CN103139550B - 一种具有输出高清三码流摄像机及视频码流复合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有输出高清三码流摄像机，包括高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流输出模块，还包括复合码流的输出模块，所述复合码流的输出模块分别连接高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流输出模块，创新性地把高清压缩IP视频流和高清非压缩HD-SDI视频流进行了复合，把两种完全不同的数据流复合到一个数据流中。摄像机的HD-SDI、IP复合信号模块中除了具有信号复合功能外，增加了电光转换功能，最后复合流以光信号的模式进行输出。

Description

一种具有输出高清三码流摄像机及视频码流复合方法

技术领域

本发明涉及视频监控领域的摄像机技术和光纤通信领域的光纤接入技术，尤其涉及一种具有输出高清三码流摄像机及视频码流复合方法。

背景技术

目前，高清视频监控用摄像机主要有2类：高清IP摄像机，高清HD-SDI摄像机。高清IP摄像机通过IP网络传输H.264压缩的高清视频流。高清IP视频的优点是IP网络非常普及，组网方便灵活，实用性强。但是高清IP视频也存在一些不尽人意之处：

1.从模拟系统升级至IP系统代价大

虽然IP设备的良好的管理性和很好的扩展性是一大优势，但是从真正构建这样一个管理系统，特别是对现有主要是以模拟为主的安防系统解决方案来说，需要投入较大的人力和物力成本。目前的安防方案有绝大多数还是基于模拟系统。那么如果从模拟系统升级到IP系统的话，存在着重新布线，重新投入硬件资源，人员重新培训的各种困难。

2.技术上仍有瑕疵

其一，利用IP传输的高清视频是通过H.264压缩的视频数据，其后端再也无法得到原始的高清图像，在某些需要保存高清原始图像或图像清晰度要求要求较高的应用场合，则无法得到满足。其二，高清IP图像在进行H.264压缩编码-解码的过程，会带来一定的延迟（200ms左右），而且，IP网络本身也还存在延时问题，这造成对于某些对图像实时性要求很高的场合则无法满足。例如，在捕捉高速移动车辆的车牌目标时，由于200－300ms的延时，PTZ控制难以精准操控，很难捕捉目标。

为解决上述问题，市场上出现了高清HD-SDI摄像机。这类摄像机从设计之初就考虑了如何解决当时IP系统带来的种种问题，简单来说，主要有以下几点优势：1．不失真可靠度高：HD-SDI的数字信号流是未经压缩的格式在同轴电缆上传输,不像IP的压缩后传输会产生图象延迟、拖尾或掉帧,可靠度较高。

2．无延时，支持视频信号高速率、几乎零延时的传输，而普通的IP摄像机，由于需要对数据封装、编码等原因，导致延时较大。HD-SDI是实时监控较好的方案。采用HD-SDI摄像机虽然很好地解决了视频损伤和延时问题，但同时也带来了另外的问题，那就是HD-SDI数据流带宽达1.485G，无法进行直接存储，也没有办法直接进入IP网络进行联网。这就造成采用高清HD-SDI摄像机的监控系统还需在监控中心配置高清视频编码器进行压缩编码，这不但造成监控中心设备复杂，而且也大大提高了高清监控系统的造价。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提出一种具有输出高清三码流摄像机及视频码流复合方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种具有输出高清三码流摄像机，包括高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流输出模块，还包括复合码流的输出模块，所述复合码流的输出模块分别连接高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流输出模块。

进一步的，所述复合码流的输出模块将高清压缩IP视频码流输出模块中输出的IP数据填入高清HD-SDI视频码流输出模块输出的HD-SDI信号冗余字节中，从而形成复合码流。

进一步的，还包括电光转换模块，所述电光转换模块连接所述复合码流的输出模块之后，将所述复合码流电信号转换为复合码流光信号。

进一步的，还包括接收装置，所述接收装置包括光电转换模块行和解码模块，所述光电转换模块将复合码流光信号转换成复合码流电信号，所述解码模块从复合码流电信号的冗余字节中提取IP数据。

