CN110169047B - 一种传感器数据处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

传感器数据处理系统和方法执行对来自一个或多个超高清(UHD)图像传感器的图像数据的分段和打包，以用于通过常规的高清图像数据处理系统和通路进行运输和处理。UHD图像帧被分段成多个较小帧并且被并行地引导在常规的HD通路上。元数据被生成并与较小帧一起引导。元数据包括足够的信息，以用于从较小帧无损重建UHD图像帧。

Description

一种传感器数据处理装置和方法
技术领域
本公开在图像处理架构的领域中，并且更特别地在超高清视频处理的领域中。
背景技术
具有大图像格式和小像素间距的超高清(UHD)图像传感器正变得普遍可用于许多新产品和应用的使用中。然而，常规的视频架构通常不支持UHD传感器的带宽和定时要求。已经开发出支持UHD传感器的带宽和定时要求的新视频架构；然而，在不利用先前可用的硬件的情况下，这些新的视频架构通常从头开始开发以用于特定用途。
现有的高清(HD)视频架构通常被配置用于处理例如符合一种或多种标准格式(诸如电影和电视工程师协会(SMPTE)标准SMPTE 292M和SMPTE 424M) 的视频数据流。这些标准包括720p高清(HDTV)格式，其中视频数据被格式化为具有720条水平线和16：9宽高比的帧。SMPTE 292M标准包括例如720p 格式，其具有1280x 720像素的分辨率。
HD视频数据的常见传输格式是720p60，其中720p格式的视频数据以每秒 60帧进行传输。SMPTE 424M标准包括1080p60传输格式，其中1080p格式的数据以每秒60帧进行传输。1080p格式的视频数据有时被称为“全HD”并且具有1920x 1080像素的分辨率。
大量当前部署的图像检测系统被按照HD视频标准(诸如常用的720p标准) 来构建。720p标准系统的1280x 720像素帧，每帧约1.5兆像素。相反，UHD 图像传感器通常以5kx 5k格式输出图像帧，其每帧具有约2500万像素。因此， 720p标准系统中使用的1280x 720像素远不足以运输由UHD图像传感器生成的更大数量的像素。
各种技术已经用于结合现有的HD视频架构来处理来自UHD图像传感器的图像数据。例如，为了与HD视频架构的兼容性，通常使用各种压缩算法将UHD 视频数据在空间上或时间上进行压缩，所述压缩算法被选择为允许将数据呈现为人类观看者可感知的视频显示和图像。这些压缩算法丢失或丢弃从图像传感器输出的可能不是生成视频显示和图像所必需的一些图像数据。
在一些图像处理应用中，期望提取、分析和/或存储人类观看者可能无法感知的原始图像传感器数据。例如，原始图像传感器数据中的该附加信息可以由计算机和处理电路提取和处理。丢失或丢弃从图像传感器输出的一些图像数据的压缩算法对这些应用不适合。
用于处理来自UHD传感器的数据的其他常规技术通常涉及使用已经针对 UHD传感器的特定应用而开发的新的或专有的视频架构。这些技术成本高且效率低，这是因为它们没有利用已经在全世界部署的广泛可用的HD视频架构。
发明内容
本公开的各方面包括用于高效和无损收集UHD数据的UHD传感器数据处理装置和方法。根据本公开的一方面的传感器数据处理装置包括被耦合到处理电路的原始UHD数据输入路径和被并联耦合到处理电路的多个图像数据输出路径。一个或多个元数据输出路径与图像数据输出路径并联耦合到处理电路。
根据本公开的一方面，处理电路被配置为接收来自UHD传感器的原始UHD 数据，将原始UHD数据划分为无损分段并且将无损分段并行地引导到图像数据输出路径上。处理器电路还被配置为：生成包括编码信息的元数据，该编码信息有助于从无损分段重建原始UHD数据；并且将元数据引导到元数据输出路径上。
根据本公开的另一方面，处理电路被配置为将无损分段打包(pack)为多个HD图像数据帧，并将HD图像数据帧并行地引导到图像数据输出路径上。处理电路包括被耦合到SMPTE视频处理器的视频架构转台(turret)。视频架构转台被配置为接收多个原始UHD数据流，并以720p60视频格式在八个并行通道上传播原始UHD数据流。处理电路还被配置为：接收以720p60视频格式的在八个并行通道上的来自视频架构转台的所传播的原始UHD数据、生成元数据、经由一个或多个元数据输出路径以1080p60视频格式输出元数据和所传播的原始 UHD数据。
根据本公开的另一方面，视频处理电路被耦合到图像数据输出路径并且被耦合到元数据输出路径。视频处理电路被配置为基于在元数据输出路径上接收到的元数据来解包(unpack)和缓冲在图像数据输出路径上接收到的原始UHD 数据。
