專利名稱：便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視頻圖像處理及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種主要應(yīng)用于高速移動(dòng)載體對(duì)外界動(dòng)態(tài)圖像的采集及回傳的高清視頻信號(hào)的采集及遠(yuǎn)距離傳輸裝置。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線視頻傳輸技術(shù)也取得了迅猛發(fā)展，無(wú)線視頻傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，這對(duì)視頻圖像傳輸?shù)膸捄蛯?shí)時(shí)性提出了更高的要求。無(wú)線圖像傳輸即視頻實(shí)時(shí)傳輸，主要有兩個(gè)概念一是高清視頻的壓縮處理，即視頻壓縮；二是移動(dòng)中寬帶傳輸，即移動(dòng)寬帶通信。因此，研制能夠在高速移動(dòng)過(guò)程中將頻帶很寬的高清晰度視頻進(jìn)行穩(wěn)定傳輸?shù)臒o(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)，就要解決二個(gè)主要問(wèn)題一是高清晰度下，壓縮比盡可能低的視頻壓縮算法；二是高穩(wěn)定度的高速數(shù)據(jù)通信。而在現(xiàn)有的無(wú)線應(yīng)用中，視頻壓縮編碼以MPEG2/4、H. 261/263等為主。其中高質(zhì)量圖像(標(biāo)準(zhǔn)PAL/NTSC制式的分辨率不小于720 X 576) 一般以MPEG2編譯碼居多，平均碼流為 10Mbps。中國(guó)專利CN 102185624A公開(kāi)了一種用于音視頻傳輸?shù)臒o(wú)線信號(hào)發(fā)送接收器，無(wú)線信號(hào)發(fā)送裝置將輸入的視頻信號(hào)送至視頻解碼電路，再由MPEG-2視頻格式壓縮電路對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼。這種無(wú)線信號(hào)發(fā)送接收器的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，視頻壓縮處理模塊可靠性高且成本可控，但其視頻碼流高，對(duì)與后端無(wú)線傳輸模塊的數(shù)據(jù)傳輸速度要求高， 限制了視頻分辨率。當(dāng)前市面產(chǎn)品的圖像分辨率及傳輸距離指標(biāo)參數(shù)較低，難以滿足新條件下系統(tǒng)對(duì)畫面質(zhì)量及通信距離的要求。市面現(xiàn)有設(shè)備多是通過(guò)GPRS/TD-SCDMA/WCDMA等第二、三代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，其技術(shù)手段成熟，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度快，但目前其最高纊3Mbps的上行傳輸速率限制了視頻分辨率的提升，且受制于基站分布及高通信成本，不能在荒野、嚴(yán)重自然災(zāi)害地區(qū)可靠工作，進(jìn)一步限制了其應(yīng)用環(huán)境。在具有較多阻礙物的場(chǎng)所中，現(xiàn)有的高頻無(wú)線信號(hào)傳輸設(shè)備發(fā)送無(wú)線信號(hào)繞射差，通信成本高，且高功率無(wú)線信號(hào)傳輸設(shè)備會(huì)給人體帶來(lái)一定的損害。同時(shí)受制于視頻壓縮效率，在當(dāng)前傳輸技術(shù)手段下的回傳圖像分辨率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題是提供一種單工的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)及其方法。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)，圖像采集接口、圖像壓縮模塊、COFDM無(wú)線發(fā)射端模塊、COFDM無(wú)線接收端模塊、圖像解碼模塊及視頻輸出接口。所述的圖像采集接口與(XD\CM0S傳感器或攝像機(jī)設(shè)備的輸出口連接；圖像壓縮模塊采用STM320DM36X系列芯片作為核心處理器，并設(shè)置有存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的SDRAM，核心處理器的SPI接口與COFDM無(wú)線發(fā)射端模塊的對(duì)應(yīng)SPI接口相連。所述的圖像解碼模塊采用內(nèi)置HDVICP的STM320DM36X系列芯片作為核心處理器， COFDM無(wú)線接收端模塊的SPI接口與核心處理器的SPI接口相連，圖像解碼模塊設(shè)置有存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)信息的SDRAM。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是
