CN102547284A - 便携式无线高清图像传输系统及其方法 - Google Patents

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刘瑞安
王磊
张君生
马胜涛
张咪咪
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Abstract

本发明公开了便携式无线高清图像传输系统，包括图像采集接口、图像压缩模块、COFDM无线发射端模块、COFDM无线接收端模块、图像解码模块及视频输出接口。本发明具有的优点和积极效果是：本发明的便携式无线高清图像传输系统及其方法，该系统在有限的无线带宽条件下实现了720P高清图像的远距离传输，且发射端装置具有质量轻、功耗低等特点，便于在载重有限的移动设备上的扩展应用。

Description

便携式无线高清图像传输系统及其方法
本申请得到天津市自然科学基金（ 09JCYBJC00100 ）；天津师范大学开发基金（ 52XK1001 ）的资助。
技术领域
本发明属于视频图像处理及无线网络通信技术领域，涉及一种主要应用于高速移动载体对外界动态图像的采集及回传的高清视频信号的采集及远距离传输装置。
背景技术
随着计算机软硬件和无线通信技术的发展，无线视频传输技术也取得了迅猛发展，无线视频传输的应用领域也越来越广泛，这对视频图像传输的带宽和实时性提出了更高的要求。
无线图像传输即视频实时传输，主要有两个概念：一是高清视频的压缩处理，即视频压缩；二是移动中宽带传输，即移动宽带通信。因此，研制能够在高速移动过程中将频带很宽的高清晰度视频进行稳定传输的无线图像传输系统，就要解决二个主要问题：一是高清晰度下，压缩比尽可能低的视频压缩算法；二是高稳定度的高速数据通信。
而在现有的无线应用中，视频压缩编码以MPEG2/4、H.261/263等为主。其中高质量图像(标准PAL/NTSC制式的分辨率不小于720×576)一般以MPEG2编译码居多，平均码流为10Mbps。
中国专利CN 102185624A公开了一种用于音视频传输的无线信号发送接收器，无线信号发送装置将输入的视频信号送至视频解码电路，再由MPEG-2视频格式压缩电路对视频信号进行压缩编码。这种无线信号发送接收器的硬件结构简单稳定，视频压缩处理模块可靠性高且成本可控，但其视频码流高，对与后端无线传输模块的数据传输速度要求高，限制了视频分辨率。
当前市面产品的图像分辨率及传输距离指标参数较低，难以满足新条件下系统对画面质量及通信距离的要求。市面现有设备多是通过GPRS/TD-SCDMA/WCDMA 等第二、三代移动网络来传输数据，其技术手段成熟，产品开发速度快，但目前其最高2~3Mbps的上行传输速率限制了视频分辨率的提升，且受制于基站分布及高通信成本，不能在荒野、严重自然灾害地区可靠工作，进一步限制了其应用环境。
在具有较多阻碍物的场所中，现有的高频无线信号传输设备发送无线信号绕射差，通信成本高，且高功率无线信号传输设备会给人体带来一定的损害。同时受制于视频压缩效率，在当前传输技术手段下的回传图像分辨率低。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中的问题是提供一种单工的便携式无线高清图像传输系统及其方法。
本发明采取的技术方案是:
本发明的便携式无线高清图像传输系统，图像采集接口、图像压缩模块、COFDM无线发射端模块、COFDM无线接收端模块、图像解码模块及视频输出接口。
所述的图像采集接口与CCD\CMOS传感器或摄像机设备的输出口连接；图像压缩模块采用STM320DM36x系列芯片作为核心处理器，并设置有存储图像数据的SDRAM，核心处理器的SPI接口与COFDM无线发射端模块的对应SPI接口相连。
所述的图像解码模块采用内置HDVICP的STM320DM36x系列芯片作为核心处理器， COFDM无线接收端模块的SPI接口与核心处理器的SPI接口相连，图像解码模块设置有存储接收到的数据信息的SDRAM。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的便携式无线高清图像传输系统，该系统在有限的无线带宽条件下实现了720P高清图像的远距离传输，且发射端装置具有质量轻、功耗低等特点，便于在载重有限的移动设备上的扩展应用。
附图说明
图1是本发明的便携式无线高清图像传输系统的视频采集发射端的结构示意图；
图2是本发明的便携式无线高清图像传输系统的接收服务器端的结构示意图；
图3是本发明的便携式无线高清图像传输系统的无线通信链路模块的工作原理图;
图中主要标号说明：
     1. 图像采集接口            2. 图像压缩模块
     3. COFDM无线发射端模块   4. COFDM无线接收端模块
     5. 图像解码模块            6. 视频输出接口。
