CN109495707B - 一种高速视频采集传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速视频采集传输系统及方法。该系统包括发送端和接收端两部分，发送端和接收端均安装有双3G‑SDI接口；发送端与接收端通过两根SDI同轴电缆传输数据；发送端包括高速图像传感器、两路3G‑SDI发送器电路以及集成在FPGA芯片上的视频采集模块、数据映射模块；接收端包括两路3G‑SDI接收器电路和集成在FPGA芯片上的数据解映射模块、视频处理模块。本发明在使用的整个过程中将非标准格式高速图像通过映射规则和解映射规则配合作用，实现了高速视频数据的远程无损传输。

Description

一种高速视频采集传输方法
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及方法。
背景技术
在一些特殊场合或某些专门的领域中，需要使用特殊的高分辨率且高速摄像机拍摄和记录过程，例如：当拍摄天空中两个高速飞行的物体碰撞的瞬间等场景时，既需要摄像机有很高的高分辨率以获得宽视场的图像；同时也需要很高的帧率以保证捕捉到所需的场景。这样的摄像机将产生非常高速的数据流，对数据传输系统提出了很高的要求。
传输图像系统一般分为模拟系统和数字系统。模拟系统包括VGA、 XVGA等，不适用于上述特殊应用的高分辨率高速摄像机的传输过程。常用的高速数字传输接口形式包括USB3.0、1394(fire wire)、GE (Ethernet)、10GE(Ethernet)、LVDS、CameraLink、3G-SDI等。其中，USB3.0接口通常用于直接连接到计算机显示的高速摄像头。 1394接口传输速率高，接口简单，性能可靠，在日本生产的数码相机等领域应用较多。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。万兆以太网(GE)传输速率高，接口也很简便，通常主要应用于高速路由连接。CameraLink接口是目前的工业相机中最常用的总线，应用于各种领域的工业相机上，可以支持多种格式、多种分辨率、多种图像表达方式的图像数据。
但是，USB3.0接口在传输过程中需要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。
1394接口技术普及率不高，主要仅用于日本生产的各种数字传输系统，市场较小，成本较高。
千兆、万兆以太网要求需要相应的TCP/IP协议处理，对系统要求较高，并且系统体积相对较大。
LVDS总线接口主要缺点是不是工业标准，技术成本较高，有效传输距离较短。
Camera Link接口体积较大，同时电缆较粗较重、价格昂贵，并且传输距离短。
因此目前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前端高分辨率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，本发明涉及一种高速视频采集传输系统及方法，采用了简单、低成本、可靠的方式实现了将前端高速相机中的非标准格式的高速黑白图像为转换为标准格式的高速图像并传输至后端接收设备上。
本发明的具体原理是：
本发明将非标准格式的视频映射到标准的视频格式后再进行传输的方法，将2048*2025分辨率、100帧/秒的黑白高速视频映射到两路符合BT.1120标准的1920*1080p分辨率、50帧/秒高清视频格式中，进行远距离传输，在接收端将高清视频格式的数据进行解映射，恢复出2048*2025@100fps黑白高速视频数据后再进行处理。
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双3G-SDI接口；发送端与接收端通过两根SDI同轴电缆传输数据；
其中，发送端包括高速图像传感器、集成在FPGA芯片上的视频采集模块、数据映射模块以及两路3G-SDI发送器电路；
接收端包括两路3G-SDI接收器电路和集成在FPGA芯片上的数据解映射模块、视频处理模块；
高速图像传感器用于输出非标准格式高速视频图像；所述非标准格式高速视频图像为黑白2048*2025@100fps；