本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)在有限的無(wú)線帶寬條件下實(shí)現(xiàn)了 720P 高清圖像的遠(yuǎn)距離傳輸，且發(fā)射端裝置具有質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)，便于在載重有限的移動(dòng)設(shè)備上的擴(kuò)展應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的視頻采集發(fā)射端的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的接收服務(wù)器端的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的無(wú)線通信鏈路模塊的工作原理圖； 圖中主要標(biāo)號(hào)說(shuō)明
1.圖像采集接口2.圖像壓縮模塊
3. COFDM無(wú)線發(fā)射端模塊 4. COFDM無(wú)線接收端模塊 5.圖像解碼模塊6.視頻輸出接口。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)及其方法，包括視頻采集發(fā)射端、接收服務(wù)器端和無(wú)線通信鏈路模塊。視頻采集發(fā)射端利用H. 264/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采集到的視頻進(jìn)行高壓縮比壓縮，并對(duì)開(kāi)源的X. 264算法進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足無(wú)線視頻傳輸對(duì)視頻流的低延時(shí)、低碼率要求。采取針對(duì)COFDM技術(shù)相適應(yīng)的視頻碼流分割，在信道編碼中加入獨(dú)立的ERC (前向糾錯(cuò))，以更好地適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下傳輸信道的誤碼干擾，提高系統(tǒng)的魯棒性，以增強(qiáng)系統(tǒng)畫質(zhì)的穩(wěn)定性。圖1是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的視頻采集發(fā)射端的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖ι所示，視頻采集發(fā)射端由圖像采集接口、圖像壓縮模塊及COFDM無(wú)線發(fā)射端模塊三部分組成。所述的圖像采集接口與(XD\CM0S傳感器或攝像機(jī)設(shè)備的輸出口連接。圖像壓縮模塊的核心處理器使用STM320DM36X系列芯片，采集連接在圖像采集接口上的攝像機(jī)或 CXD芯片數(shù)據(jù)得到720P視頻碼流，利用視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)中的視頻處理，VPSS中的視頻處理前端(VPFE)利用圖像傳感器接口(ISIF)對(duì)由傳感器得到的視頻流進(jìn)行控制及參數(shù)設(shè)置等預(yù)處理，再由可編程的圖像通道(IPIPE)將從(XD/CM0S裸數(shù)據(jù)到Y(jié)CbCr-4:2:2或 YCbCr-4:2:0數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道存儲(chǔ)在SDRAM中，再由HDVICP(高清編解碼協(xié)處理器)通過(guò)DMA(直接內(nèi)存存取)方式傳輸視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理。DM36x中的HDVICP對(duì)YUV格式視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，壓縮算法使用H. 264標(biāo)準(zhǔn)。 H. 264中采用預(yù)測(cè)變換、量化編碼和統(tǒng)計(jì)編碼的方式來(lái)消除前端采集的視頻信息中的冗余信息首先，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)消除相鄰幀間存在的時(shí)間冗余。再對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的殘差進(jìn)行整數(shù)變換消除空間冗余。接下來(lái)對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行量化來(lái)消除視覺(jué)冗余，最后對(duì)量化后的系數(shù)以及運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行熵編碼消除統(tǒng)計(jì)冗余，最終得到標(biāo)準(zhǔn)的壓縮碼流。得到的標(biāo)準(zhǔn)視頻碼流通過(guò)DMA控制器轉(zhuǎn)送至全雙工的SPI接口(串行外圍接口)， SPI接口與COFDM模塊的對(duì)應(yīng)SPI接口相連，DM36xSPI接口的CLK線工作頻率最高設(shè)置為 20MHz,以滿足視頻碼流的傳輸速率調(diào)節(jié)要求，視頻流包長(zhǎng)為188字節(jié)。接收服務(wù)器端按照H. 