具体实施方式
以下参照附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的便携式无线高清图像传输系统及其方法，包括视频采集发射端、接收服务器端和无线通信链路模块。
视频采集发射端利用H.264/AVC压缩标准对采集到的视频进行高压缩比压缩，并对开源的X.264算法进行改进，使其满足无线视频传输对视频流的低延时、低码率要求。采取针对COFDM技术相适应的视频码流分割，在信道编码中加入独立的ERC（前向纠错），以更好地适应复杂电磁环境下传输信道的误码干扰，提高系统的鲁棒性，以增强系统画质的稳定性。
图1是本发明的便携式无线高清图像传输系统的视频采集发射端的结构示意图。如图1所示，视频采集发射端由图像采集接口、图像压缩模块及COFDM无线发射端模块三部分组成。所述的图像采集接口与CCD\CMOS传感器或摄像机设备的输出口连接。图像压缩模块的核心处理器使用STM320DM36x系列芯片，采集连接在图像采集接口上的摄像机或CCD芯片数据得到720P视频码流，利用视频处理子系统(VPSS)中的视频处理，VPSS中的视频处理前端(VPFE)利用图像传感器接口(ISIF)对由传感器得到的视频流进行控制及参数设置等预处理，再由可编程的图像通道(IPIPE)将从CCD/CMOS裸数据到YCbCr-4:2:2或YCbCr-4:2:0数据转换。转换后的数据通过DMA通道存储在SDRAM中，再由HDVICP(高清编解码协处理器)通过DMA(直接内存存取)方式传输视频数据进行编码处理。
DM36x中的HDVICP对YUV格式视频信号进行压缩处理，压缩算法使用H.264标准。H.264中采用预测变换、量化编码和统计编码的方式来消除前端采集的视频信息中的冗余信息：首先，进行运动估计和运动补偿来消除相邻帧间存在的时间冗余。再对运动补偿后的残差进行整数变换消除空间冗余。接下来对变换系数进行量化来消除视觉冗余，最后对量化后的系数以及运动矢量进行熵编码消除统计冗余，最终得到标准的压缩码流。
得到的标准视频码流通过DMA控制器转送至全双工的SPI接口(串行外围接口)，SPI接口与COFDM模块的对应SPI接口相连，DM36xSPI接口的CLK线工作频率最高设置为20MHz，以满足视频码流的传输速率调节要求，视频流包长为188字节。
接收服务器端按照H.264/AVC压缩标准对通信模块端收到的图像码流进行解码，最后生成YCbCr-4:2:0标准的720P数字视频序列，并利用VGA接口将视频输出到高清显示设备端。
图2是本发明的便携式无线高清图像传输系统的接收服务器端的结构示意图。如图2所示，接收服务器端由COFDM无线接收端模块、图像解码模块及视频输出接口三部分组成。
压缩视频流通过COFDM无线接收端模块传回到图像解码模块，图像解码模块的处理器仍为DM36x，其与COFDM的接口为SPI，DM36x利用DMA将从SPI口传过来的TS流写入SDRAM的空间。
视频压缩码的解码工作由DM36x内置的HDVICP完成。HDVICP在图像信息的频域到时域的转换过程中使用离散余弦逆变换(IDCT)的整数变换，将一维的视频流转换为4×4的图像块，再由数个4×4的图像块组成720P的图像画面。
HDVICP收到的第一帧是IDR（瞬时解码刷新）图像。其由重建的空间帧内预测模式所指定，并通过加入预测误差帧。后续的帧可能是帧内或帧间编码的结果。
解码器在解码的同时，在重建前一帧图像的运动估值的位置加入帧内预测的残差结果。重复此过程，直到得到整个连续的解码比特流。
HDVICP最终输出的是YCbCr-4:2:0序列，最后由DM36x自带的ADC模块转化为模拟信号，接入到高清显示设备以显示最终的实时高清画面。但注意，本发明中的终端显示输出不局限于模拟输出。
需要说明的是，由于系统对传输的视频信号有高实时性的要求，在高清图像传输装置的发射端及接收端中的DM36x处理器都使用了Montavista Linux高实时性嵌入式操作系统，该操作系统的硬件工作核心是ARM926EJ-S，操作系统及内核是通过交互的结构组件(Framework Component，简称FC)来操作H.264编码器的，FC作为一个操作系统和编解码器之间的软件接口，系统通过预定义的应用程序编程接口来管理与内核交互的资源与内存。在本发明中，ARM核心是严格按照eXpressDSP数字媒体标准及算法接口标准来调用HDVICP进行高清视频的编解码工作。
无线通信链路模块建立基于COFDM技术的无线高速通信链路，确保在可视条件下50km、非通视条件下5km范围内实时图像数据的稳定传输。
为克服高速（>150km/h）移动中由于多普勒频移及信道快速变化导致通讯障碍，提出了针对无线信道的瑞利衰落效应的COFDM中交织器的Turbo码改进方案，可有效改善噪声影响，提高无线信道的抗衰落、抗干扰能力。使其能够抵抗多径效应导致的信号衰落，提高通信稳定性，以便于扩展无线图像传输系统在便携、低功耗、高速移动等苛刻环境下的广泛应用。
