CN102170381B - 基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于千兆网物理层接口的非压缩音视频和控制数据的双向传输系统和方法，特别适用于高清视频监控系统。该系统充分利用千兆以太网物理层接口提供的高速双向数据传输性能，克服其他高清视频数据传输的缺点，以优异的性能、低廉的成本实现了多路高清无压缩视频、音频和数据的远距离双向传输，同时复合多路音频和控制数据，为高清视频监控系统提供了一种较好的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种基于千兆以太网物理层接口的非压缩高清视频、音频和控制数据的双向传输系统和方法。
背景技术
近年来，随着人们对现代化安全防范系统需求的不断增长，视频监控因其直观、方便、内容丰富，受到了用户的认可，得到了广泛的应用，尤其是高清视频图像，因其提供了更高的分辨率，在目前的安防监控领域得到了越来越广泛的应用。高清视频系统的传输方式分为两种模式，IP网络方式和直接传输方式，近年来基于IP的高清网络摄像机，IP CAM或Web CAM，也得到了一定程度的应用，由于需经IP网络的传输，考虑到带宽的因素，视频信息必须经过压缩，而且在IP网络中，数据传输时延难以控制，而后端处理的解压缩也需要时间，所以画面的实时性难以保证。IP CAM多工作在100M网模式下，其物理连接方式为总线式，在加上网络传输多为有条件的传输模式，所以连接和传输的可靠性难以保证，且在网络流量高峰时期，信道的阻塞，可能会导致图像中断，也可能因无充足带宽而造成数据丢失，图像损失也成为其无法避免的问题。而点对点传输非压缩视频是解决以上问题的最佳方式，目前有YPBPR，HDMI，HD-SDI等方法，但都由于这些方法的一些问题无法大规模使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于千兆以太网物理层接口的非压缩高清数字视频、数字音频和控制数据的双向传输系统和方法，该系统充分利用千兆高速以太网物理层接口提供的高速双向传输性能，克服其他高清视频数据传输的缺点，以优异的性能、低廉的成本实现了高清无压缩视频，音频和数据的远距离双向传输。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：提供一种基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输系统，其特征在于：所述非压缩数据双向传输系统由通过千兆以太网连接的接收端装置和发送端装置组成；所述发送端装置包括：
若干个发端数据输入输出单元，分别与发端数字逻辑单元和发端微控制单元相连接，用于采集视频、音频和控制数据，并将这些数据提交至发端数字逻辑单元；同时，接收来自发端数字逻辑单元发来的反向音频和控制数据并输出；
一发端数字逻辑单元，分别与发端千兆以太网物理层接口和发端微控制单元相连接，用于接收发端数据输入输出单元输入的数据进行类型判断，将视频数据分段，并和音频、控制数据混合编码，在每个数据段前添加以太网帧头组成以太帧，并将以太帧通过GMII接口送至发端千兆以太网物理层接口；同时，接收来自发端千兆以太网物理层接口的反向音频和控制数据，解码后交由发端数据输入输出单元输出；
一发端千兆以太网物理层接口，发端千兆以太网物理层接口一端与收端千兆以太网物理层接口通过千兆以太网相连接，另一端通过GMII接口与发端数字逻辑单元相连；
一发端微控制单元，用于协调发端数据输入输出单元、发端数字逻辑单元和发端千兆以太网物理层接口工作，同时处理控制数据；
所述接收端装置包括：
若干个收端数据输入输出单元，分别与收端数字逻辑单元和收端微控制单元相连接，用于接收来自收端数字逻辑单元的多路视频、音频和控制数据，经反混合解码后输出，同时实现收端音频和控制数据的输入，并提交给收端数字逻辑单元；
一收端数字逻辑单元，分别与收端千兆以太网物理层接口和收端微控制单元相连接，用于对从收端千兆以太网物理层接口接收的以太帧数据去掉以太网帧头，并进行反混合解码处理后，交由收端数据输入输出单元输出数字视频、音频和控制数据；同时，接收收端数据输入输出单元发来的的音频和控制信号，并进行混合编码送至收端千兆以太网物理层接口；
