CN110896431B - 一种无压缩高清视频传输方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无压缩高清视频传输方法和系统，包括发送端和接收端，发送端的输入端输入高清视频信号，发送端的输出端与接收端的输入端相连，接收端的输出端输出高清视频信号。本发明采用FPGA和DDR存储芯片完成图像数据的转发，而不需要单独传输高清视频信号的时钟信号，通过此技术可以有效的降低高清视频图像传输的设备成本，同时可以保持原始的图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及光电通信技术领域，具体涉及一种无压缩高清视频传输方法和系统。
背景技术
随着各种无人值守的站点逐渐普及，而且高清视频使用也越来越广泛，包括高清视频信号在内的各种信号需要进行远距离传输。高清视频信号数据带宽大、对时钟要求高，用于标清视频光传输系统的方案已不适用于高清视频传输系统。现有的高清视频数字化传输方案中大多采用将高带宽的高清视频数据压缩到低带宽的码流，然后通过网络或者光纤传输。虽然这种方法传输可以节省传输链路带宽，但不能保证图像质量，经过压缩后图像将出现边缘模糊等现象，不能应用在对图像质量要求较高的场合。而无压缩传输需要将图像数据与像素时钟一并传输，以保证接收端视频能够正确恢复，这种方法虽然可以保证图像质量，但需要用到多根光纤，系统建设成本和传输成本较高。
发明内容
本发明针对现有高清视频传输中数据和时钟的同步问题，提供一种无压缩高清视频传输方法和系统。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无压缩高清视频传输方法，包括步骤如下：
步骤1、发送端将高清视频信号转换为并行数字信号，该并行数字信号包括像素时钟、视频图像信号、行同步信号和场同步信号；
步骤2、利用像素时钟计算场同步信号的周期；计算在一个场同步信号周期内的行同步信号，以得到每幅图像的总行数；计算一个行同步信号的点数，以得到每幅图像一行共有的总像素；将上述所得到的信息与VESA标准中的对应参数进行对比，判断出视频图像信号的分辨率；
步骤3、按照视频图像信号的分辨率的最大宽度和最大行数，以及保证每幅图像及其每行像素的起始存储位置能够对齐的原则，为每幅图像分配发送存储空间；其中每幅图像所分配的发送存储空间包括页地址空间、场地址空间、行地址空间和像素地址空间；
步骤4、视频图像信号发送存储时，先根据场同步信号确定每幅图像的起始，同时将发送存储空间的场地址、行地址和像素地址清0；再根据行同步信号向发送存储空间存储每幅图像的每行像素数据，每存储一行，场地址增加1，当一幅图像存储完后页地址增加1；
步骤5、视频图像信号发送读取时，先确定发送存储空间的页地址，再按照最大分辨率宽度从发送存储空间中读取每行像素数据；
步骤6、将所读取出的每行像素数据按照自定义的帧格式进行封装后成视频图像数据包；
步骤7、对视频图像数据包进行编码和并串转换后生成串行电信号，并将该串行电信号转换为串行光信号后发送至接收端；
步骤8、接收端将接收到的串行光信号进行光电转换为串行电信号，并对串行电信号进行串并转换和解码后恢复出的视频数据包；
步骤9、从每个视频数据包中提取视频图像信号的分辨率、每行像素数据、场编号和行编号；
步骤10、按照视频图像信号的分辨率的最大宽度和最大行数，以及保证每幅图像及其每行像素的起始存储位置能够对齐的原则，为每幅图像分配接收存储空间；其中每幅图像所分配的接收存储空间包括页地址空间、场地址空间、行地址空间和像素地址空间；
步骤11、视频图像信号接收存储时，对于接收到的每行像素数据，先根据所提取的场编号确定存储空间的页地址，再根据所提取的行编号确定存储空间的行地址，后按照顺序将每个像素点存储在对应的像素地址上；
步骤12、视频图像信号接收读取时，先确定接收存储空间的页地址，再根据所提取的视频图像信号的分辨率，在图像时序的控制下，从接收存储空间中读取每行像素数据；
步骤13、根据所提取的视频图像信号的分辨率产生相应的输出时序信号，并根据该输出时序信号对读取出的每行像素数据进行编码后，形成高清视频信号输出。
上述步骤3为每幅图像所分配的发送存储空间与步骤10中为每幅图像所分配的接收存储空间相同，即：
| A27～A24 | A23～A13 | A12～A2 | A1～A0 |
