基于HDMI傳輸技術的高清攝像機方案研究

王 磊，徐 鋒（同濟大學，上海 200092）

基于HDMI傳輸技術的高清攝像機方案研究

王 磊，徐 鋒
（同濟大學，上海 200092）

高清視頻傳輸攝像機有圖像分辨率高，無失真，無延遲等優點，越來越廣泛的應用在我們的生產生活中。高清視頻的有效傳輸是該攝像機的核心，也是未來研究的重點方向。HD-SDI和HDMI作為數字信號接口的兩大主要代表，是實現圖像高質量的傳輸的有效媒介，同時也是研究的主要對象。

HDMI；高清；傳輸技術

1　引言

隨著社會經濟的快速進步與發展，人民生活水平不斷提高，視頻監控系統也越來越廣泛的應用在我們的生產生活中，但是傳統監控攝像機的清晰度低、觀察范圍不夠大、觀察范圍內目標不夠清楚，在拍攝記錄和壓縮傳輸等方面都存在一些問題，給治安監控、調查取證等工作帶來一定的困難。

目前在高清視頻應用中主要有4種：基于色差分量等方式的模擬高清、基于以太網進行傳輸的網絡數字高清、基于HDMI/DVI等接口傳輸的數字高清、基于SDI接口的數字高清。由于模擬高清和SDI接口的攝像機受到傳輸介質的限制，不適合應用于安防系統。模擬高清已經趨于淘汰，而HDMI接口的視頻主要用于多媒體設備中。

2　總體設計方案

通過對需求的分析以及成本的控制，將高清無壓縮攝像機整體分為3個部分，分別為圖像采集部分，圖像處理部分，HDMI發送和接收部分。圖1為高清無壓縮攝像機整體框圖。

2.1圖像采集模塊

圖像采集模塊主要是高清 Sensor。目前主要有CMOS和CCD兩種。CCD中文為電荷耦合器件，能夠把光信號轉化為電信號。CMOS中文為互補金屬氧化物半導體。兩者結構雖相似，但又有很多不同特點和應用環境。CCD和CMOS傳感器有以下主要區別：

2.1.1讀取信息方式

圖1　高清無壓縮攝像機整體框圖

CCD和CMOS處理電荷方式不同。CCD傳感器存儲的電荷信息要求在同步信號控制下逐位轉移后再讀取，信號讀取過程較為復雜；CMOS傳感器經行列解碼器直接輸出電壓信號，讀取信號方式十分簡單。

2.1.2功耗

CCD傳感器的電源線路設計更加精密，耗電量較大；CMOS傳感器只需使用一個電源，其內部的感光二極管產生的電荷由晶體管放大輸出，功耗非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8。

2.1.3成像速度

CCD圖像傳感器采用串行方式；CMOS圖像傳感器信號讀出采用X-Y尋址方式，允許以整塊、部分或者單元為單位靈活的讀出數據，從而提高尋址速度，該項性能優于CCD。

2.1.4尺寸

CCD技術很難將光敏單元陣列，驅動電路和模擬數字電路集成在單片機上；而CMOS器件可將光敏元，圖像信號放大器，A/D轉換等電路集成在一塊芯片上。因此CMOS可做尺寸小，功能更強大的圖像傳感器。

2.1.5可靠性

在大部分情況下CCD和CMOS的可靠性并無太大去別，但由于CMOS的集成度高于CCD，管腳數一般較少，因此焊點少，焊接工藝更為可靠。在特殊條件下，CMOS的可靠性高于CCD。

通過對比選擇CMOS Sensor，來自MICRON 公司的MT9P031，輸出可以達到 500萬像素，成像速率為30pfs。

2.2圖像處理單元

在處理器上我們有比較多的選擇，通常我們可以采用 ASIC、DSP、FPGA 或者TI的達芬奇結構（DaVinciTM）。

ASIC為專用集成電路，可以按照用戶的需求而定制，有體積小，可靠性高，保密性高，大批量應用時成本低等優點。

DSP（數字信號處理器）是一種微處理器，這種處理器有專門的硬件結構，使它可以快速進行數字信號處理，因此相對運算速度非常快。但從根本上來說，DSP體系還是串行指令系統，只是對一些固定的運算進行硬件優化，不能滿足多種算法的需要。