一收端千兆以太网物理层接口，一端通过GMII接口与收端数字逻辑单元相连，另一端与发端千兆以太网物理层接口通过千兆以太网相连接；收端千兆以太网物理层接口接收发端千兆以太网物理层接口发送的以太帧并递交至收端数字逻辑单元，同时将收端数字逻辑单元提供的音频和控制数据通过以太网发送至发端千兆以太网物理层接口；
一收端微控制单元，用于协调收端数据输入输出单元、收端数字逻辑单元和收端千兆以太网物理层接口工作，同时处理控制数据。
所述视频数据来自于模拟摄像机并经A/D转换或来自各种数字摄像机的输出；所述音频数据来自于拾音器的A/D转换或数字音频设备的输出；所述控制数据来自于各种传感器输出。
一种基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输方法，其特征在于：所述非压缩音视频数据传输方法包括步骤如下：A、在发端微控制单元的控制下，发端数据输入输出单元通过音频获取设备、高清数字视频获取设备、控制设备分别获取多路数字音频、数字视频和控制数据发送至发端数字逻辑单元，同时发端数据输入输出单元接收来自发端数字逻辑单元的数字音频和控制数据并输出；B、发端数字逻辑单元在接收到高清音视频信号和控制数据后进行非压缩高清混合编码及与成帧处理，并将封装后的以太帧通过GMII接口提交至发端千兆以太网物理层接口，同时，发端数字逻辑单元接收来自发端千兆以太网物理层接口的数字音频和控制数据进行反混合解码后发送至发端数据输入输出单元；C、发端千兆以太网物理层接口将以太网帧通过连接的千兆以太网络进行发送至收端千兆以太网物理层接口，同时，接收来自收端千兆以太网物理层接口的数字音频和控制数据发送至发端数字逻辑单元；D、收端千兆以太网物理层接口从千兆以太网络接收以太网帧，通过GMII接口输出至收端数字逻辑单元，同时，通过GMII接口接收来自数字音频和控制数据发送至发端千兆以太网物理层接口；E、收端数字逻辑单元在收端微控制单元的控制下对以太网帧进行反混合解码后发送至收端数据输入输出单元分别输出数字视频、数字音频和控制数据，同时，收端数字逻辑单元通过与收端数据输入输出单元连接的音频设备和控制设备获取多路数字音频和控制数据，进行非压缩混合编码及与成帧处理后发送至收端千兆以太网物理层接口。
在步骤A中，所述发端微控制单元负责协调数字逻辑单元和发端数据输入输出单元之间的数据传输，当发端微控制单元被设置为开启时，发端数据输入输出单元向发端数字逻辑单元发送高清音频、视频和控制数据。在步骤E中，所述收端微控制单元负责协调收端数字逻辑单元和收端数据输入输出单元之间的数据传输，当收端微控制单元被设置为开启时，收端数据输入输出单元向收端数字逻辑单元提供数字音频和控制信号。
综上所述，在本发明所提供的基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输系统中，数字视频、音频和控制数据等由发端数据输入输出单元进入，由发端数字逻辑单元进行混合处理、封装为MAC帧后通过发端千兆以太网物理层接口连接的以太网发送至收端千兆以太网物理层接口，接收后再经由收端数字逻辑单元进行去以太帧头部处理，并经反混合解码恢复为音视频及控制数据流送至收端数据输入输出单元进行输出。而由接收端到发出端的音频和控制数据经收端数据输入输出单元输入，经收端数字逻辑单元做混合编码并封MAC帧后，交由收端千兆以太网物理层接口反向到发端千兆以太网物理层接口，再经发端数字逻辑单元去以太帧头部，反混合解码后交给发端数据输入输出单元输出。在本发明中，由于利用了千兆以太网物理层接口的全双工的1Gbps数据传输能力，实现了多路高清视频和双向音频、控制数据在一个信道上的远距离传输，克服了现有的多种高清视频数据传输方式的缺点，让高清无压缩视频监控推向实际应用。
附图说明
图1是基于物理层接口的非压缩数据双向传输系统原理框图；
图2是本发明的视频传输过程流程图；
图3是本发明的发送端数字音频和控制数据发送流程图；