本公开的另一方面包括UHD传感器数据处理方法。该方法包括以下步骤：接收来自UHD传感器的原始UHD数据；将原始UHD数据划分为无损分段；并且将无损分段并行地引导到多个图像数据输出路径上。该方法还包括：生成包括编码信息的元数据，该编码信息有助于从无损分段重建原始UHD数据；并且将元数据引导到与图像数据输出路径并联的一个或多个元数据输出路径上。
根据本公开的一方面，该方法还包括将无损分段打包成多个HD图像数据帧，并将HD图像数据帧并行地引导到图像数据输出路径上。根据本公开的另一方面，该方法包括：以720p60视频格式在八个并行通道上传播原始UHD数据流；接收以720p60视频格式的在八个并行通道上的来自视频架构转台的所传播的原始UHD数据；并且经由一个或多个元数据输出路径以1080p60视频格式输出元数据和所传播的原始UHD数据。
根据本公开的另一方面，该方法包括：基于元数据来解包和缓冲来自图像数据输出路径的原始UHD数据；并且基于元数据来重新组装来自图像数据输出路径的无损分段以重建原始UHD数据。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明构思的示例性实施例，本发明构思的上述和其他特征将变得更加明显，在附图中：
图1是根据本公开的一方面的UHD传感器数据处理系统的图。
图2是根据本公开的一方面的示出用于处理UHD传感器数据的方法的过程流程图。
图3是UHD传感器数据处理系统的说明性实施例的图。
图4是根据本公开的一方面的将8位像素格式的UHD图像帧打包成具有16 位像素格式的图像帧的图。
图5是根据本公开的一方面的被分割成1280x 720像素帧的UHD图像数据的图。
具体实施方式
本公开的各方面包括用于使用现有HD视频架构对来自一个或多个UHD图像传感器的UHD视频数据进行无损通信和处理的系统和方法。根据本公开的各方面，使用当前可用的视频架构处理UHD视频数据涉及到将来自一个或多个UHD传感器的UHD视频数据分解成可管理的分段。这些分段被组合并传播到 HD视频的多个通道中。在说明性实施例中，UHD视频数据可以从UHD传感器以5K x 5K帧@30Hz来提供，其被分解成720p60分段。在说明性实施例中，分段被组合成SMPTE424M 1080p60视频的多个通道。
一些常用的UHD图像传感器生成每帧具有5120x 5120像素的图像帧。然而，根据本公开的各方面，“UHD传感器”可以指代生成不同帧大小和像素大小的多种不同类型的图像传感器。例如，一些UHD图像传感器生成具有4K x 4K 像素的图像帧，并且每像素可以具有12位，或每像素可以具有10位。如本文所使用的术语“UHD传感器”不限于特定类型的传感器或特定的帧大小或像素大小。
根据本公开的另一方面，基于描述了如何从UHD传感器数据生成分段的元数据而将多个SMPTE馈送重建为单个UHD视频馈送。
所公开的UHD视频处理系统和方法的说明性实施例使用多个720p视频帧缓冲器来分离和编码来自一个或多个UHD图像传感器的大格式视频。来自UHD 图像传感器的图像数据在多通道720pHD视频架构上传播。鲁棒编码方案生成元数据，其描述了原始图像数据的部分如何在多个通道上分布并且能够无损重建原始UHD视频数据。
参考图1描述根据本公开的一方面的UHD传感器数据处理系统的说明性实施例。系统100包括经由原始UHD数据输入路径106被耦合到UHD图像传感器104的UHD分段电路102。在说明性实施例中，系统100还包括经由多个图像数据输出路径110和一个或多个元数据路径112被耦合到UHD分段电路102 的视频处理电路108。数据输出路径110和元数据路径可以共存于相同的传导通路上，或者可以替代地被配置在单独的传导通路上。
在说明性实施例中，UHD分段电路102包括被耦合到处理器电路的存储器电路。处理器电路被配置为接收来自UHD传感器的原始UHD数据，将原始UHD 数据划分为无损分段并且将无损分段并行地引导到图像数据输出路径上。在说明性实施例中，处理器电路还被配置为：生成包括编码信息的元数据，该编码信息有助于从无损分段重建原始UHD数据；并将元数据引导到元数据输出路径上。
