基于Hi3516D 的圖像采集壓縮系統的設計

曹飛，甄國涌，陳建軍

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051）

隨著時代的發展，視頻監控技術已經廣泛應用在各行各業，而且高速率、高清化、高壓縮率成為新發展要求[1]。實際應用中的圖像數據量比較龐大，如果不加優化處理直接存儲本地，將導致存儲資源非常緊張[2]。例如典型的監控系統CIF 格式視頻，分辨率為352×288，一般為RGB24 位圖像深度、幀頻25 fps，記錄一小時需25 GB 的存儲資源。若同等情況下記錄1080P 視頻，則需約1.22 T 的容量，普通的存儲設備難以滿足要求。而且在一些特殊領域，例如航天航空、無人機等，存儲資源和傳輸鏈路帶寬是無法完全滿足要求的，必須要將圖像數據經過壓縮處理[3-4]。所以在圖像采集處理和存儲過程中，壓縮編碼已不可或缺，壓縮損傷少、壓縮比高的編碼算法尤為重要，具有重要的現實意義。

為了滿足嵌入式設備中日益增長的高速、高清、高壓縮率圖像傳輸的要求，該設計采用高動態CMOS 圖像傳感器作為圖像捕獲前端，集成H.264 壓縮硬核的高性能ARM 芯片作為圖像采集傳感器，高效率的DC/DC 電壓芯片作為電壓模塊，設計了一種高性能的圖像采集壓縮系統。

1 總體方案設計

系統設計方案如圖1 所示，整體分為四大模塊：圖像采集模塊、控制模塊、存儲模塊、通信模塊。圖像采集模塊采用AR0230CS CMOS 傳感器，其相關寄存器通過I2C 接口配置，使輸出8 位數字圖像數據；控制模塊采用海思公司的Hi3516D 芯片，對CMOS圖像數據進行采集、H.264 編碼壓縮等處理，同時接收通信模塊下發的命令來重新配置系統的幀率、分辨率等參數；存儲模塊使用16 bit 的DDR3 和256MB的SPI NOR FLASH，其中DDR3 用作嵌入式板端Linux 系統的運行空間，FLASH 用作存放引導Linux啟動的uboot、內核鏡像、文件系統等必要文件，FLASH 的啟動模式通過硬件電路配置為3 bytes 地址模式；通信模塊的協議采用TCP、百兆以太網接口，將編碼輸出的圖像數據送至PC 端上位機顯示、存儲，也可以將上位機的圖像配置參數下發到控制模塊，滿足多種圖像格式的應用需求。

圖1 總體方案設計

2 系統硬件電路設計

2.1 ARM硬件設計

Hi3516D 是海思開發的一款專業高端SOC 芯片，定位于高清IPCamera 產品應用，擁有先進低功耗架構設計和低功耗工藝。處理器內核采用ARM Cortex A7，時鐘頻率600 MHz，最大能力支持5M Pixel輸入，1080P@60fps輸出[5-6]。其優異編碼圖像質量、H.264 多碼流編碼性能，在滿足不同的IPCamera產品需求、性能、圖像質量要求的同時，可極大降低ebom 資源。這一切使得Hi3516D 在低功耗、高圖像質量、高壓縮率方面表現優異，因此該系統設計采用高性能的Hi3516D 作為主控芯片。

2.2 CMOS傳感器硬件電路設計

該設計在最大輸出能力1080P 分辨率的前提下，為了降低系統的功耗、增加圖像動態范圍，采用了低功耗、高動態的CMOS 圖像傳感器AR0230CS作為圖像捕獲前端。AR0230CS 是一款1/2.7 英寸CMOS 數字圖像傳感器，有源像素陣列為1 920 H×1 080 V，在此分辨率下輸出最大幀頻為60 fps。它專為低光和高動態范圍的場景性能而設計，最大動態范圍達96 dB，信噪比達41 dB。COMS 為了降低功耗，芯片工藝上采用一個晶體管只采樣一個顏色分量的方法，利用差值計算相鄰像素的值，這樣同時也簡化了原始圖像的數據大小。

