CN107231540A - 一种高速视频采集传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速视频采集传输系统，该系统包括数据发送端和接收端两部分，发送端和接收端均安装有SDI接口；发送端与接收端通过同轴电缆传输数据；发送端包括高速图像传感器以及集成在FPGA芯片上的视频采集模块以及数据映射模块；接收端包括集成在ARM芯片上的数据解映射模块、视频编码模块以及视频输出模块；非标准格式的高速图像通过发送端的数据映射模块和接收端的数据解映射模块的配合作用，实现了非标准格式高速图像的长距离无损的传输。

Description

一种高速视频采集传输系统
技术领域
本发明属于信息数据传输技术领域，具体涉及一种高速视频采集传输系统。
背景技术
在一些特殊场合或某些专门的领域中，需要使用特殊的高速摄像机拍摄和记录过程，例如：当拍摄物体爆炸的瞬间等快速变化的场景时，需要将图像数据远距离传送到后端的接收设备进行接收和数据处理。这些高速摄像机输出的图像格式通常是非标准的，并不是常见的标清、高清或超清的标准格式，无法采用常用的数字视频发送器、接收器进行传输。
数字相机输出图像时，常用的接口形式包括USB、1394(fire wire)、GE(Ethernet)、LVDS、CameraLink等。其中，USB接口特别适用于将相机直接连接到计算机显示，可支持各种分辨率和帧频，常用于各种标清、高清摄像头。1394接口传输速率高，占用CPU资源少，工作稳定，在数字摄像机上也有广泛的应用。千兆以太网(GE)传输速率高，价格低廉，使用于各种分辨率和帧频。CameraLink接口是目前的工业相机中最快的一种总线类型，一般用于高分辨率高速面阵相机，或者是线阵相机上。
USB2.0接口速率较低，在传输过程中需要CPU参与管理，占用及消耗资源较大，传输距离近，信号容易衰减。USB3.0速率有了很大提升，但需要CPU处理和传输距离近的缺点仍然没有解决。
1394接口技术相对复杂，并且接口的普及率不高，已慢慢被市场淘汰。
千兆以太网要求图像的发送端、接收端都需要CPU参与进行TCP/IP协议的高速封包/解封包处理，需要连接对应的PHY器件、变压器芯片、RJ45接口，体积相对较大。
LVDS总线接口不能支持高速数据的传输，且有效的传输距离较短。
Camera Link接口体积较大，同时价格昂贵，传输距离短。
因此现在急需解决的技术问题就是如何使用一种简单、低成本的装置将高速视频图像从远程高速相机中传输到后端的接收设备上进行处理。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种高速视频采集传输系统，该系统将非标准高速视频图像通过格式转化的方式实现了长距离的无损高速传输。
本发明的具体原理是：
本发明旨在提供一种能够支持远距离传输的高速视频采集传输系统，采用将非标准格式的高速视频映射到标准的高清视频格式后再进行解映射恢复传输的方法，将640*480@400fps的高速视频映射到符合BT.1120标准的1920*1080p@60fps高清视频格式中，使用SDI接口和同轴电缆进行传输，将发送端的数据传输至接收端，然后接收端接收到数据后再进行解映射，恢复出640*480@400fps高速视频数据后再进行编码输出。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种高速视频采集传输系统，包括数据发送端和接收端两部分，发送端和接收端均安装有SDI接口；发送端与接收端通过同轴电缆传输数据；
其中，发送端包括高速图像传感器以及集成在FPGA芯片上的视频采集模块以及数据映射模块；
接收端包括集成在ARM芯片上的数据解映射模块、视频编码模块以及视频输出模块；
高速图像传感器用于输出非标准格式的高速图像；所述非标准格式的高速图像为640*480@K1fps，高速图像格式为YCbCr；其中，K1＝200或400；
视频采集模块采集高速图像传感器输出的非标准格式的高速图像，然后发送给数据映射模块；