视频采集模块采集高速图像传感器输出的非标准格式高速视频图像，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高速视频图像按设定的映射规则映射成两路标准格式高清视频图像数据；所述标准格式高清视频图像数据为1920*1080@50fps，格式为YCbCr，数据格式为BT.1120格式；
3G-SDI发送器电路用于将标准格式高清视频图像数据转换为 3G-SDI视频信号；
3G-SDI接收器电路用于从SDI同轴电缆接收3G-SDI视频信号，并转换成标准格式高清视频图像数据；
数据解映射模块按设定的解映射规则将标准格式高清视频图像数据恢复成2048*2025@100fps视频；
视频处理模块将恢复出来的2048*2025@100fps视频进行后处理。
基于上述系统，本发明还提供了一种高速视频采集传输方法，通过以下步骤实现传输：
1)发送端采集非标准格式高速视频图像；
所述非标准格式高速视频图像为黑白2048*2025@100fps；
2)发送端将非标准格式高速视频图像按设定的映射规则映射成两路标准格式高清视频图像数据；
所述标准格式高清视频图像数据为1920*1080@50fps，图像格式为YCbCr，数据格式为BT.1120格式；
3)发送端将两路标准格式高清视频图像数据发送给两路3G-SDI 驱动器，输出两路3G-SDI视频信号；
4)接收端通过两路3G-SDI接收器接收3G-SDI视频信号，从中解出两路BT.1120格式高清视频图像数据；
5)接收端按设定的解映射规则将两路BT.1120格式高清视频图像数据恢复为非标准格式高速视频图像数据；
6)将恢复出来的非标准格式高速视频图像数据进行后处理。
进一步地，上述步骤2)中设定的映射规则具体是：
A1：定义符合BT.1120标准的标准格式高清视频图像的传输格式，每一帧标准格式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非标准格式高速视频图像数据，该有效图像区间共计1920列和1080行，考虑到亮度通道和色度通道同时传输，共计4147200个字节；
B1：将相邻的第N帧和第N+1帧非标准格式高速视频图像数据分别填充至标准格式高清视频图像的传输格式的有效图像区间中；
填充原则是：将第N帧非标准格式高速视频图像数据填充至第一路标准高清视频有效图像区间，填充时相邻的两个非标准格式高速视频图像像素分别填入标准高清视频有效图像区间的亮度通道和色度通道；
第N+1帧非标准高速视频图像数据填充至第二路标准高清视频有效图像区间，填充时相邻的两个非标准格式高速视频图像像素分别填入标准高清视频有效图像区间的亮度通道和色度通道。
进一步地，上述步骤5)中设定的解映射规则具体是：
A2、获取一路标准格式高清视频图像的传输格式的有效图像区间中的数据，分别从亮度通道和色度通道各读取一个字节，拼成连续的两个字节；
B2、重复A2步骤1024次，获得2048个字节，构成解映射图像的一行；
C2、重复A2步骤和B2步骤2025次，获得解映射图像的2025行，构成完整的一帧；
D2、对第一路标准格式高清视频图像的传输格式执行A2、B2、 C2，获得第一帧图像；在对第二路标准格式高清视频图像的传输格式数据执行A2、B2、C2，获得第二帧图像；顺序输出第一路标准格式高清视频图像的传输格式获得的第一帧图像，第二路标准格式高清视频图像的传输格式获得的第二帧图像；
E2、循环执行D2步骤，输出恢复的非标准格式高速视频图像。
本发明的有益效果是：
1、本发明中采用的高速视频传输系统，从数据发送端到数据接收端实现了将一种非标准高分辨率高速黑白图像的视频格式转换为一种标准高清视频格式，并且采用3G-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高速图像经过采集、传输后，不仅能够保持原始视频的完整性，正确完整记录输出的黑白 2048*2025@100fps原始数据，同时实现了高速视频数据的远程无损传输。
2、本发明根据发送端FPGA芯片上的数据映射模块以及接收端 FPGA芯片上的数据解映射模块的相关规则，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。