图4是本发明的接收端控制数据和数字音频数据的反向传输流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
本发明是一种基于千兆以太网物理层技术，传输非压缩高清视频，音频和控制数据的系统。本系统放弃了传统的采用IP网络结构，利用7层协议进行数据传输的做法，而采用直接封装以太帧，利用物理层直接双向传输高清非压缩视频，音频和控制数据，并使用点对点的数据传输方式，以避免总线连接方式的相互干扰，同时避免传输时延和抖动来保证足够的双向数据传输带宽(双向千兆)。所以本系统可以直接输入1080P和720P的非压缩数字视频进行传输；终端接收后，无需单独进行转码或解压缩，可直接输出至监视器进行显示和输入数字录像机记录。
图1是基于物理层接口的非压缩数据双向传输系统原理框图。如图所示，基于物理层接口的非压缩数据双向传输系统包括发端数据输入输出单元、发端数字逻辑单元、发端微控制单元、发端千兆以太网物理层接口、收端千兆以太网物理层接口、收端微控制单元、收端数字逻辑单元和收端数据输入输出单元。
发端数字逻辑单元通过与发端数据输入输出单元连接的高清数字摄像设备、音频获取设备、控制设备获取多路数字音视频和控制数据；发端微控制单元负责协调数字逻辑单元和发端数据输入输出单元，当发端微控制单元或收端被设置为开启时，发端数据输入输出单元向发端数字逻辑单元提供高清音视频信号。发端数字逻辑单元在接收到高清音视频信号和控制数据后进行非压缩高清混合编码及与成帧处理，并将封装后的以太帧通过GMII接口提交至发端千兆以太网物理层接口，发端千兆以太网物理层接口将以太网帧通过连接的千兆以太网络进行发送。收端千兆以太网物理层接口负责从千兆以太网络接收以太网帧，通过GMII接口输出至收端数字逻辑单元，收端数字逻辑单元在对以太网帧进行反混合解码后输出通过收端数据输入输出单元分别输出数字视频、数字音频和控制数据。
收端数字逻辑单元通过与收端数据输入输出单元连接的音频设备和控制设备获取多路数字音频和控制数据；收端微控制单元负责协调收端数字逻辑单元和收端数据输入输出单元，当收端微控制单元或收端微控制单元被设置为开启时，收端数据输入输出单元向收端数字逻辑单元提供数字音频和控制信号。收端数字逻辑单元在接收到数字音频信号和控制数据后进行混合编码及与成帧处理，并将封装后的以太帧通过GMII接口提交至收端千兆以太网物理层接口，收端千兆以太网物理层接口将以太网帧通过连接的千兆以太网络进行发送。发端千兆以太网物理层接口负责从千兆以太网络接收以太网帧，通过GMII接口输出至发端数字逻辑单元，发端数字逻辑单元在对以太网帧进行反混合解码后输出通过发端数据输入输出单元分别输出数字音频和控制数据。
图2是本发明的高清视频传输流程图。如图所示，高清视频数据的传输流程为：A1：通过发端数据输入输出单元输入高清监控视频。例如，发端数据输入输出单元连接一套带有音频采集的数字摄像机和云台设备，负责采集音频、视频信号；其中采集的视频信号可为1080P、1080I、720P、D1等分辨率的数字视频信号，所有采集到的数字信号输入发端数字逻辑单元进行处理。A2：视频数据输入后，发端数字逻辑单元首先根据以太网帧的长度，对视频流进行分割，对分割后的数据添加以太网头部，封装成为以太帧。例如，接收到A1输入的数字视频信号分辨率为720P即1280×720像素，则每行的数据需分割为2～3个数据段进行传输，每个分割出的数据段前加上以太网头部，并加入编号机制，同控制数据、音频数据一起进行混合编码，成为一个以太帧。A3：封装好的以太帧通过发端千兆以太网物理层接口进行发送。例如，发端千兆以太网物理层接口在接收到A2输入的以太帧后，直接进行发送。A4：收端千兆以太网物理层接口接收以太帧。例如，收端千兆以太网物理层接口从链路上接收A3发送的数据帧，直接送至A5进行处理。A5：收端数字逻辑单元接收到由收端千兆以太网物理层接口送达的以太帧后，对其进行反混合编码，分离出高清视频数据，并将其重组为视频流，进行输出。例如，在接收到A4传送的数据帧后，首先去除以太网头部，进行反混合编码，分离出高清视频数据，并根据编号信息，恢复出720P的数字视频信号，即进入A6。A6：将视频输出至收端数据输入输出单元。例如，A5送达720P的数字视频信号到达后，通过收端数据输入输出单元的视频输出端口进行输出显示，或送至数字录像机进行记录。