圖2 為AR0230CS 與Hi3516D 的硬件連接圖[7]。AR0230CS 可以使用HiSPi 接口傳輸數據，Hi3516D通過自身集成的MIPI_RX 控制器接收圖像數據。AR0230CS 圖像傳感器采用Hi3516D 輸出的27 MHz作為輸入時鐘；SDATA 信號為I2C 的雙向數據線、SCLK 信號為I2C 的時鐘線，Hi3516D 通過 這兩條總線對AR0230CS 寄存器進行配置，主要配置的功能寄存器有寬動態模式選擇、圖像大小、曝光時間等參數。MIPI_RX 接口包含1 組差分時鐘線MIPI_CLK和4 組數據差分線MIPI_DATA，MIPI_RX 底層數據包包含短包和長包數據，短包用來同步，長包用來傳送數據，這樣硬件上省去了幀同步和行同步硬件連接[8-9]。RESET_BAR 為復位信號，當抓拍或視頻采集功能重啟時，Hi3516D 需要對AR0230CS 進行復位操作，寄存器清零，再次配置。在PCB 設計上，AR0230CS 為敏感元件，器件布局與Hi3516D 需相隔較大距離，避免集中散熱。

2.3 電源硬件電路設計

該設計獲取外部5 V 直流輸入供電、內部兩級降壓模式，首先通過電源轉換芯片MP2122 將5 V 轉化為3.3 V、1.1 V 供ARM 使用，1.5 V 供DDR3 使用，然后通過電源芯片TPS82084 將3.3 V 轉換為1.8 V、2.8 V，供圖像傳感器使用。圖3 為一路電源芯片MP2122 的硬件電路圖。

圖2 AR0230CS與Hi3516D的硬件連接圖

圖3 MP2122硬件電路圖

由于輸出電源支路較多，故使用了高性能的電源芯片。其中MP2122 是一款效率高達93%的DC/DC降壓芯片，具有2.7～6 V寬動態輸入，雙路2 A PWM輸出，開關頻率為固定1 MHz，靜態電流為45 μA，使得MP2122 為整體系統提供了穩定、低功耗的電源保障。而TPS82084 是一款效率高達95%的DC/DC 降壓芯片，具有2.5～6 V 寬動態輸入，靜態電流為17 μA，優勢是自身集成了電感，可以簡化設計、減少外部元器件并節省PCB 面積，為圖像傳感器所處的特殊位置提供了空間便利。

MP2122 輸出電壓可以通過R3、R5動態調節，調整結果為該設計中需要輸出電壓為1.1 V，根據計算及芯片手冊推薦值可得R1=12.7 kΩ、R2=12.7 kΩ。

由于輸入電源中存在紋波干擾，因此須在電源電路的輸入端和電源地之間并聯加入0.1μF和10 μF電容（C1、C2）以減少外部的高低頻擾動。同時為了保證電源電壓減小輸出紋波、穩定輸出，輸出端串聯2.2 μH 電感（圖3 的L1、L2），并聯0.1 μF、10 μF 電容（圖3 的C5、C6和C7、C8）。在PCB 的設計上，電源全部使用整平面層供電，所以每個濾波電容需要緊靠電源管腳放置，盡量減小寄生電感的產生。且電源芯片周圍盡量多敷銅，以增強PCB 板的有效散熱。

3 軟件設計

3.1 圖像采集軟件實現

Hi3516D 內部集成圖像捕獲單元,可以接收HiSPi 等MIPI_Rx 接口的圖像信號，采集之前需要配置VI 輸入接口類型為HiSPi 的1080P 圖像輸入，即修改程序為stViConfig.enViMode=SAMPLE_VI_MODE_ HiSPi _1080P。系統在進行緩存池配置和MPP（海思多媒體軟件平臺）初始化后，圖像數據開始輸入[10-12]。