264/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通信模塊端收到的圖像碼流進(jìn)行解碼， 最后生成YCbCr-4:2:0標(biāo)準(zhǔn)的720P數(shù)字視頻序列，并利用VGA接口將視頻輸出到高清顯示設(shè)備端。圖2是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的接收服務(wù)器端的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，接收服務(wù)器端由COFDM無(wú)線接收端模塊、圖像解碼模塊及視頻輸出接口三部分組成。壓縮視頻流通過(guò)COFDM無(wú)線接收端模塊傳回到圖像解碼模塊，圖像解碼模塊的處理器仍為DM36x，其與COFDM的接口為SPI，DM36x利用DMA將從SPI 口傳過(guò)來(lái)的TS流寫入 SDRAM的空間。視頻壓縮碼的解碼工作由DM36x內(nèi)置的HDVICP完成。HDVICP在圖像信息的頻域到時(shí)域的轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用離散余弦逆變換(IDCT)的整數(shù)變換，將一維的視頻流轉(zhuǎn)換為4X4 的圖像塊，再由數(shù)個(gè)4X4的圖像塊組成720P的圖像畫面。HDVICP收到的第一幀是IDR (瞬時(shí)解碼刷新)圖像。其由重建的空間幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式所指定，并通過(guò)加入預(yù)測(cè)誤差幀。后續(xù)的幀可能是幀內(nèi)或幀間編碼的結(jié)果。解碼器在解碼的同時(shí)，在重建前一幀圖像的運(yùn)動(dòng)估值的位置加入幀內(nèi)預(yù)測(cè)的殘差結(jié)果。重復(fù)此過(guò)程，直到得到整個(gè)連續(xù)的解碼比特流。HDVICP最終輸出的是YCbCr-4 2 0序列，最后由DM36x自帶的ADC模塊轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，接入到高清顯示設(shè)備以顯示最終的實(shí)時(shí)高清畫面。但注意，本發(fā)明中的終端顯示輸出不局限于模擬輸出。需要說(shuō)明的是，由于系統(tǒng)對(duì)傳輸?shù)囊曨l信號(hào)有高實(shí)時(shí)性的要求，在高清圖像傳輸裝置的發(fā)射端及接收端中的DM36x處理器都使用了 Montavista Linux高實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)的硬件工作核心是ARM926EJ-S，操作系統(tǒng)及內(nèi)核是通過(guò)交互的結(jié)構(gòu)組件(Framework Component，簡(jiǎn)稱FC)來(lái)操作H. 264編碼器的，F(xiàn)C作為一個(gè)操作系統(tǒng)和編解碼器之間的軟件接口，系統(tǒng)通過(guò)預(yù)定義的應(yīng)用程序編程接口來(lái)管理與內(nèi)核交互的資源與內(nèi)存。在本發(fā)明中，ARM核心是嚴(yán)格按照eXpressDSP數(shù)字媒體標(biāo)準(zhǔn)及算法接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)調(diào)用 HDVICP進(jìn)行高清視頻的編解碼工作。無(wú)線通信鏈路模塊建立基于COFDM技術(shù)的無(wú)線高速通信鏈路，確保在可視條件下 50km、非通視條件下5km范圍內(nèi)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。為克服高速(>150km/h)移動(dòng)中由于多普勒頻移及信道快速變化導(dǎo)致通訊障礙，提出了針對(duì)無(wú)線信道的瑞利衰落效應(yīng)的COFDM中交織器的Turbo碼改進(jìn)方案，可有效改善噪聲影響，提高無(wú)線信道的抗衰落、抗干擾能力。使其能夠抵抗多徑效應(yīng)導(dǎo)致的信號(hào)衰落，提高通信穩(wěn)定性，以便于擴(kuò)展無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)在便攜、低功耗、高速移動(dòng)等苛刻環(huán)境下的廣泛應(yīng)用。圖3是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的無(wú)線通信鏈路模塊的工作原理圖。如圖3所示，無(wú)線通信鏈路模塊采用了編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)(COFDM)，系統(tǒng)是由COFDM 發(fā)送端與COFDM接收端構(gòu)成的高速單工通信鏈路，并使用了針對(duì)無(wú)線信道的瑞利衰落效應(yīng)的COFDM中交織器的Turbo碼改進(jìn)方案，可有效改善噪聲影響，提高無(wú)線信道的抗衰落、抗干擾能力。