一种将高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流复合方法，复合方法包括如下步骤：

41）将MII/RMII信号转化为8bits数据，1bit有效标志和1个时钟，其中有效标志置1表示单个连续的以太网帧，有效标志置0表示以太网数据空闲；42）当有效标志置1时，将该帧数据写入FIFO以作缓存，在有效标志置0时，写入8个时隙间隔标志数据，FIFO位宽为9bits，MSB为有效标志置，低8位为数据；43）根据1080p25Hz的BT1120数据格式找到行消隐区，此时FIFO中若有完整一帧数据，则读出该帧数据并按特定包格式嵌入消隐区中，由于BT1120数据格式位宽20bits，对于高10位，MSB应为有效标志置，第9位应为有效标志置的取反，低8位为以太网数据；而对于低10位，其为高10位的按位取反，用于在接收端作校验。

进一步的，，解码方法包括如下步骤：

61）识别解码后的BT1120数据格式的行消隐区，并识别固定包格式的以太网数据包，对其解析校验并写入FIFO，为了表示不同帧之间的时隙间隔，每写完一帧数据即写入8个字节的标志数据；62）当FIFO中存在完整的一帧以太网数据时，读出，并在有效标志置1时将数据转化为MII/RMII信号传输至以太网端口。

本发明的有益效果在于：创新性地把高清压缩IP视频流和高清非压缩HD-SDI视频流进行了复合，把两种完全不同的数据流复合到一个数据流中。摄像机的HD-SDI、IP复合信号模块中除了具有信号复合功能外，增加了电光转换功能，最后复合流以光信号的模式进行输出。复合信号具备光纤传输功能，从摄像机复合信号模块输出的复合光信号可以直接进入光纤，实现摄像机的远距离光纤传输。复合信号中既具有无损伤、全实时的高清HD-SDI数据流，又具有H.264压缩的IP数据流。对于传统的高清摄像机，要么输出H.264压缩的高清IP信号，要么输出非压缩的高清HD-SDI信号，而且这两种信号如要进行远距离传输，则需要额外的传输设备的支持，如光纤收发器、HD-SDI光端机等。采用传统高清摄像机建设高清监控系统时，很难同时把高清IP视频和高清HD-SDI视频的优点同时发挥出来。HD-SDI、IP高清三码流摄像机的发明，则即可以同时发挥高清IP视频和高清HD-SDI视频的优点，同时也大大简化了摄像机远距离联网传输的过程，HD-SDI、IP高清复合流可以直接入光纤，传输到监控中心。

附图说明

图1为本发明HD-SDI、IP高清三码流摄像机的总体统结构示意图；

图2为本发明HD-SDI、IP高清三码流摄像机在实际工程应用的示意图

图3为1080p25Hz的视频格式。

附图标记;镜头1;图像传感器2;控制电路3;视频压缩编码模块4;模拟/数字视频输出接口模块5；HD-SDI、IP复合码流的输出模块6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明在传统的高清IP摄像机和高清HD-SDI摄像机的基础上，增加了一个复合码流的输出模块，把IP信号（IP视频数据流）和HD-SDI信号（HD-SDI视频数据流）进行了复合，并对复合信号进行电光转换后通过光纤进行远程传输。

高清三码流摄像机由光学镜头、图像传感器模块、控制电路、视频压缩编码模块、模拟/数字视频输出接口模块和HD-SDI、IP复合码流的输出模块六大部分构成。“光学镜头”把光学图像聚焦到“图像传感器模块”的图像传感器上（如CCD或CMOS传感器）；图像传感器模块完成图像信号的A/D转换后把数字图像信号输入到“模拟/数字视频输出接口模块”和“视频压缩编码模块”；“模拟/数字视频输出接口模块”，把图像被转换成HD-SDI信号；“视频压缩编码模块”对视频进行压缩处理，也即通过压缩编码，把视频信号进行H.264（或MPEG2、MPEG4、MJPEG）编码，并封装成IP包信号通过RJ45口传输。

“控制电路”，对图像传感器和光学镜头进行控制，包括曝光控制、白平衡调整和光圈控制等。

压缩编码后的IP视频流和HD-SDI信号一起被送到HD-SDI、IP复合码流的输出模块，由该模块把HD-SDI、IP信号进行复合后通过电光转换模块，将复合码流电信号转换为复合码流光信号，最后传输到光纤中。

采用本发明的高清摄像机，通过一芯光纤，可以同时把高清IP视频信号和高清HD-SDI信号传输到监控中心。HD-SDI是一个带宽为1.485GHz的信号，除了亮度信号Y和色差信号CB\CR外还有冗余，其冗余量大于100M，IP信号是一个100M的信号，把IP信号填入HD-SDI的冗余字节中，使两信号复合到一起。新生成的携带IP信息的HD-SDI信号传输到监控中心，接收设备从复合的HD-SDI信号的冗余字节中提取出IP信号，其中原高清HD-SDI信号可用于实时监控，最大限度地把高清原始无损图像显示在大屏幕上，并能够进行无延时地PTZ操控；高清IP信号则可直接用于存储，并通过IP网络进行联网，用于在计算机终端上访问显示。

