CN104853077A

CN104853077A - 一种广播级高速高清摄像机

Info

Publication number: CN104853077A
Application number: CN201510278504.4A
Authority: CN
Inventors: 周毅; 周岳
Original assignee: Individual
Current assignee: Guangzhou Spanner Technology Co Ltd
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN104853077B

Abstract

本发明公开了一种广播级高速高清摄像机，包括机壳和镜头卡口，所述机壳内部设有图像传感器和电路板，镜头通过所述镜头卡口的转接环固定在机壳前部，并与图像传感器连接，所述电路板包括存储设备、FPGA数据采集板、主板和图像信号处理器，所述FPGA数据采集板采用具有PCI-E硬核的FPGA芯片，并通过SPI接口分别与图像传感器和图像信号处理器连接，所述图像传感器还通过低电压差分(LVDS)信号接收器与FPGA数据采集板上的串并转换器连接；所述主板通过PCI-E接口分别与存储设备和FPGA数据采集板连接。本发明的广播级高速高清摄像机结构简单、操作使用方便，可以实现广播级高清视频数据的高速采集、传输、存储和播放。

Description

一种广播级高速高清摄像机

技术领域

本发明涉及一种广播级摄像机，尤其是一种广播级高速高清摄像机，属于摄像技术领域。

背景技术

摄像机的基本工作原理是：将光学图象信号转变为电信号，以便于采集、编辑、存储或者传输；当用户用摄像机拍摄一个物体时，外部景象与此物体上反射的光被摄像机镜头收集，通过光路系统，使其聚焦在摄像器件的受光面(例如摄像芯片的靶面)上，再通过半导体摄像器件把光的亮暗转变为大少不同的电信号，即得到所谓“视频信号”。由于感光芯片得到的光-电信号很微弱，首先要通过预放电路对电信号进行放大，再经过各种电路进行处理和调整，得到标准“视频”信号送到记录或存储等记录媒介上保留下来，或通过传播系统播放，或送到监视器上将图像显示出来。

行业内通常把摄像机大致分成三类，即广播级、专业级和家用级。

广播级摄像机主要应用于专业的广播电视领域，图像质量高，性能全面，具备各种专门可调的功能，但价格昂贵，体积也比较大。根据广播电视使用目的的不同，它们又可以分为以下三种：

1)演播室用摄像机，这种摄像机工作于有利于摄像机工作的条件下，如照明强度、色温等适度。为了提高性能指标，通常采用尺寸较大的摄像器件。因此，它们的清晰度最高，信噪比最大，图像质量最好。当然，体积也大，价格也不是一般人能接受得了的。

2)新闻采访(ENG)摄像机，由于这种摄像机的工作环境特殊，这类机器体积小，重量轻，便于携带，对非标准照明情况具有良好的适应性，在恶劣环境中(如工作温度大范围的变化)具有比较高的安全稳定性，具有调试方便、自动化程度高、操控灵活、携带方便等特点，其图像质量比演播室用摄像机稍低，价格也相对便宜些。

3)现场节目制作(EFP)摄像机，EFP摄像机工作条件介于上述两种摄像机之间，性能指标也兼顾到这两个方面。它们的图像质量与演播室用摄像机相近，但体积小一些，能满足轻便型现场节目制作的需要。

综上所述，现有的广播级摄像机具有高度的专业性，优秀的图像质量和相对较高的价格。

发明内容

本发明的目的是针对广播级摄像机超高速拍摄的需要，提供了一种广播级高速高清摄像机，该广播级高速高清摄像机结构简单、操作使用方便，可以实现广播级高清视频数据的高速采集、传输、存储和播放。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种广播级高速高清摄像机，包括机壳和镜头卡口，所述机壳内部设有图像传感器和电路板，镜头通过所述镜头卡口的转接环固定在机壳前部，并与图像传感器连接，所述电路板包括存储设备、FPGA数据采集板、主板和图像信号处理器，所述FPGA数据采集板采用具有PCI-E硬核的FPGA芯片，并通过SPI接口分别与图像传感器和图像信号处理器连接，所述图像传感器还通过低电压差分信号接收器与FPGA数据采集板上的串并转换器连接；所述主板通过PCI-E接口分别与存储设备和FPGA数据采集板连接。