图3是本发明的发送端数字音频和控制数据发送流程图。如图所示，发端音频和数据信号通过发端数据输入输出单元的输入端口输入，其作用流程为：B1：发端音频和数据信号通过发端数据输入输出单元的数据输入端口输入。例如，音频信号由拾音器发出，经A/D转换后连接到发端数据输入输出单元的数据输入端口输入，数据信息(如报警信号)由于是数据信号，所以无需转换直接输入发端数据输入输出单元。B2：发端数据输入输出单元将输入的数字音频数据和和控制数据信息输发送至发端数字逻辑单元，数据信号也可经过发端微控制单元处理后再交给发端数字逻辑单元，在这里将视频，音频和数据信息混合编码，并封成MAC帧。B3：发端数字逻辑单元将封成MAC帧的数字音视频和数据信息交给发端千兆以太网物理层接口，并由收端千兆以太网物理层接口接收。B4：收端千兆以太网物理层接口接收以太网数据，并通过GMII接口发给收端数字逻辑单元。B5：收端数字逻辑单元收到数据后进行反混合编码。分别分离出数字视频，音频和数据信息，例如，拾音器的数字音频信号，报警数据等，并交由收端数据输入输出单元处理。B6：收端数据输入输出单元将数字音频数据直接输出，可以交由D/A转换成拟音频信号输出，数据信号可以直接输出，也可以经过收端微控制单元处理后输出。
图4是本发明的接收端数据信息(主要为控制信号)和数字音频信号的反向传输流程图。如图4所示，收端数据信息和数字音频信号由通过收端数据输入输出单元的数据端口输入，其作用流程为：C1：数据信号和数字音频信号通过收端数据输入输出单元的输入端口直接输入。例如，数字音频信号可以是话筒音频信号经A/D转换而来，控制信号可以由各种控制设备发出，例如操作计算机，键盘等等，信号类型可以是前端设备的各种动作，如云台的上下左右，镜头的光圈和焦距控制等等。C2：收端数据输入输出单元将接收的数字音频信号和数据信息发送到收端数字逻辑单元，收端数字逻辑单元将信号进行混合编码，并封成MAC帧通过GMII接口交给收端千兆以太网物理层接口。C3：收端千兆以太网物理层接口将MAC帧发送到以太网，发端千兆以太网物理层接口接收。C4：发端千兆以太网物理层接口接收以太网发过来的MAC帧，并通过GMII接口发至发端数字逻辑单元。C5：发端数字逻辑单元对MAC帧进行去MAC头，反混合编码后交由发端数据输入输出单元处理，其中控制信号也可以直接交给发端微控制单元处理后输出。C6：发端数据输入输出单元接收数字逻辑单元发送过来的信号，数字音频可以经过D/A转换后，驱动扬声器输出，控制信号可以直接输出控制相应的设备，例如云台的上下左右，镜头的光圈和焦距控制等等。
本发明也可以精简成单路视频传输系统，即从发端到收端只有单路视频数据，收端到发端无数据。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (5)
1.一种基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输系统，其特征在于：所述非压缩数据双向传输系统由通过千兆以太网连接的接收端装置和发送端装置组成；所述发送端装置包括：
若干个发端数据输入输出单元，分别与发端数字逻辑单元和发端微控制单元相连接，用于采集视频、音频和控制数据，并将这些数据提交至发端数字逻辑单元；同时，接收来自发端数字逻辑单元发来的反向音频和控制数据并输出；
一发端数字逻辑单元，分别与发端千兆以太网物理层接口和发端微控制单元相连接，用于接收发端数据输入输出单元输入的数据进行类型判断，将视频数据分段，并和音频、控制数据混合编码，在每个数据段前添加以太网帧头组成以太帧，并将以太帧通过GMII接口送至发端千兆以太网物理层接口；同时，接收来自发端千兆以太网物理层接口的反向音频和控制数据，解码后交由发端数据输入输出单元输出；
一发端千兆以太网物理层接口，发端千兆以太网物理层接口一端与收端千兆以太网物理层接口通过千兆以太网相连接，另一端通过GMII接口与发端数字逻辑单元相连；