| 页地址空间 | 场地址空间 | 行地址空间 | 像素地址空间 |
。
上述步骤6中，视频数据包的帧格式如下：
| 2字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 | 2字节 | 1920字节 | 2字节 |
| 同步头 | 场编号 | 行编号 | 包长度 | 图像信息 | 图像数据 | 包尾 |
。
一种无压缩高清视频传输系统，包括发送端和接收端，发送端的输入端输入高清视频信号，发送端的输出端与接收端的输入端相连，接收端的输出端输出高清视频信号；所述发送端由视频解码器、发送FPGA控制器和发送DDR存储器组成；视频解码器的输出端形成发送端的输入端；视频解码器的输出端连接发送FPGA控制器的输入端，发送FPGA控制器的输出端形成发送端的输出端；发送DDR存储器与发送FPGA控制器相连；所述接收端由接收FPGA控制器、接收DDR存储器和视频编码器组成；接收FPGA控制器的输入端形成接收端的输入端；接收FPGA控制器的输出端连接视频编码器的输入端，视频编码器的输出端形成接收端的输出端；接收DDR存储器与接收FPGA控制器相连。
上述发送FPGA控制器进一步由图像分析模块、发送数据存储模块、发送数据读取模块、数据发送模块、电光转换模块、以及发送存储器控制器组成；图像分析模块的输入端形成发送FPGA控制器的输入端，图像分析模块的视频图像信号输出端连接发送数据存储模块的输入端，发送数据存储模块的输出端连接发送存储器控制器的输入端，发送存储器控制器的输出端连接发送数据读取模块的输入端，发送数据读取模块的输出端连接数据发送模块的输入端，数据发送模块的输出端连接电光转换模块的输入端，电光转换模块的输出端形成发送FPGA控制器的输出端；图像分析模块的同步信号输出端分别连接发送数据存储模块和数据发送模块的同步信号输入端。
上述接收FPGA控制器进一步由光电转换模块、数据接收模块、接收数据存储模块、接收数据读取模块、信号再生模块、以及接收存储器控制器组成；光电转换模块的输入端形成接收FPGA控制器的输入端，光电转换模块的输出端连接数据接收模块的输入端，数据接收模块的输出端连接接收数据存储模块的输入端，接收数据存储模块的输出端连接接收存储器控制器的输入端，接收存储器控制器的输出端连接接收数据读取模块的输入端，接收数据读取模块的输出端连接信号再生模块的视频图像信号输入端，信号再生模块的输出端形成接收FPGA控制器的输出端；数据接收模块和接收数据读取模块的同步信号输出端连接信号再生模块的同步信号输入端。
与现有技术相比，本发明利用FPGA和DDR缓存技术，可以实现单根光纤，单个波长、通过自主定义的数据包格式传输一路分辨率高达1080P60的高清视频信号。通过此项技术，传输一路高清视频信号只需要一片FPGA芯片，一片DDR缓存芯片和一个电光转换模块，再搭配上简单的外围电路，将极大的降低设备成本。
附图说明
图1为一种无压缩高清视频传输系统的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
一种无压缩高清视频传输系统，如图1所示，包括发送端和接收端。发送端的输入端输入高清视频信号，发送端的输出端与接收端的输入端相连，接收端的输出端输出高清视频信号。
所述发送端由视频解码器、发送FPGA控制器和发送DDR存储器组成；视频解码器的输出端形成发送端的输入端；视频解码器的输出端连接发送FPGA控制器的输入端，发送FPGA控制器的输出端形成发送端的输出端；发送DDR存储器与发送FPGA控制器相连。发送端负责将视频数据缓存后剔除像素时钟，然后通过Serdes口将每个像素点数据发送到远端。
发送FPGA控制器进一步由图像分析模块、发送数据存储模块、发送数据读取模块、数据发送模块、电光转换模块、以及发送存储器控制器组成。图像分析模块的输入端形成发送FPGA控制器的输入端，图像分析模块的视频图像信号输出端连接发送数据存储模块的输入端，发送数据存储模块的输出端连接发送存储器控制器的输入端，发送存储器控制器的输出端连接发送数据读取模块的输入端，发送数据读取模块的输出端连接数据发送模块的输入端，数据发送模块的输出端连接电光转换模块的输入端，电光转换模块的输出端形成发送FPGA控制器的输出端。图像分析模块的同步信号输出端分别连接发送数据存储模块和数据发送模块的同步信号输入端。