优选的，所述FPGA数据采集板通过该板上的串并转换器扩展有外部存储器，所述外部存储器与图像信号处理器连接。

优选的，所述FPGA数据采集板采用ALTERA公司的Stratix IV系列的FPGA芯片。

优选的，所述机壳内部还设有传感器面板，所述传感器面板垂直设置在电路板靠近镜头的一侧，并通过螺钉固定在机壳前部内侧，所述图像传感器设置在传感器面板的正面。

优选的，所述传感器面板的背面设有电源芯片、稳压电源、晶体振荡器和排线插座，所述电源芯片、稳压电源、晶体振荡器和排线插座分别与电路板连接。

优选的，所述存储设备采用PCI-E接口的固态硬盘。

优选的，所述固态硬盘的容量为300GB以上。

优选的，所述主板采用X86架构的主板。

优选的，所述图像信号处理器采用FH8510芯片。

优选的，所述存储设备、FPGA数据采集板和主板设置在一箱体内。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的广播级高速高清摄像机中，FPGA数据采集板采用具有PCI-E硬核的FPGA芯片(优选采用ALTERA公司的Stratix IV系列的FPGA芯片)，可以高效地开发出稳定的PCI-E X8系统，通过串并转换器将从图像传感器接收的低电压差分信号(LVDS)接口数据转换成PCI-E接口数据，然后将转换后的数据传输给图像信号处理器，主板可以从FPGA数采板实时读取视频数据并写入到存储设备，还可输出视频数据到监视器，实现了广播级高清视频数据的高速采集、传输、存储和播放。

2、本发明的广播级高速高清摄像机在机壳内部设置一个传感器面板，该传感器面板垂直设置在电路板靠近镜头的一侧，并通过螺钉固定在机壳前部内侧，将图像传感器设置在传感器面板的正面，将电源芯片、稳压电源、晶体振荡器和排线插座设置在传感器面板的背面，使得整个机壳的内部布局合理，在对电路板进行维护时，可以先将传感器面板拆下，从而保护传感器面板上的器件。

3、本发明的广播级高速高清摄像机中，FPGA数据采集板可以扩展一个外部存储器，以有效增加高速数据的存储量。

附图说明

图1为本发明的广播级高速高清摄像机的机壳内部电路板结构原理框图。

图2为本发明的广播级高速高清摄像机的机壳侧面示意图。

图3为本发明的广播级高速高清摄像机的传感器面板正面示意图。

图4为本发明的广播级高速高清摄像机的传感器面板背面示意图。

图5为本发明的广播级高速高清摄像机的FPGA数据采集板内部处理示意图。

图6为本发明的广播级高速高清摄像机与PC端、监视器配合的工作原理框图。

其中，1-机壳，2-镜头卡口，3-图像传感器，4-电路板，5-传感器面板，6-转接环，7-固定螺丝柱，8-存储设备，9-FPGA数据采集板，10-主板，11-图像信号处理器，12-低电压差分信号接收器，13-串并转换器，14-外部存储器，15-电源芯片，16-稳压电源，17-晶体振荡器，18-排线插座。

具体实施方式

实施例1：

如图1～图5所示，本实施例的广播级高速高清摄像机包括机壳1和镜头卡口2，所述机壳1内部设有图像传感器3和电路板4和传感器面板5，镜头通过所述镜头卡口2的转接环6固定在机壳1前部，并与图像传感器3连接；所述电路板4通过固定螺丝柱7安装在机壳1内部，包括存储设备8、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)数据采集板9、主板10以及图像信号处理器11；