FPGA（現場可編程門陣列）是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上發展的產物，是一種被廣泛應用的可編程邏輯器件。FPGA內部包括可配置邏輯模塊CLB、內部連線和輸入輸出模塊IOB三部分。FPGA設計非常靈活，可單獨使用FPGA完成幾乎所有數字器件的功能，對數據進行快速處理。但是這種架構成本相對來說比較高，一般應用于高端場合。

達芬奇結構（DaVinciTM）是一個基于DSP系統的高效的數字視頻/音頻的組件組合。它是一個基于DSP的SOC處理芯片，集成了DSP核和ARM核，既有DSP對數據的高速處理能力又有ARM對外設的強大管理能力的處理器。

目前主流的DaVinci 系列處理器硬件平臺有：

（1）基于 DSP 單核架構處理器平臺，如DM647/648 ，均有類似于FBGA的全面可編程性，性能處于業界領先，應用于數碼攝像機（DVR）、IP 視頻服務器以及高性能影像應用等。

（2） 基 于 DSP+Cortex-A8 多 核 架 構 處 理 器 平 臺， 如DM8167/8168系列。高性能 DM81x 器件提供廣泛的視頻功能，包括單一高性能 1080p60 fps 視頻流、三個同步 720p30 fps 視頻流或多個 3瓦低分辨率流，可以構建消費類和醫療視頻應用，以視頻為中心的系統需要較少的視頻流即可在多達三個獨立顯示屏上同步捕捉、編碼、解碼和分析多個視頻流。

（3）基于 ARM+Codec 硬件加速器架構處理器平臺，如DM365/368 等。

通過需求和成本考慮，選擇基于達芬奇結構的TDMS320DM368為圖像處理器，是基于 ARM+Codec 硬件加速器架構處理器平臺。DM368以432-MHz 為主頻的ARM926EJ-S為內核，可滿足1080P30fps視頻，有兩個視頻處理器引擎：HDVICP，MJCP；多種視頻處理子系統：高速人臉識別系統；從1/16倍至8倍縮放引擎；16位并行AFE（模擬前端）接口，頻率高達120 MHz；4:2:2 （8-/16-bit） 接口；用于模擬高清視頻輸出的3路高清數模轉換器等。

2.3HDMI發送和接收部分

HDMI（High Defnition Multimedia Interface）是一種數字化的影像和音頻接口［13］，可傳送未經壓縮的音頻和影像信號，最高數據傳輸速度為2.25GB/s。HDMI的設計初衷是取代RCA和SCART老式接口的。它支持各種電視影像格式，包括SDTV和HDTV視頻格式，同時可傳輸多聲道音頻。HDMI也支持非壓縮的8聲道數碼音頻，以及任何壓縮音頻如DTS以及SACD所用的8聲道1bit DSD信號。HDMI可搭配HDCP（寬帶數字內容保護），以防止合法的影音內容遭到非法的復制和利用。

Silicon Image是HDMI標準先驅者，它出產的芯片在實際應用中可保證質量和效果。同時TI生產的HDMI接收器TPD12S421成本低，可支持HDMI1.3版本，能和Sil9022配合使用，并能保證質量。

3　本章小結

本章進行了高清無壓縮攝像機系統總體方案設計，從三個核心系統進行需求分析并選型。首先對比了CCD和CMOS傳感器的優劣，從實際應用角度和需求出發，從各個角度比較分析后使用CMOS圖像傳感器MT9P031。其次通過對比目前應用領域的圖像處理器，確定使用以達芬奇結構為核心的TMS320DM368核心處理器。最后確定了HDMI發送器和接收器。對比成本、開發難度和需求，選擇了Sil9022為發送器，TPD12S421為接收器。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.206