参考图2描述根据本公开的一方面的用于处理UHD传感器数据的方法。方法200包括在框202处接收来自UHD传感器(诸如图1的UHD传感器104) 的原始UHD图像数据，并在框204处将原始UHD数据划分为无损分段。在说明性实施例中，这由UHD分段电路(例如，102，图1)执行，其可以包括例如一系列FPGA和处理系统。在说明性实施例中，数字视频处理器(DVP)电路卡接受(take in)来自传感器的视频并将其划分为多个720p图像。方法200还包括在框206处将无损分段并行地引导到多个图像数据输出路径上。这也由 UHD分段电路(例如，102，图1)中的一系列FPGA和处理系统执行。该方法还包括：在框208处生成包括编码信息的元数据，该编码信息有助于从无损分段重建原始UHD数据；并且在框210处将元数据引导到与图像数据输出路径并联的一个或多个元数据输出路径上。
在说明性实施例中，SMPTE视频处理器(SVP)电路卡接受来自DVP的 720p图像，将它们划分为适当格式化的SMPTE 1080p视频帧，并将适当格式化的SMPTE元数据添加到辅助视频空间。元数据包括打包细节，诸如帧开始和帧结束的像素位置、帧速率、位深度、位打包模式等。相同的元数据空间具有用于给出视线或指向指示出针对每个可适用帧传感器被指向何处的信息的规定，从而该信息可用于向传感器捕获的UHD视频帧添加上下文。
参考图3描述根据本公开的一方面的图像数据处理系统的另一个说明性实施例。在说明性实施例中，系统300包括被耦合到UHD分段电路304的UHD 图像传感器302。UHD图像传感器302是图1中示出的UHD图像传感器104 的示例性实施方式。UHD分段电路310是图1中示出的UHD分段电路102的示例性实施方式。
UHD图像传感器302生成具有5k x 5k像素格式的图像帧。在该说明性实施例中，两个兼容720p的HD相机306、308也被耦合到UHD分段电路304。兼容720p的相机中的第一个是中波红外相机306，其生成具有1280x 720格式的图像帧。兼容720的相机中的第二个是短波红外相机308，其生成具有1280x 720 格式的图像帧。
在说明性实施例中，系统被配置为例如按照SMPTE标准(诸如SMPTE424M 标准)传送数据。
根据本公开的各方面，一个或多个UHD传感器302可以被耦合到UHD分段电路304，并且可以以多种不同的UHD帧格式向UHD分段电路304提供UHD 视频数据。另外，一个或多个兼容720p的图像传感器(未示出)可以被耦合到 UHD分段电路304，并且可以以各种720p帧格式向UHD分段电路304提供视频数据。
在说明性实施例中，UHD分段电路304包括视频架构转台310，其被耦合到UHD图像传感器302并且经由高速相机接口被耦合到兼容720p的HD相机 306、308。UHD分段电路304还包括SMPTE视频处理器312，其经由并行通过接口(诸如滑环接口314)被耦合到视频架构转台310。
例如，视频架构转台310将来自UHD图像传感器302的UHD图像数据打包并且将其在八个标准720p并行输出通道中的六个上作为720p60Hz视频来传播。视频架构转台310还将来自兼容720p的相机306、308中的每一个的标准 720p图像数据在八个标准720p并行输出通道中的相应剩余两个上作为 720p60Hz视频来传送。
SMPTE视频处理器312从视频架构转台310接收八个并行输入通道，并使用VANC利用打包和传播信息来插入KLV(键-长度-值)元数据，以便于解包和重建UHD图像数据。本领域技术人员应该认识到的是，VANC(垂直辅助) 是用于在视频信号中嵌入非视频信息的常规技术。例如，元数据包括打包细节，诸如例如帧开始和帧结束的像素位置(行、列)、帧速率(30、60)、位深度(8、 10、12、16)和位打包模式(每像素两个字节、每像素一个字节等)。相同的元数据空间具有用于给出视线(惯性测量单元(IMU)、陀螺仪、加速度计、旋转变压器、伺服状态、编码器反馈、聚焦信息、系统光学器件的温度等)和/或指向指示出针对每个可适用帧传感器被指向何处的信息的规定。元数据中的信息可用于将上下文添加到由传感器捕获的UHD视频帧。SMPTE视频处理器312 还针对每个图像帧插入唯一标识符。
在说明性实施例中，后端处理器电路316被耦合到UHD分段电路304以接收来自SMPTE视频处理器312的元数据连同所传播的和打包后的UHD图像数据。后端处理电路316是图1中示出的视频处理电路108的示例性实施方式，并且包括多个输出。例如，后端处理电路的输出可以被压缩/处理视频以显示在标准视频显示器上，或者可以是示出移动对象的轨迹的跟踪数据等。后端处理器电路316读取KLV元数据并执行对来自UHD图像传感器302的UHD图像数据的无损重建以生成和缓冲UHD视频的完整帧。例如，后端处理器电路316还可以被配置为从缓冲的UHD视频识别目标并创建跟踪信息。