所述存储设备8采用PCI-E接口的固态硬盘(Solid State Drives，SSD)，其容量为300GB以上，它是一块标准的PCI-E2.08X的板卡，外形尺寸为168.55*68.91*17.14mm，由于具有大量的存储空间，所以可以将图像传感器3采集的大量视频数据写入。

在本实施例中，所述FPGA数据采集板9采用ALTERA公司的Stratix IV系列的FPGA芯片，优选采用中等规模的EP4SGX230型号，由于该芯片具有PCI-E(PCIExpress)硬核，可以高效地开发出稳定的PCI-E X8系统。

所述FPGA数据采集板9通过SPI接口(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)分别与图像传感器3和图像信号处理器11连接；所述图像传感器3为CMOS图像传感器，其采用NOIL2SM1300A/D芯片，还通过低电压差分信号(LVDS)接收器12与FPGA数据采集板9上的串并转换器13连接；所述图像信号处理器(Image SignalProcessor，ISP)11采用FH8510芯片，是一种图像信号增强处理器；FPGA数据采集板9负责控制图像传感器3，并通过串并转换器13将接收的LVDS接口数据转换为PCI-E接口数据，根据图像传感器3的带宽核算，采用PCI-E 8X接口可以满足需要。

所述FPGA数据采集板9通过串并转换器13可以一个扩展外部存储器14，以有效增加高速数据的存储量，所述外部存储器14为FLASH RAM，其与图像信号处理器11连接；FPGA数据采集板9可以控制读/写外部存储器14地址。

所述低电压差分信号接收器12采用SN65LVDS388A等驱动电路，是一个八路以上的LVDS接收器，根据不同需求，可以选用不同路数的LVDS接收器。

所述串并转换器13为Xilinx Virtex24的串并转换器，可以实现800Mbit/s输入信号的串并转换。

所述主板10采用X86架构的主板，由于需要具有2个PCI-E2.08X以上接口，所以选用Micro ATX板型的主板，尺寸为22.6*17.0cm。

所述主板10通过PCI-E接口分别与存储设备8和FPGA数据采集板9连接，负责从FPGA数据采集板9实时读取视频数据并写入到存储设备8，同时将存储设备8的数据同步读出，一方面送到主板10的自带显卡，由显卡驱动输出到监视器用于回放，与监视器连接的接口可以是HDMI/DVI等；另一方面通过PCI-E接口传送回FPGA数据采集板9，由FPGA数据采集板9输出并行数据到图像信号处理器11。

为了使存储设备8、FPGA数据采集板9和主板10这三个重要部件不受损害，设置一个箱体，将存储设备8、FPGA数据采集板9和主板10设置在该箱体内，综合上述存储设备8、FPGA数据采集板9和主板10的尺寸，箱体尺寸不小于280mm*220mm*150mm(依次为长、宽、高)，大约为一个2U机箱的大小。

所述传感器面板5垂直设置在电路板4靠近镜头的一侧，并通过螺钉固定在机壳1前部内侧，所述图像传感器3设置在传感器面板5的正面，所述传感器面板5的背面设有电源芯片15(本实施例的电源芯片15有两个，一个是3.3V，另一个是1.8V)、稳压电源16(本实施例的稳压电源16有两个)、晶体振荡器17和排线插座18，所述电源芯片15、稳压电源16、晶体振荡器17和排线插座18分别与电路板4连接，这样的设计使得整个机壳1的内部布局合理，在对电路板4进行维护时，可以先将传感器面板5拆下，从而保护传感器面板5上的器件。

本实施例的广播级高速高清摄像机与PC端、监视器配合工作如图6所示，其中PC端完成的工作如下：

1)FPGA数据采集卡(PCI-E 8X接口)的驱动，先开发windows7的驱动程序，开发工具采用SDK，最终提供读、写函数级接口；

2)固态硬盘的驱动程序，默认采用标准的磁盘驱动器，无需开发；

3)界面程序，完成图像传感器的控制人机接口，完成图像信号处理器控制的人机接口，以及PC输出控制的人机接口，采用VS2008(Microsoft Visual Studio2008)开发，MFC(Microsoft Foundation Classes，微软基础类库)构架；