圖像輸入程序流程如圖4 所示，首先打開MIPI接口設備文件，將接口模式配置成HiSPi 模式，設置VI_DEV_ATTR_S 結構體，其中包含圖像輸入設備屬性（HI_MIPI_VI_SetDevATTR 接口）、圖像分辨率（寬、高度參數為stDevAttr.stDevRect.u32Width 和stDevAttr.stDevRect.u32Height）等圖像信息，調用HI_MIPI_VI_EnableDev 函數啟動圖像輸入設備；然后定義并設置結構體變量VI_CHN_ATTR_S，這個結構體定義了圖像輸入通道屬性，主要包含逐行掃描、目標圖像的大小、像素格式等配置，調 用API 接口HI_MIPI_VI_EnableChn 函數啟動圖像物理通道。至此，圖像輸入模塊結束，將采集到HiSPi 接口的圖像數據送至下一模塊。

圖4 圖像輸入流程圖

3.2 圖像壓縮軟件實現

Hi3516D 內部集成了一個H.264 硬件編解碼器，圖像編碼程序流程如圖5 所示。首先，定義并設置結構體變量VENC_CHN_ATTR_S，這個結構體定義了通道屬性，包含編碼器屬性配置（VENC_ATTR_S）、圖像寬度高度等信息；然后，調用函數HI_MIPI_VENC_CreateChn 創建H.264 編碼通道，并調用函數HI_MIPI_VENC_StartRecvPic 開始接收圖像；最后，調用HI_MIPI_SYS_Bind 函數將VPSS（圖像處理模塊）通道與編碼通道綁定在一起，用于創建線程接收H.264 壓縮碼流[13-15]。至此，圖像編碼模塊結束，將壓縮完的圖像數據保存到本地或者通過傳輸接口送至外部。

圖5 圖像編碼流程圖

4 結果分析及驗證

4.1 圖像質量測試

該測試采用客觀評價標準PSNR（峰值信噪比）來分析圖像質量，PSNR 越高，質量越好。通常來講，PSNR 值大于28 dB 時，圖像質量無明顯差異，處于[35 dB,40 dB]區間時，人眼已分辨不出圖像之間的差異[16-17]。具體采用FFmpeg 軟件將VENC 模塊編碼輸出的H.264 文件轉換成VI 模塊采集輸出的YUV文件，再通過Matlab 軟件計算H.264 文件相對YUV文件的PSNR 值。

文中測試選取了4 種典型分辨率、幀頻25 fps、兩種拍攝畫面（實驗室的普通活動、網絡視頻的激烈打斗畫面），每種情況分別計時15 min、30 min、45 min，最后得出PSNR 平均值，統計情況如表1 所示。

表1 多種分辨率、不同場合的PSNR 測試

分析表1 可知，該系統對于平緩畫面的壓縮質量較劇烈畫面更好，而且每種情況下的PSNR 都處于[36 dB，37 dB]區間，客觀表明本采集壓縮系統圖像質量良好，符合較高的實際需求。系統采集壓縮后的圖像如圖6 所示。

4.2 壓縮比測試

根據4.1 節的測試條件，計算壓縮比=YUV 文件大小/H.264 文件大小，結果如表2 所示。

分析表2 可知，該系統對于劇烈畫面的壓縮比較平緩畫面更高，因為劇烈畫面的PSNR 要低于平緩畫面，導致可能存在丟幀現象，所以壓縮后的劇烈畫面文件大小較小。整體平均壓縮比大于150∶1（YUV文件大小∶H.264 文件），壓縮性能良好。

圖6 1 920×1 080分辨率的系統輸出圖片

表2 多種分辨率、不同場合的壓縮比測試

5 結束語

文中設計采用高動態AR0230CS 圖像傳感器作為圖像捕獲前端、集成H.264 壓縮硬核的高性能Hi3516D 芯片作為控制核心、高效率的電源模塊，支持多種分辨率，最大輸出能力為1 920×1 080@30fps，重建圖像序列平均PSNR 大于36 dB，圖像清晰流暢、穩定可靠，存儲文件壓縮比大于150∶1，較大地節省了存儲資源，滿足較高的嵌入式實際應用需求。