3、本发明的方法是将100帧/秒的非标准格式高速视频图像映射到两路标准格式高清视频图像的传输格式进行传输，且每路标准格式高清视频图像传输的是完整的50帧/秒的图像，这样即使一路标准格式高清视频图像出现异常，接收端能够获得一半帧率的有效数据，提高了可靠性。在映射时，仅使用了BT.1120格式中的有效图像区域，未使用消隐期的区域来传输数据，使得实现本方法时可以采用所有符合BT.1120/3G-SDI标准的传输芯片和交换/中继设备，提高了方法的适用性。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；
图2为非标准格式高速视频图像映射示意图。
具体实施方式
参见图1，本实施例中提供了一种高速视频采集传输系统及传输方法：
该系统包括发送端和接收端两部分，发送端和接收端均安装有双 SDI接口；发送端与接收端通过两根SDI同轴电缆传输数据；
其中，发送端包括高速图像传感器、两路3G-SDI发送器电路以及集成在FPGA芯片上的视频采集模块、数据映射模块；
接收端包括两路3G-SDI接收器电路和集成在FPGA芯片上的数据解映射模块、视频处理模块；
高速图像传感器用于输出非标准格式高速视频图像；所述非标准格式高速视频图像为黑白2048*2025@100fps；
视频采集模块采集高速图像传感器输出的非标准格式高速视频图像，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高速视频图像按设定的映射规则映射成两路标准格式高清视频图像数据；所述标准格式高清视频图像数据为1920*1080@50fps，格式为YCbCr；
3G-SDI发送器电路用于将标准格式高清视频图像数据转换为 3G-SDI信号通过同轴电缆；
3G-SDI接收器电路用于从同轴电缆接收3G-SDI信号，并转换成标准格式高清视频图像数据；
数据解映射模块按设定的解映射规则将标准格式高清视频图像数据恢复成2048*2025@100fps视频；
视频处理模块将恢复出来的2048*2025@100fps视频进行后处理。
基于该系统本发明的传输方法具体步骤如下：
步骤1)发送端上，高速图像传感器输出非标准格式高速图像数据并通过视频采集模块发送至数据映射模块；
所述非标准格式高速图像为黑白2048*2025@100fps；
步骤2)发送端上，数据映射模块将非标准格式高速视频图像按设定的映射规则映射成两路标准格式的高清视频图像数据；所述标准格式高清视频图像数据为1920*1080@50fps，图像格式为YCbCr，，数据格式为BT.1120格式；
映射规则具体如下：
A1：定义符合BT.1120标准的标准格式高清视频图像的传输格式，每一帧标准格式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非标准格式高速视频图像数据，该有效图像区间共计1920列和1080行，考虑到亮度通道和色度通道同时传输，共计4147200个字节；
B1：将相邻的第N帧和第N+1帧非标准格式高速视频图像数据分别填充至标准格式高清视频图像的传输格式的有效图像区间中；
填充原则是：将第N帧非标准格式高速视频图像数据填充至第一路标准高清视频有效图像区间，填充时相邻的两个非标准格式高速视频图像像素分别填入标准高清视频有效图像区间的亮度通道和色度通道；
第N+1帧非标准高速视频图像数据填充至第二路标准高清视频有效图像区间，填充时相邻的两个非标准格式高速视频图像像素分别填入标准高清视频有效图像区间的亮度通道和色度通道；
具体做法如图2所示，
将第一帧的第一个输入黑白图像像素映射到第一路标准高清视频图像第一个像素的亮度通道，将第二个输入黑白图像像素映射到第一路标准高清视频图像第一个像素的色度通道；第三个输入黑白图像像素映射到第一路标准高清视频图像第二个像素的亮度通道，将第四个输入黑白图像像素映射到第一路标准高清视频图像第二个像素的色度通道；以此类推，将输入的高速黑白图像数据映射到第一路输出的一帧高清视频图像上。
将第二帧的第一个输入黑白图像像素映射到第二路标准高清视频图像第一个像素的亮度通道，将第二个输入黑白图像像素映射到第二路标准高清视频图像第一个像素的色度通道；第三个输入黑白图像像素映射到第二路标准高清视频图像第二个像素的亮度通道，将第四个输入黑白图像像素映射到第二路标准高清视频图像第二个像素的色度通道；以此类推，将输入的高速黑白图像数据映射到第二路输出的一帧高清视频图像上。