数据映射模块负责将非标准格式的高速图像按设定的映射规则映射成标准格式的高清视频数据；所述标准格式的高清视频数据为1920*1080@K2fps，图像格式为YCbCr；其中:K2＝30或60；
数据解映射模块按设定的解映射规则将标准格式的高清视频数据恢复成640*480@K1fps视频；
视频编码模块将恢复出来的640*480@K1fps视频进行HEVC/H265压缩编码；
视频输出模块用于输出640*480@K1fps的压缩码流。
上述映射规则是：
A1、在数据映射模块中定义K2帧符合BT.1120标准的高清视频图像的传输格式，每一帧标准的高清视频图像的传输格式中均设定有效图像区间，所述有效图像区间用于填充高速图像数据，该有效图像区间共计1920列和1080行，即2073600个字节；
B1、在第1帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节0，然后连续的嵌入第1-6帧高速图像，并分别编号为1～6，最后嵌入第7帧高速图像的前360行图像，并编号为7；
C1、在第2帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节1，然后嵌入第7帧高速图像的后120行，再连续嵌入第8-13帧高速图像，编号为8～13，最后嵌入第14帧高速图像的前240行，并编号为14；
D1、在第3帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节2，然后嵌入第14帧高速图像的后240行，再连续嵌入第15-20帧高速图像，编号为15～20，第3帧高清视频格式的有效图像区间容纳第20帧640*480格式图像后的多余字节统一填充为00；至此，就将连续的20帧高速图像装载入连续的3帧高清视频格式的有效图像区间中；
E1、重复步骤B1～D1，直到将剩余的第21～K1帧高速图像装载到第4～K2列高清视频格式的有效图像区间中。
上述解映射规则是：
A2、数据解映射模块获取第1帧高清视频格式的有效图像区间中的数据，判断第一个字节，如果第一个字节为0则执行步骤B2，若第一个字节为1则执行步骤C2，若第一个字节为2则执行步骤D2；
B2、连续取出第1帧高清视频格式的有效图像区间中第1-6帧高速图像直接发送给视频编码模块，编号分别为1～6，然后取出第7帧高速图像的前360行图像进行缓存，然后返回步骤A2；
C2、先取出第2帧高清视频格式的有效图像区间中第7帧高速图像的后120行，将其与步骤B2中缓存的第7帧高速图像的前360行图像进行拼接后发送给视频编码模块，然后再连续取出第8-13帧高速图像发送给视频编码模块，帧编号为8～13，最后取出第14帧高速图像的前240行进行缓存，最后返回步骤A2；
D2、先取出第3帧高清视频格式的有效图像区间中第14帧高速图像的后240行，与步骤C2中缓存的第14帧高速图像的前240行图像进行拼接后发送给视频编码模块，然后连续取出第15～20帧高速图像发送给视频编码模块，帧编号15～20，将后面剩余的字节丢弃，最后返回步骤A2；
E2、重复步骤A2～D2，直到将K2帧高清视频格式的有效图像区间中的数据全部接收完毕。
本发明的有益效果是：
本发明中采用的高速视频传输系统，采用SDI接口和同轴电缆进行高速视频传输，在整个过程中非标准格式的高速图像经过采集、传输、压缩后，不仅能够保持原始视频的完整性，正确完整记录输出的640*480@400fps原始数据，同时实现了高速视频数据的远程无损传输。
采用本发明中发送端FPGA芯片上的数据映射模块以及接收端ARM芯片上的数据解映射模块的使用的相关规则，即可完成该套硬件设备从高清视频采集传输系统向高速视频采集传输系统的转变。由此，大大降低了系统成本，同时增强了系统的灵活性和通用性。此外，由于采用了成熟的标准视频格式的传输芯片和已有的图像传输系统，系统的软硬件均采用成熟设计，也大大缩短了系统的开发难度和开发周期。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；