参考图4，在说明性实施例中，通过经由将8位像素对打包成单个16位像素而映射到5120x 2560 16位像素帧404来打包5120x 5120 8位像素格式402 的UHD图像帧。这可以例如由图3的视频架构转台310通过利用现有的16位像素视频架构来执行，以减少滑环上所需的带宽。这有效地将带宽需求减少了一半。可替换地，该打包可以由视频处理器312执行。然而，由在滑环314之前的视频架构转台310封装像素有助于减轻可能在在视频处理器312之前的滑环处发生的数据瓶颈。
参考图5，在说明性实施例中，通过将每图像5k x 5k 8位分解为每像素具有16位的十六个1280x 720帧，包含在5120x 5120图像帧中的每个25兆像素的图像数据被转换以用于与720视频架构的兼容性。这导致了具有16位像素的十六个1280x 720帧502。根据本公开的一方面，帧0-7在第一个60Hz时钟周期上并行地在滑环(314，图3)上运输，并且帧8-15在第二个60Hz时钟周期上并行地在滑环(314，图3)上运输。1280x 720 60Hz帧502中的每八帧存储在SMPTE视频处理器帧存储器中，其被包括在视频处理器(312，图3)中。在该说明性实施例中，SMPTE视频处理器帧存储器具有多余的存储器空间504，其可以当可适用时(例如，每30Hz周期)被用于附加的数据传送。然后用可适用的打包和传播信息来更新KLV元数据，诸如例如帧开始和帧结束的像素位置 (行、列)、帧速率(30、60)、位深度(8、10、12、16)和位打包模式(每像素两个字节、每像素一个字节等)。唯一的帧标识(ID)、精确时间戳(所有与 UTC时间相关的秒、小数秒)、在图像传感器上接收光子等。相同的元数据空间具有用于给出视线(IMU、陀螺仪、加速度计、旋转变压器、伺服状态、编码器反馈、聚焦信息、系统光学器件的温度等)、指向指示出针对每个可适用帧传感器被指向何处的信息的规定，从而该信息可用于向传感器捕获的UHD视频帧添加上下文。元数据还包括针对每个帧的唯一标识符，以在包括KLV元数据的SMPTE242M视频中生成和输出每像素具有20位的1920x 108060Hz帧的四个通道。
通过考虑1280x 720帧的八个并行720p通道使用约737万个像素，可以观察到存储空间504的量。因为720p帧以每秒60帧或每帧16.667毫秒运行(其速度为UHD传感器的两倍)，所以737万像素被加倍，从而导致约1475万像素。 5120x 5120像素UHD传感器(303，图3)以每秒30帧或每帧33.333毫秒运行。因为两个8位像素被打包成每个720p 16位像素，所以每个帧减少到有效的2560 x 5120像素大小。这导致每UHD帧约1310万像素。对于每30HzUHD帧 (33.333ms)，有16个720p帧可用于打包UHD传感器数据。因此，约1475万像素是可用的，其中每33.33ms或以30Hz频率打包约1310万个UHD像素。在该说明性实施例中，每30HzUHD帧中可用的多余存储空间504是1475万和 1310万之间的差，其等于约165万像素。
虽然已经参考本公开的示例性实施例具体示出和描述了本公开的各方面，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离由以下权利要求限定的本公开的范围的情况下，在此可以对形式和细节进行各种改变。

Claims (16)

1.一种传感器数据处理装置，包括：
处理器电路；
原始UHD数据输入路径，所述原始UHD数据输入路径被耦合到处理电路；
多个图像数据输出路径，所述多个图像数据输出路径被并联耦合到所述处理电路；
一个或多个元数据输出路径，所述一个或多个元数据输出路径与所述图像数据输出路径并联耦合到所述处理电路；
视频架构转台，其被配置为接收多个原始UHD数据流，并以720p60视频格式在八个并行通道上传播所述原始UHD数据流；以及
SMPTE视频处理器，其被配置为：
接收以720p60视频格式的在所述八个并行通道上的来自所述视频架构转台的所传播的原始UHD数据；
生成所述元数据；并且
经由所述一个或多个元数据输出路径以1080p60视频格式输出所述元数据和所传播的原始UHD数据，
其中所述处理电路被配置为：
接收来自UHD传感器的原始UHD数据；
将所述原始UHD数据划分为无损分段；
将所述无损分段并行地引导到所述图像数据输出路径上；
生成包括编码信息的元数据，所述编码信息有助于从所述无损分段重建所述原始UHD数据；并且