发送端将高清视频信号通过视频解码器转换为并行数字信号，此数字信号包括1路像素时钟、24位色的图像数据、1位行同步信号和1位场同步信号。FPGA利用行场同步信号分辨出每张图像的总起始以及每一行的起始，并计算出每张图像的分辨率信息。然后将每张图像的像素点存放在外部DDR2存储器中相对应的存储位置。然后以行为基本单位依次读出并打包成自定义的帧格式，并在帧头加入视频分辨率、行编号、数据包长度等信息。数据发送单元将接收到的封装好的数据包进行8b/10b编码、并串转换，然后通过FPGA的GTX发送到接收端。
所述接收端由接收FPGA控制器、接收DDR存储器和视频编码器组成；接收FPGA控制器的输入端形成接收端的输入端；接收FPGA控制器的输出端连接视频编码器的输入端，视频编码器的输出端形成接收端的输出端；接收DDR存储器与接收FPGA控制器相连。接收端将收到的每个像素点数据放入到相对应的存储位置，并按照与原图像一致的分辨率恢复出原始图像。
接收FPGA控制器进一步由光电转换模块、数据接收模块、接收数据存储模块、接收数据读取模块、信号再生模块、以及接收存储器控制器组成。光电转换模块的输入端形成接收FPGA控制器的输入端，光电转换模块的输出端连接数据接收模块的输入端，数据接收模块的输出端连接接收数据存储模块的输入端，接收数据存储模块的输出端连接接收存储器控制器的输入端，接收存储器控制器的输出端连接接收数据读取模块的输入端，接收数据读取模块的输出端连接信号再生模块的视频图像信号输入端，信号再生模块的输出端形成接收FPGA控制器的输出端。数据接收模块和接收数据读取模块的同步信号输出端连接信号再生模块的同步信号输入端。
接收端首先将从GTX接收到的数据完成串并转换、8B/10B解码，并恢复出封装好的视频数据包。数据解析单元解析出每张图像数据并记录下行编号，同时记录下图像的分辨率等信息。对于接收到的每张图像数据，需要将其存储在DDR存储器中相对应的存储位置。图像输出单元需要根据解析出的图像分辨率信息产生标准的图像输出时序，包括场同步信号、行同步信号、数据有效信号。根据数据有效信号，从DDR存储器中读取出每一副图像并输出到图像输出端口，再由视频编码芯片实现高清视频信号的发送。
上述系统所实现的一种无压缩高清视频传输方法，其具体包括步骤如下：
(1)发送端：
在发送端需要完成的功能包括：将高清视频信号转换为24位并行数据以及相关的同步信息；根据本发明提出的图像分辨率分析方法解析出输入视频信号的分辨率信息；根据本发明提出的图像数据存储方法完成图像数据的存储、读取；根据本发明提出的数据包格式完成图像数据的封装以及传输，具体实现过程如下：
a)图像信号解码
现在常用的图像信号格式有VGA、DVI和HDMI。各种类型的图像信号在传输前均需转换为并行数字信号，包括像素时钟、行场同步以及24位RGB像素视频图像信号。
b)图像分析
本发明提出了一种图像分辨率分析方法。各种类型的在转换为并行数据后首先需要判段视频图像的分辨率，具体过程为利用像素时钟计算场同步信号的周期，以此判读视频图像的刷新率；计算在一个场同步信号周期内的行同步信号，以得到一幅图像的总行数；计算一个行同步信号的点数，以此计算出每幅图像一行共有的总像素；计算每秒钟的行同步脉冲，以此计算出行同步信号的频率；计算出以上信息后与VESA(Video ElectronicsStandards Association，视频电子标准协会)标准中的相关参数(行计数值、行周期、场计数值、场周期)进行对比就可以判断出图像的分辨率和刷新率等相关信息。
c)图像数据存储以及读取
本发明提出了一种图像数据存储方法，图像数据在传输前需要先存储在DDR颗粒中，每个像素点在DDR颗粒中的存储位置相对固定。本发明提出的图像数据存储方法对于DDR存储器的存储空间首先进行合理划分，具体划分方法如下：
按照图像分辨率的最大宽度和最大行数以及保证每行像素和每幅图像的起始存储位置能够对齐的原则分配每幅图像的存储空间，地址空间分配图如下：
| A27～A24 | A23～A13 | A12～A2 | A1～A0 |
| 页地址空间 | 场地址空间 | 行地址空间 | 像素地址空间 |
其中像素地址空间占2位，行地址空间占11位，场地址空间占11位，其余地址归页地址空间所有。页地址空间根据存储器容量而定，当容量为256MB时占4位。