图2为第1帧高清视频图像映射示意图；
图3为第2帧高清视频图像映射示意图；
图4为第3帧高清视频图像映射示意图；
图5为数据解映射流程图。
具体实施方式
参见图1，本发明提供的一种高速视频采集传输系统，包括数据发送端和接收端两部分，发送端和接收端均安装有SDI接口；发送端与接收端通过同轴电缆传输数据；
其中，发送端包括高速图像传感器以及集成在FPGA芯片上的视频采集模块以及数据映射模块；
接收端包括集成在ARM芯片上的数据解映射模块、视频编码模块以及视频输出模块；
其中：高速图像传感器用于输出非标准格式的高速图像；所述非标准格式的高速图像为640*480@K1fps，高速图像格式为YCbCr；其中，K1＝200或400；
视频采集模块采集高速图像传感器输出的非标准格式的高速图像，然后发送给数据映射模块；
数据映射模块负责将非标准格式的高速图像按设定的映射规则映射成标准格式的高清视频数据；所述标准格式的高清视频数据为1920*1080@K2fps，图像格式为YCbCr；其中:K2＝30或60；
下面以K1＝400，K2＝60，对本文提出的映射规则进行介绍：
A1、在数据映射模块中定义60帧符合BT.1120标准的高清视频图像的传输格式，每一帧标准的高清视频图像的传输格式中均设定有效图像区间，所述有效图像区间用于填充高速图像数据，该有效图像区间共计1920列和1080行，即2073600个字节；
如图2所示，B1、在第1帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节0，然后连续的嵌入第1-6帧高速图像，并分别编号为1～6，最后嵌入第7帧高速图像的前360行图像，并编号为7；
如图3所示，C1、在第2帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节1，然后嵌入第7帧高速图像的后120行，再连续嵌入第8-13帧高速图像，编号为8～13，最后嵌入第14帧高速图像的前240行，并编号为14；
如图4所示，D1、在第3帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节2，然后嵌入第14帧高速图像的后240行，再连续嵌入第15-20帧高速图像，编号为15～20，第3帧高清视频格式的有效图像区间容纳20帧640*480格式图像后的多余字节统一填充为00；至此，就将连续的20帧高速图像装载入连续的3帧高清视频格式的高速图像有效图像区间中；
E1、重复步骤B1～D1，直到将剩余的第21～400帧高速图像装载到第4～60列高清视频格式的有效图像区间中。
数据解映射模块按设定的解映射规则将标准格式的高清视频数据恢复成640*480@K1fps视频；
同样以K1＝400，K2＝60，并结合附图5对本文提出的解映射规则进行介绍：
A2、数据解映射模块获取第1帧高清视频格式的有效图像区间中的数据，判断第一个字节，如果第一个字节为0则执行步骤B2，若第一个字节为1则执行步骤C2，若第一个字节为2则执行步骤D2；
B2、连续取出第1帧高清视频格式的有效图像区间中第1-6帧高速图像直接发送给视频编码模块，编号分别为1～6，然后将第7帧高速图像的前360行图像进行缓存，然后返回步骤A2；
C2、先取出第2帧高清视频格式的有效图像区间中第7帧高速图像的后120行，将其与步骤B2中缓存的第7帧高速图像的前360行图像进行拼接后发送给视频编码模块，然后再连续取出第8-13帧高速图像发送给视频编码模块，帧编号为8～13，最后将第14帧高速图像的前240行进行缓存，最后返回步骤A2；
D2、先取出第3帧高清视频格式的有效图像区间中第14帧高速图像的后240行，与步骤C2中缓存的第14帧高速图像的前240行图像进行拼接后发送给视频编码模块，然后连续取出第15～20帧高速图像发送给视频编码模块，帧编号15～20，将后面剩余的字节丢弃，最后返回步骤A2；
E2、重复步骤A2～D2，直到将60帧高清视频格式的有效图像区间中的数据全部接收完毕。
视频编码模块将恢复出来的640*480@K1fps视频进行HEVC/H265压缩编码；