一发端微控制单元，用于协调发端数据输入输出单元、发端数字逻辑单元和发端千兆以太网物理层接口工作，同时处理控制数据；
所述接收端装置包括：
若干个收端数据输入输出单元，分别与收端数字逻辑单元和收端微控制单元相连接，用于接收来自收端数字逻辑单元的多路视频、音频和控制数据，经反混合解码后输出，同时实现收端音频和控制数据的输入，并提交给收端数字逻辑单元；
一收端数字逻辑单元，分别与收端千兆以太网物理层接口和收端微控制单元相连接，用于对从收端千兆以太网物理层接口接收的以太帧数据去掉以太网帧头，并进行反混合解码处理后，交由收端数据输入输出单元输出数字视频、音频和控制数据；同时，接收收端数据输入输出单元发来的的音频和控制信号，并进行混合编码送至收端千兆以太网物理层接口；
一收端千兆以太网物理层接口，一端通过GMII接口与收端数字逻辑单元相连，另一端与发端千兆以太网物理层接口通过千兆以太网相连接；收端千兆以太网物理层接口接收发端千兆以太网物理层接口发送的以太帧并递交至收端数字逻辑单元，同时将收端数字逻辑单元提供的音频和控制数据通过以太网发送至发端千兆以太网物理层接口；
一收端微控制单元，用于协调收端数据输入输出单元、收端数字逻辑单元和收端千兆以太网物理层接口工作，同时处理控制数据。
2.根据权利要求1所述的基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输系统，其特征在于：所述视频数据来自于模拟摄像机并经A/D转换或来自各种数字摄像机的输出；所述音频数据来自于拾音器的A/D转换或数字音频设备的输出；所述控制数据来自于各种传感器输出。
3.一种基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输方法，其特征在于：所述非压缩音视频数据传输方法包括步骤如下：
A、在发端微控制单元的控制下，发端数据输入输出单元通过音频获取设备、高清数字视频获取设备、控制设备分别获取多路数字音频、数字视频和控制数据发送至发端数字逻辑单元，同时发端数据输入输出单元接收来自发端数字逻辑单元的数字音频和控制数据并输出；
B、发端数字逻辑单元在接收到高清音视频信号和控制数据后进行非压缩高清混合编码及与成帧处理，并将封装后的以太帧通过GMII接口提交至发端千兆以太网物理层接口，同时，发端数字逻辑单元接收来自发端千兆以太网物理层接口的数字音频和控制数据进行反混合解码后发送至发端数据输入输出单元；
C、发端千兆以太网物理层接口将以太网帧通过连接的千兆以太网络进行发送至收端千兆以太网物理层接口，同时，接收来自收端千兆以太网物理层接口的数字音频和控制数据发送至发端数字逻辑单元；
D、收端千兆以太网物理层接口从千兆以太网络接收以太网帧，通过GMII接口输出至收端数字逻辑单元，同时，通过GMII接口接收来自数字音频和控制数据发送至发端千兆以太网物理层接口；
E、收端数字逻辑单元在收端微控制单元的控制下对以太网帧进行反混合解码后发送至收端数据输入输出单元分别输出数字视频、数字音频和控制数据，同时，收端数字逻辑单元通过与收端数据输入输出单元连接的音频设备和控制设备获取多路数字音频和控制数据，进行非压缩混合编码及与成帧处理后发送至收端千兆以太网物理层接口。
4.根据权利要求3所述的基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输方法，其特征在于：在步骤A中，所述发端微控制单元负责协调数字逻辑单元和发端数据输入输出单元之间的数据传输，当发端微控制单元被设置为开启时，发端数据输入输出单元向发端数字逻辑单元发送高清音频、视频和控制数据。
5.根据权利要求3所述的基于千兆网物理层接口的非压缩数据双向传输方法，其特征在于：在步骤E中，所述收端微控制单元负责协调收端数字逻辑单元和收端数据输入输出单元之间的数据传输，当收端微控制单元被设置为开启时，收端数据输入输出单元向收端数字逻辑单元提供数字音频和控制信号。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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