这里一帧高速高速黑白图像数据字节数与SDI输出图像字节数相同。
步骤3)发送端将两路BT.1120格式高清视频图像数据发送给两路3G-SDI驱动器，输出两路3G-SDI视频信号；
步骤4)接收端通过两路同轴电缆连接发送端，通过两路3G-SDI 接收器接收3G-SDI视频信号，从中解出两路BT.1120格式高清视频图像数据；
步骤5)接收端的数据解映射模块按设定的解映射规则将两路标准格式的高清视频数据恢复出非标准格式高速图像数据；
下面对本文提出的解映射规则进行介绍：
A2、获取一路标准格式高清视频图像的传输格式的有效图像区间中的数据，分别从亮度通道和色度通道各读取一个字节，拼成连续的两个字节；
B2、重复A2步骤1024次，获得2048个字节，构成解映射图像的一行；
C2、重复A2步骤和B2步骤2025次，获得解映射图像的2025行，构成完整的一帧；
D2、对第一路标准格式高清视频图像的传输格式执行A2、B2、 C2，获得第一帧图像；在对第二路标准格式高清视频图像的传输格式数据执行A2、B2、C2，获得第二帧图像；顺序输出第一路标准格式高清视频图像的传输格式获得的第一帧图像，第二路标准格式高清视频图像的传输格式获得的第二帧图像；
E2、循环执行D2步骤，输出恢复的高速图像。
步骤6)将恢复出来的非标准格式高速图像数据进行后处理。

Claims (1)

1.一种高速视频采集传输方法，采用的系统包括发送端和接收端两部分，发送端和接收端通过两根SDI同轴电缆传输数据；
发送端包括高速图像传感器、两路3G-SDI发送器电路以及集成在FPGA芯片上的视频采集模块、数据映射模块；
接收端包括两路3G-SDI接收器电路和集成在FPGA芯片上的数据解映射模块、视频处理模块；
其特征在于，通过以下步骤实现数据的采集和传输：
1)发送端采集非标准格式高速视频图像；
所述非标准格式高速视频图像为黑白2048*2025@100fps；
2)发送端将非标准格式高速视频图像按设定的映射规则映射成两路标准格式高清视频图像数据；
所述标准格式高清视频图像数据为1920*1080@50fps，图像格式为YCbCr，数据格式为BT.1120格式；
映射规则具体是：
A1：定义符合BT.1120标准的标准格式高清视频图像的传输格式，每一帧标准格式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非标准格式高速视频图像数据，该有效图像区间共计1920列和1080行，考虑到亮度通道和色度通道同时传输，共计4147200个字节；
B1：将相邻的第N帧和第N+1帧非标准格式高速视频图像数据分别填充至标准格式高清视频图像的传输格式的有效图像区间中；
填充原则是：将第N帧非标准格式高速视频图像数据填充至第一路标准高清视频有效图像区间，填充时相邻的两个非标准格式高速视频图像像素分别填入标准高清视频有效图像区间的亮度通道和色度通道；
第N+1帧非标准高速视频图像数据填充至第二路标准高清视频有效图像区间，填充时相邻的两个非标准格式高速视频图像像素分别填入标准高清视频有效图像区间的亮度通道和色度通道；
3)发送端将两路标准格式高清视频图像数据发送给两路3G-SDI驱动器，输出两路3G-SDI视频信号；
4)接收端通过两路3G-SDI接收器接收3G-SDI视频信号，从中解出两路BT.1120格式高清视频图像数据；
5)接收端按设定的解映射规则将两路BT.1120格式高清视频图像数据恢复为非标准格式高速视频图像数据；
解映射规则具体是：
A2、获取一路标准格式高清视频图像的传输格式的有效图像区间中的数据，分别从亮度通道和色度通道各读取一个字节，拼成连续的两个字节；
B2、重复A2步骤1024次，获得2048个字节，构成解映射图像的一行；
C2、重复A2步骤和B2步骤2025次，获得解映射图像的2025行，构成完整的一帧；
D2、对第一路标准格式高清视频图像的传输格式执行A2、B2、C2，获得第一帧图像；在对第二路标准格式高清视频图像的传输格式数据执行A2、B2、C2，获得第二帧图像；顺序输出第一路标准格式高清视频图像的传输格式获得的第一帧图像，第二路标准格式高清视频图像的传输格式获得的第二帧图像；
E2、循环执行D2步骤，输出恢复的非标准格式高速视频图像；
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