视频输出模块用于输出640*480@K1fps的压缩码流。

Claims (3)

1.一种高速视频采集传输系统，其特征在于：包括数据发送端和接收端两部分，发送端和接收端均安装有SDI接口；发送端与接收端通过同轴电缆传输数据；
其中，发送端包括高速图像传感器以及集成在FPGA芯片上的视频采集模块以及数据映射模块；
接收端包括集成在ARM芯片上的数据解映射模块、视频编码模块以及视频输出模块；
高速图像传感器用于输出非标准格式的高速图像；所述非标准格式的高速图像为640*480@K1fps，高速图像格式为YCbCr；其中，K1＝200或400；
视频采集模块采集高速图像传感器输出的非标准格式的高速图像，然后发送给数据映射模块；
数据映射模块负责将非标准格式的高速图像按设定的映射规则映射成标准格式的高清视频数据；所述标准格式的高清视频数据为1920*1080@K2fps，图像格式为YCbCr；其中:K2＝30或60；
数据解映射模块按设定的解映射规则将标准格式的高清视频数据恢复成640*480@K1fps视频；
视频编码模块将恢复出来的640*480@K1fps视频进行HEVC/H265压缩编码；
视频输出模块用于输出640*480@K1fps的压缩码流。
2.根据权利要求1所述的高速视频采集传输系统，其特征在于：所述映射规则是：
A1、在数据映射模块中定义K2帧符合BT.1120标准的高清视频图像的传输格式，每一帧标准的高清视频图像的传输格式中均设定有效图像区间，所述有效图像区间用于填充高速图像数据，该有效图像区间共计1920列和1080行，即2073600个字节；
B1、在第1帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节0，然后连续的嵌入第1-6帧高速图像，并分别编号为1～6，最后嵌入第7帧高速图像的前360行图像，并编号为7；
C1、在第2帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节1，然后嵌入第7帧高速图像的后120行，再连续嵌入第8-13帧高速图像，编号为8～13，最后嵌入第14帧高速图像的前240行，并编号为14；
D1、在第3帧高清视频格式的有效图像区间中第一个字节插入序号字节2，然后嵌入第14帧高速图像的后240行，再连续嵌入第15-20帧高速图像，编号为15～20，第3帧高清视频格式的有效图像区间容纳第20帧640*480格式图像后的多余字节统一填充为00；至此，就将连续的20帧高速图像装载入连续的3帧高清视频格式的有效图像区间中；
E1、重复步骤B1～D1，直到将剩余的第21～K1帧高速图像装载到第4～K2列高清视频格式的有效图像区间中。
3.根据权利要求1所述的高速视频采集传输系统，其特征在于：所述解映射规则是：
A2、数据解映射模块获取第1帧高清视频格式的有效图像区间中的数据，判断第一个字节，如果第一个字节为0则执行步骤B2，若第一个字节为1则执行步骤C2，若第一个字节为2则执行步骤D2；
B2、连续取出第1帧高清视频格式的有效图像区间中第1-6帧高速图像直接发送给视频编码模块，编号分别为1～6，然后取出第7帧高速图像的前360行图像进行缓存，然后返回步骤A2；
C2、先取出第2帧高清视频格式的有效图像区间中第7帧高速图像的后120行，将其与步骤B2中缓存的第7帧高速图像的前360行图像进行拼接后发送给视频编码模块，然后再连续取出第8-13帧高速图像发送给视频编码模块，帧编号为8～13，最后取出第14帧高速图像的前240行进行缓存，最后返回步骤A2；
D2、先取出第3帧高清视频格式的有效图像区间中第14帧高速图像的后240行，与步骤C2中缓存的第14帧高速图像的前240行图像进行拼接后发送给视频编码模块，然后连续取出第15～20帧高速图像发送给视频编码模块，帧编号15～20，将后面剩余的字节丢弃，最后返回步骤A2；
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