将所述元数据引导到所述元数据输出路径上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理电路被配置为：
将所述无损分段打包成多个HD图像数据帧；并且
将所述HD图像数据帧并行地引导到所述图像数据输出路径上。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括UHD图像传感器，其被耦合到所述原始UHD数据输入路径。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括视频处理电路，其被耦合到所述图像数据输出路径并且被耦合到所述元数据输出路径。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述视频处理电路被配置为基于在所述元数据输出路径上接收到的元数据来解包和缓冲在所述图像数据输出路径上接收到的原始UHD数据。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个图像数据输出路径包括1080p视频输出通道。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述元数据输出路径包括1080p视频输出通道。
8.一种传感器数据处理方法，包括：
接收来自UHD传感器的原始UHD数据；
将所述原始UHD数据划分为无损分段；
将所述无损分段并行地引导到多个图像数据输出路径上；
生成包括编码信息的元数据，所述编码信息有助于从所述无损分段重建所述原始UHD数据；
将所述元数据引导到与所述图像数据输出路径并联的一个或多个元数据输出路径上；
以720p60视频格式在八个并行通道上传播所述原始UHD数据流；
接收以720p60视频格式的在所述八个并行通道上的来自视频架构转台的所传播的原始UHD数据；以及
经由所述一个或多个元数据输出路径以1080p60视频格式输出所述元数据和所传播的原始UHD数据。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
将所述无损分段打包成多个HD图像数据帧；并且
将所述HD图像数据帧并行地引导到所述图像数据输出路径上。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个图像数据输出路径包括1080p视频输出通道。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述元数据输出路径包括1080p视频输出通道。
12.根据权利要求8所述的方法，包括基于所述元数据来解包和缓冲来自所述多个图像数据输出路径的原始UHD数据。
13.根据权利要求8所述的方法，包括基于所述元数据来重新组装来自所述图像数据输出路径的无损分段以重建所述原始UHD数据。
14.一种传感器数据处理装置，包括：
处理器电路，所述处理器电路被耦合到原始UHD数据输入路径；
UHD图像传感器，所述UHD图像传感器被直接耦合到所述原始UHD数据输入路径；
多个图像数据输出路径，所述多个图像数据输出路径被并联耦合到处理电路；
一个或多个元数据输出路径，所述一个或多个元数据输出路径与所述图像数据输出路径并联耦合到所述处理电路，
视频架构转台，其被配置为接收多个原始UHD数据流，并以720p60视频格式在八个并行通道上传播所述原始UHD数据流；以及
SMPTE视频处理器，其被配置为：
接收以720p60视频格式的在所述八个并行通道上的来自所述视频架构转台的所传播的原始UHD数据；
生成所述元数据；并且
经由所述一个或多个元数据输出路径以1080p60视频格式输出所述元数据和所传播的原始UHD数据。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述处理器电路被配置为：
接收来自UHD传感器的原始UHD数据；
将所述原始UHD数据划分为无损分段；
将所述无损分段并行地引导到所述图像数据输出路径上；
生成包括编码信息的元数据，所述编码信息有助于从所述无损分段重建所述原始UHD数据；并且
将所述元数据引导到所述元数据输出路径上。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述处理电路被配置为：
将所述无损分段打包成多个HD图像数据帧；并且
将所述HD图像数据帧并行地引导到所述图像数据输出路径上。
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