動通信技術(shù)制高點(diǎn)[EB/OL].人民日報(bào)，2020[2020-02-04]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=16575574974407 34032&wfr=spider&for=pc.

[2] 我國5G基站超81.9萬個(gè)，規(guī)模有多大？[EB/OL].南都大數(shù)據(jù)研究院，2021[2021-05-17].https：//www.sohu.com/a/466967123_ 161795

[3] 中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CUVA）內(nèi)容供給組.5G+8K超高清國產(chǎn)化白皮書，2020[A].

[4] 馮玲玲.一種基于DP接口的8K超高清顯示系統(tǒng)：中國，2014108 10049.X[P].2014-07-30.

[5] 余明火，侯亞榮，王德闖.一種顯示系統(tǒng)：中國，202011205788.1[P].2020-11-2.