在存储时首先根据场同步信号确定每幅图像的起始，同时将场地址、行地址、像素地址清0，保证每幅图像地址空间对齐。然后根据行同步信号存储每行像素数据，每存储一行，场地址增加1，当一幅图像存储完后页地址增加1。
数据读取前先确定页地址，读取的页地址为上一幅图像存储的页地址。每行读取最大分辨率宽度的数据。
d)图像数据封装
本发明提出了一种图像数据封装格式。将每行像素数据从DDR颗粒中读取出后封装为本发明提出的包格式，如下所示：
| 2字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 | 2字节 | 1920字节 | 2字节 |
| 同步头 | 场编号 | 行编号 | 包长度 | 图像信息 | 图像数据 | 包尾 |
e)数据传输
图像数据封装好后进入传输单元。首先对待传输数据做8b/10b编码、并串转换后生成一个高速串行信号，然后由一个电光转模块转换为光信号完成光传输。
(2)接收端
在接收端首先将从光纤接收图像数据包，完成图像信息提取提取、图像数据存储以及图像数据恢复等工作，具体过程如下：
a)数据接收
先通过光电转模块将发送端发来光信号转换为高速串行信号，再对高速串行信号进行串并转换和解码后恢复出的封装好的视频数据包。
b)图像信息/数据提取
根据本发明提出的数据包格式，从数据包中提取了图像信息和图像数据。在高速并行数据流中寻找同步头，定位一个数据包的起始。同时为了避免找到伪同步头，需要实时监测接收的数据包，当数据包的起始与结束没有配对时需要重新寻找同步头。当接收到一个完整的数据包后，首先从包头中提取出图像信息，主要是图像的分辨率信息，然后从数据包的数据区域提取出每一行的图像数据。分辨率信息发送给时序控制单元，图像数据发送给图像存储单元。
c)图像数据存储以及读取
本发明提出的图像数据存储方法，接收端与发送端基本一致。接收端将收到的图像数据需要先存储在DDR颗粒中，每个像素点在DDR颗粒中的存储位置相对固定。对于外部存储器的存储空间划分方法如下：
接收端外部存储颗粒的存储空间分配原则与发送端一致。按照图像分辨率的最大宽度和最大行数以及保证每幅图像及其每行像素的起始存储位置能够对齐，为每幅图像分配2048x2048个存储点，支持最大分辨率为2048x2048，为每幅图像分配的地址空间为2048x2048x4，总共16MB字节，地址空间分配图如下：
| A27～A24 | A23～A13 | A12～A2 | A1～A0 |
| 页地址空间 | 场地址空间 | 行地址空间 | 像素地址空间 |
其中像素地址空间占2位，行地址空间占11位，场地址空间占11位，其余地址归页地址空间所有。
当接收到一行图像数据后，先根据场编号确定存储地址的页地址，然后根据行编号确定存储地址的行地址，最后按照顺序将每个像素点存储在对应的地址上。
数据读取前先确定页地址，读取的页地址为上一幅图像存储的页地址，同时根据分辨率信息，在图像时序的控制下，从存储器中读取一行像素数据并缓存到内部FIFO中。
d)图像时序控制
本发明提出的高清无压缩图像传输系统，在接收端根据图像的分辨率信息产生相应的输出时序，根据此时序信号控制图像数据的输出。
本发明采用FPGA和DDR存储芯片完成图像数据的转发，而不需要单独传输高清视频信号的时钟信号。通过此技术可以有效的降低高清视频图像传输的设备成本，同时可以保持原始的图像质量。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种无压缩高清视频传输方法，其特征是，包括步骤如下：
步骤1、发送端将高清视频信号转换为并行数字信号，该并行数字信号包括像素时钟、视频图像信号、行同步信号和场同步信号；
步骤2、利用像素时钟计算场同步信号的周期；计算在一个场同步信号周期内的行同步信号，以得到每幅图像的总行数；计算一个行同步信号的点数，以得到每幅图像一行共有的总像素；将上述所得到的信息与VESA标准中的对应参数进行对比，判断出视频图像信号的分辨率；
步骤3、按照视频图像信号的分辨率的最大宽度和最大行数，以及保证每幅图像及其每行像素的起始存储位置能够对齐的原则，为每幅图像分配发送存储空间；其中每幅图像所分配的发送存储空间包括页地址空间、场地址空间、行地址空间和像素地址空间；