如图1所示，镜头1采用原有技术的光学镜头。图像传感器采用MT9T031CMOS数字图像传感器，该传感器具有300万像素，最大分辨率达2048X1536。控制器3采用普通单片机对MT9T031进行编程控制。模拟/数字视频输出接口模块5主要采用LATTICESC系列FPGA芯片进行设计。FPGA从MT9T031读取数字图像信号，并通过各种处理最后输出各种传统的模拟/数字视频信号。视频压缩编码模块4采用TI的达芬奇系列DSP芯片，该芯片可以完成高清视频的H.264压缩编码及IP包封装。

本发明HD-SDI、IP复合信号模块位于视频压缩编码模块4和模拟/数字视频输出接口模块5之后。该模块由一款高整合性的LATTICESC系列FPGA芯片来实现。LATTICESC系列FPGA芯片实现HD-SDI和IP信号的复合。具体复合办法如下：HD-SDI是一个带宽为1.485GHz的信号，除了亮度信号Y和色差信号CB\CR外还有冗余，其冗余量大于100M，IP信号是一个100M的信号，把IP信号填入HD-SDI的冗余字节中，使两信号复合到一起。新生成的携带IP信息的HD-SDI信号

HD-SDI、IP高清三码流摄像机的组成和功能说明如下：

（1）光学镜头完成光学图像采集。镜头即可以采用手动控制的高清镜头，也可以采用自动控制的高清镜头。

（2）图像传感模块完成图像信号的光电信息转换和A/D转换，最后输出数字图像信号。图像传感器模块即可以采用CCD图像传感器，也可以采用CMOS图像传感器。图像传感器模块得到的原始图像分别输入到模拟/数字视频输出接口模块和视频压缩编码模块。

（3）控制模块对图像传感器和光学镜头进行控制，包括曝光控制、自动白平衡控制、和镜头光圈控制。

（4）模拟/数字视频输出接口模块对原始图像进行D/A转换等处理，并输出HD-SDI高清数字视频信号。

（5）视频压缩模块把由图像传感器模块得到的原始图像进行压缩编码，压缩编码格式为H.264、MPEG2、MPEG4或MJPEG，并且封装成IP包信号。

（6）HD-SDI、IP复合码流的输出模块由FPGA实现，FPGA把高清IP数据流填写进HD-SDI信号的冗余字节中，打包成一个复合数据流，复合数据流经电光转换后变成光信号输出到光纤。

图2是本发明HD-SDI、IP高清三码流摄像机在实际工程应用的示意图。系统由“HD-SDI、IP高清三码流摄像机”、“光纤”、“监控中心”和“IP网络”组成。各个“HD-SDI、IP高清三码流摄像机”通过光纤与“监控中心3”的接收设备联接。监控中心的接收设备接收由HD-SDI、IP高清三码流摄像机传来的IP、HD-SDI复合码流，这些复合流由接收设备还原成高清IP视频流和高清HD-SDI视频流，高清IP视频流通过以太网交换机进入IP-SAN存储和IP网络联网，高清HD-SDI视频流直接上电视墙进行显示。

如图3所示，为1080p25Hz的视频格式，其中冗余区可以嵌入以太网数据。

有效带宽计算：BW=1920*1080*20(bits)*25(fps)=1.0368Gbps

行消隐区为第1~720列，可用行消隐区为第9~716列，冗余带宽为：BW=(716-9+1)*1125*20(bits)*25(fps)=0.39825Gbps

场消隐区为第1~41,1122~1125行，可用场消隐区亦为第1~41,1122~1125行，冗余带宽为：

BW=45（行）*1920*20(bits)*25(fps)=0.0432Gbps

总计可用冗余带宽为：BW=0.39825Gpbs+0.0432Gbps=0.44145Gbps

检验：标志位带宽为：BW=12*1125*25=0.00675Gbps

因此总带宽为BW=1.0368+0.44145+0.00675=1.485Gbps

HD-SDI(1080p25Hz)嵌入100M以太网步骤:根据1080p25Hz的电视扫描格式可知其行消隐区的可用冗余带宽为398.25Mbps，因此，可将100M带宽的以太网数据嵌入BT1120数据流中，与高清视频一起传输。从下文可知，BT1120中的可用冗余时隙为19.9125M，而转化后的8bits以太网数据时隙为12.5M。