图3是本发明的便携式无线高清图像传输系统的无线通信链路模块的工作原理图。如图3所示，无线通信链路模块采用了编码正交频分复用技术(COFDM)，系统是由COFDM发送端与COFDM接收端构成的高速单工通信链路，并使用了针对无线信道的瑞利衰落效应的COFDM中交织器的Turbo码改进方案，可有效改善噪声影响，提高无线信道的抗衰落、抗干扰能力。
本发明在COFDM信号调制过程中提供稳定的视频信息相关的载波恢复和帧同步恢复，对载波和同步偏移也能够适时跟踪校正，因此采用插入导频和参考信号的方法。
针对本发明中选用的COFDM信道调制方案，在多径信道的选取中，对于不同延迟和不同回波幅度下16-QAM调制方式的COFDM传输系统的性能进行自动调整。由于有足够保护间隔会使回波在下一符号到来时终止，回波延迟不会影响整个系统的性能，减小了由多径效应引起的符号间干扰。回波幅度也会影响系统的性能，在保护间隔足够的情况下，回波同时会对当前符号产生影响。在误码率为10-4时，多径的幅度参数B从0.25增加到0.4时将会有3dB的损失，所以在本COFDM传输模块解调过程中通过加入信道均衡的方式来削弱回波的干扰。另外通过引入保护间隔，来改善信噪比，当保护间隔比回波延迟大时，信道性能会有较大改善。
当无线图像传输系统高速移动时，无线信道的衰落现象加重，严重影响系统接收端的接收信号质量，影响了通信的可靠性，为了支持视频等多媒体通信，应采用合适的纠错技术。
在无线高清图像传输系统的调制模块中，传统的OFDM的调制方式有卷积编码(CC)方式和网格状编码(TCM)方式，本发明中将Turbo码与COFDM调制结合起来确保了系统的性能抗干扰能力。针对复杂的无线电磁环境，其结构复杂程度要比传统的TC-OFDM小，这有效改进了高清图像COFDM传输系统中信道编解码方案。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的基本原理，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据设备的用途不同做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种便携式无线高清图像传输系统，包括图像采集接口、图像压缩模块、COFDM无线发射端模块、COFDM无线接收端模块、图像解码模块及视频输出接口。
2.根据权利要求1所述的便携式无线高清图像传输系统，其特征在于：所述的图像采集接口与CCD\CMOS传感器或摄像机设备的输出口连接；图像压缩模块采用STM320DM36x系列芯片作为核心处理器，并设置有存储图像数据的SDRAM，核心处理器的SPI接口与COFDM无线发射端模块的对应SPI接口相连。
3.根据权利要求1所述的便携式无线高清图像传输系统，其特征在于：图像解码模块采用内置HDVICP的STM320DM36x系列芯片作为核心处理器， COFDM无线接收端模块的SPI接口与核心处理器的SPI接口相连，图像解码模块设置有存储接收到的数据信息的SDRAM。
4.一种权利要求1所述的便携式无线高清图像传输系统的图像传输方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
视频采集发射端利用H.264/AVC压缩标准对采集到的视频进行高压缩比压缩，压缩过程采用开源的X.264算法，并对X.264算法进行了改进，即采取针对COFDM技术相适应的视频码流分割，固定码流长度为188字节，以在信道编码中加入独立的ERC进行前向纠错，使压缩后的图像数据满足无线视频传输对视频流的低延时、低码率要求；
无线通信链路采用编码正交频分复用技术，针对无线信道的瑞利衰落效应的COFDM中交织器采用了Turbo码改进方案，在实施中将固定长度为188的H.264视频码流序列M输入到编码器，PAD将n-188个尾比特加到码流序列之中，产生长度为n的码组C 0；
这n个比特的码元并行地被输入到交织器的递推系统卷积码(RSC)的编码单元中；
每个编码单元输出一个校验序列C i ，输入序列和C 0和各个RSC编码单元的输出序列C 1、C 2并行级联， C 1和C 2经过删余器周期性地删除一些校验位, 形成校验序列C ， ，C 0和C ， 经过复用转换生成Turbo码序列C作为等待传输的视频码流；在多径信道的选取中，对于不同延迟和不同回波幅度下16-QAM调制方式的COFDM传输系统的性能进行自动调整；
接收服务器端按照H.264/AVC压缩标准对通信模块端收到的图像码流进行解码，最后生成YCbCr-4:2:0标准的720P数字视频序列，并利用视频输出接口将视频输出到高清显示设备端。
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