步骤4、视频图像信号发送存储时，先根据场同步信号确定每幅图像的起始，同时将发送存储空间的场地址、行地址和像素地址清0；再根据行同步信号向发送存储空间存储每幅图像的每行像素数据，每存储一行，场地址增加1，当一幅图像存储完后页地址增加1；
步骤5、视频图像信号发送读取时，先确定发送存储空间的页地址，再按照最大分辨率宽度从发送存储空间中读取每行像素数据；
步骤6、将所读取出的每行像素数据按照自定义的帧格式进行封装后成视频图像数据包；其中视频数据包的帧格式如下：
步骤7、对视频图像数据包进行编码和并串转换后生成串行电信号，并将该串行电信号转换为串行光信号后发送至接收端；
步骤8、接收端将接收到的串行光信号进行光电转换为串行电信号，并对串行电信号进行串并转换和解码后恢复出的视频数据包；
步骤9、从每个视频数据包中提取视频图像信号的分辨率、每行像素数据、场编号和行编号；
步骤10、按照视频图像信号的分辨率的最大宽度和最大行数，以及保证每幅图像及其每行像素的起始存储位置能够对齐的原则，为每幅图像分配接收存储空间；其中每幅图像所分配的接收存储空间包括页地址空间、场地址空间、行地址空间和像素地址空间；
步骤11、视频图像信号接收存储时，对于接收到的每行像素数据，先根据所提取的场编号确定存储空间的页地址，再根据所提取的行编号确定存储空间的行地址，后按照顺序将每个像素点存储在对应的像素地址上；
步骤12、视频图像信号接收读取时，先确定接收存储空间的页地址，再根据所提取的视频图像信号的分辨率，在图像时序的控制下，从接收存储空间中读取每行像素数据；
步骤13、根据所提取的视频图像信号的分辨率产生相应的输出时序信号，并根据该输出时序信号对读取出的每行像素数据进行编码后，形成高清视频信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种无压缩高清视频传输方法，其特征是，步骤3为每幅图像所分配的发送存储空间与步骤10中为每幅图像所分配的接收存储空间相同，即：
。
3.实现权利要求1所述方法的一种无压缩高清视频传输系统，包括发送端和接收端，发送端的输入端输入高清视频信号，发送端的输出端与接收端的输入端相连，接收端的输出端输出高清视频信号；其特征是，
所述发送端由视频解码器、发送FPGA控制器和发送DDR存储器组成；视频解码器的输出端形成发送端的输入端；视频解码器的输出端连接发送FPGA控制器的输入端，发送FPGA控制器的输出端形成发送端的输出端；发送DDR存储器与发送FPGA控制器相连；
所述接收端由接收FPGA控制器、接收DDR存储器和视频编码器组成；接收FPGA控制器的输入端形成接收端的输入端；接收FPGA控制器的输出端连接视频编码器的输入端，视频编码器的输出端形成接收端的输出端；接收DDR存储器与接收FPGA控制器相连。
4.根据权利要求3所述的一种无压缩高清视频传输系统，其特征是，发送FPGA控制器进一步由图像分析模块、发送数据存储模块、发送数据读取模块、数据发送模块、电光转换模块、以及发送存储器控制器组成；
图像分析模块的输入端形成发送FPGA控制器的输入端，图像分析模块的视频图像信号输出端连接发送数据存储模块的输入端，发送数据存储模块的输出端连接发送存储器控制器的输入端，发送存储器控制器的输出端连接发送数据读取模块的输入端，发送数据读取模块的输出端连接数据发送模块的输入端，数据发送模块的输出端连接电光转换模块的输入端，电光转换模块的输出端形成发送FPGA控制器的输出端；
图像分析模块的同步信号输出端分别连接发送数据存储模块和数据发送模块的同步信号输入端。
5.根据权利要求3所述的一种无压缩高清视频传输系统，其特征是，接收FPGA控制器进一步由光电转换模块、数据接收模块、接收数据存储模块、接收数据读取模块、信号再生模块、以及接收存储器控制器组成；
光电转换模块的输入端形成接收FPGA控制器的输入端，光电转换模块的输出端连接数据接收模块的输入端，数据接收模块的输出端连接接收数据存储模块的输入端，接收数据存储模块的输出端连接接收存储器控制器的输入端，接收存储器控制器的输出端连接接收数据读取模块的输入端，接收数据读取模块的输出端连接信号再生模块的视频图像信号输入端，信号再生模块的输出端形成接收FPGA控制器的输出端；
数据接收模块和接收数据读取模块的同步信号输出端连接信号再生模块的同步信号输入端。
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