二．加嵌操作步骤1.将来自百兆网络接收芯片的MII/RMII信号转化为8bits数据（data_8b），1bit有效标志（data_en）和1个时钟（12.5MHz），其中data_en=1表示单个连续的以太网帧，data_en=0表示以太网数据空闲。2.data_en=1时，将该帧数据写入FIFO以作缓存，在data_en=0时，写入8个时隙间隔标志数据（可以为8个8’h00数据），FIFO位宽为9bits，MSB为data_en，低8位为数据。3.根据1080p25Hz的BT1120数据格式找到行消隐区，此时FIFO中若有完整一帧数据，则读出该帧数据并按特定包格式(该数据格式可采用现有成熟的数据格式,也可以根据需要采用特定的数据格式)嵌入消隐区中，由于BT1120位宽20bits，对于高10位，MSB应为data_en，第9位应为data_en的取反，低8位为以太网数据；而对于低10位，其为高10位的按位取反，以便在接收端作校验。三．解嵌操作步骤1.识别解码后的BT1120数据流的行消隐区，并识别固定包格式的以太网数据包，对其解析校验并写入FIFO，同样，为了表示不同帧之间的时隙间隔，每写完一帧数据即写入8个字节的标志数据。2.当FIFO中存在完整的一帧以太网数据时，读出，并在data_en=1时将数据转化为MII/RMII数据传输至以太网端口。

通过本示意图可以清楚地看到本发明在工程实际应用中使用的优点，这些优点包括：结合了高清IP摄像机与高清HD-SDI摄像机的优点，在监控中心能同时得到这两种信号；简化了摄像机远距离联网传输的过程，不需要额外的传输设备的支持，如HD-SDI视频光端机、光纤收发器等；降低了系统的成本；增加了系统的可靠性等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有输出高清三码流摄像机，包括高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流输出模块，其特征在于，还包括复合码流的输出模块，所述复合码流的输出模块分别连接高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流输出模块，所述复合码流的输出模块将高清压缩IP视频码流输出模块中输出的IP数据填入高清HD-SDI视频码流输出模块输出的HD-SDI信号冗余字节中，从而形成复合码流。

2.根据权利要求1所述的一种具有输出高清三码流摄像机，其特征在于，还包括电光转换模块，所述电光转换模块连接所述复合码流的输出模块之后，将所述复合码流电信号转换为复合码流光信号。

3.根据权利要求2所述的一种具有输出高清三码流摄像机，其特征在于，还包括接收装置，所述接收装置包括光电转换模块和解码模块，所述光电转换模块将复合码流光信号转换成复合码流电信号，所述解码模块从复合码流电信号的冗余字节中提取IP数据。

4.一种高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流复合方法，其特征在于，复合方法包括如下步骤：

41）将MII/RMII信号转化为8bits数据，1bit有效标志和1个时钟，其中有效标志置1表示单个连续的以太网帧，有效标志置0表示以太网数据空闲；

42）当有效标志置1时，将该帧数据写入FIFO以作缓存，在有效标志置0时，写入8个时隙间隔标志数据，FIFO位宽为9bits，MSB为有效标志，低8位为数据；

43）根据1080p25Hz的BT1120数据格式找到行消隐区，此时FIFO中若有完整一帧数据，则读出该帧数据并按特定包格式嵌入消隐区中，由于BT1120数据格式位宽为20bits，对于高10位，MSB应为有效标志，第9位应为有效标志的取反，低8位为以太网数据；而对于低10位，其为高10位的按位取反，用于在接收端作校验。

5.根据权利要求4所述的一种将高清HD-SDI视频码流和高清压缩IP视频码流复合方法，其特征在于，解码方法包括如下步骤：

51）识别解码后的BT1120数据格式的行消隐区，并识别固定格式的以太网数据包，对其解析校验并写入FIFO，为了表示不同帧之间的时隙间隔，每写完一帧数据即写入8个字节的标志数据；

52）当FIFO中存在完整的一帧以太网数据时，读出，并在有效标志置1时将数据转化为MII/RMII信号传输至以太网端口。