4)实现图像传感器视频数据的转换、读取、缓存以及写入固态硬盘，采用VS2008开发，MFC构架；

5)实现固态硬盘中存储视频数据的读取、发送到FPGA数据采集卡，采用VS2008开发，MFC构架。

FPGA端要完成的工作如下：

1)接收从图像传感器通过低电压差分信号接收器传输的LVDS信号，并实现串并转换、缓存、数据成帧，最后通过PCI-E X8通道发送到PC端；开发工具为quaruts12.1(ALTERA公司的综合性PLD/FPGA开发软件)，使用ALTLVDS_RX、ALTLVDS_TXIP软核以及PCI-E IP硬核；

2)接收PC端从PCI-E接口发送过来的固态硬盘数据、缓存，转换成图像信号处理器要求的数据格式发送给图像信号处理器，通过监视器进行回显；开发工具为quaruts12.1，使用ALTLVDS_RX、ALTLVDS_TX IP软核以及PCIe IP硬核；

3)交互图像传感器的SPI接口与PC端的RS232接口，开发工具为quaruts12.1；

4)交互图像信号处理器的SPI接口与PC端的RS232接口，开发工具为quaruts12.1。

实施例2：

本实施例的主要特点是：所述存储设备8、FPGA数据采集板9和主板10可以独立设置，而不设置在一个箱体内。其余同实施例1。

另外，本领域技术人员应该知道上述存储设备8、FPGA数据采集板9、主板10、图像信号处理器11等还可以采用其它同类型的硬件。

综上所述，本发明的广播级高速高清摄像机结构简单、操作使用方便，采用具有PCI-E硬核的FPGA芯片，可以高效地开发出稳定的PCI-E X8系统，从而实现广播级高清视频数据的高速采集、传输、存储和播放。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims

1.一种广播级高速高清摄像机，包括机壳和镜头卡口，所述机壳内部设有图像传感器和电路板，镜头通过所述镜头卡口的转接环固定在机壳前部，并与图像传感器连接，其特征在于：所述电路板包括存储设备、FPGA数据采集板、主板和图像信号处理器，所述FPGA数据采集板采用具有PCI-E硬核的FPGA芯片，并通过SPI接口分别与图像传感器和图像信号处理器连接，所述图像传感器还通过低电压差分信号接收器与FPGA数据采集板上的串并转换器连接；所述主板通过PCI-E接口分别与存储设备和FPGA数据采集板连接。

2.根据权利要求1所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述FPGA数据采集板通过串并转换器扩展有外部存储器，所述外部存储器与图像信号处理器连接。

3.根据权利要求1所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述FPGA数据采集板采用ALTERA公司的Stratix IV系列的FPGA芯片。

4.根据权利要求1所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述机壳内部还设有传感器面板，所述传感器面板垂直设置在电路板靠近镜头的一侧，并通过螺钉固定在机壳前部内侧，所述图像传感器设置在传感器面板的正面。

5.根据权利要求4所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述传感器面板的背面设有电源芯片、稳压电源、晶体振荡器和排线插座，所述电源芯片、稳压电源、晶体振荡器和排线插座分别与电路板连接。

6.根据权利要求1所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述存储设备采用PCI-E接口的固态硬盘。

7.根据权利要求6所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述固态硬盘的容量为300GB以上。

8.根据权利要求1所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述主板采用X86架构的主板。

9.根据权利要求1所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述图像信号处理器采用FH8510芯片。

10.根据权利要求1所述的一种广播级高速高清摄像机，其特征在于：所述存储设备、FPGA数据采集板和主板设置在一箱体内。