本發(fā)明在COFDM信號(hào)調(diào)制過(guò)程中提供穩(wěn)定的視頻信息相關(guān)的載波恢復(fù)和幀同步恢復(fù)，對(duì)載波和同步偏移也能夠適時(shí)跟蹤校正，因此采用插入導(dǎo)頻和參考信號(hào)的方法。針對(duì)本發(fā)明中選用的COFDM信道調(diào)制方案，在多徑信道的選取中，對(duì)于不同延遲和不同回波幅度下16-QAM調(diào)制方式的COFDM傳輸系統(tǒng)的性能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。由于有足夠保護(hù)間隔會(huì)使回波在下一符號(hào)到來(lái)時(shí)終止，回波延遲不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，減小了由多徑效應(yīng)引起的符號(hào)間干擾?；夭ǚ纫矔?huì)影響系統(tǒng)的性能，在保護(hù)間隔足夠的情況下，回波同時(shí)會(huì)對(duì)當(dāng)前符號(hào)產(chǎn)生影響。在誤碼率為10-4時(shí)，多徑的幅度參數(shù)B從0. 25增加到0. 4 時(shí)將會(huì)有3dB的損失，所以在本COFDM傳輸模塊解調(diào)過(guò)程中通過(guò)加入信道均衡的方式來(lái)削弱回波的干擾。另外通過(guò)引入保護(hù)間隔，來(lái)改善信噪比，當(dāng)保護(hù)間隔比回波延遲大時(shí)，信道性能會(huì)有較大改善。當(dāng)無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)高速移動(dòng)時(shí)，無(wú)線信道的衰落現(xiàn)象加重，嚴(yán)重影響系統(tǒng)接收端的接收信號(hào)質(zhì)量，影響了通信的可靠性，為了支持視頻等多媒體通信，應(yīng)采用合適的糾錯(cuò)技術(shù)。在無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的調(diào)制模塊中，傳統(tǒng)的OFDM的調(diào)制方式有卷積編碼 (CC)方式和網(wǎng)格狀編碼(TCM)方式，本發(fā)明中將Turbo碼與COFDM調(diào)制結(jié)合起來(lái)確保了系統(tǒng)的性能抗干擾能力。針對(duì)復(fù)雜的無(wú)線電磁環(huán)境，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度要比傳統(tǒng)的TC-OFDM小， 這有效改進(jìn)了高清圖像COFDM傳輸系統(tǒng)中信道編解碼方案。顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的基本原理，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以根據(jù)設(shè)備的用途不同做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)，包括圖像采集接口、圖像壓縮模塊、COFDM無(wú)線發(fā)射端模塊、COFDM無(wú)線接收端模塊、圖像解碼模塊及視頻輸出接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像采集接口與(XD\CM0S傳感器或攝像機(jī)設(shè)備的輸出口連接；圖像壓縮模塊采用STM320DM36X系列芯片作為核心處理器，并設(shè)置有存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的SDRAM，核心處理器的SPI接口與COFDM 無(wú)線發(fā)射端模塊的對(duì)應(yīng)SPI接口相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)，其特征在于圖像解碼模塊采用內(nèi)置HDVICP的STM320DM36X系列芯片作為核心處理器，COFDM無(wú)線接收端模塊的SPI 接口與核心處理器的SPI接口相連，圖像解碼模塊設(shè)置有存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)信息的SDRAM。
4.一種權(quán)利要求1所述的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)的圖像傳輸方法，其特征在于，該方法包括如下步驟視頻采集發(fā)射端利用H. 264/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采集到的視頻進(jìn)行高壓縮比壓縮，壓縮過(guò)程采用開(kāi)源的X. 264算法，并對(duì)X. 264算法進(jìn)行了改進(jìn)，即采取針對(duì)COFDM技術(shù)相適應(yīng)的視頻碼流分割，固定碼流長(zhǎng)度為188字節(jié)，以在信道編碼中加入獨(dú)立的ERC進(jìn)行前向糾錯(cuò)，使壓縮后的圖像數(shù)據(jù)滿足無(wú)線視頻傳輸對(duì)視頻流的低延時(shí)、低碼率要求；無(wú)線通信鏈路采用編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)，針對(duì)無(wú)線信道的瑞利衰落效應(yīng)的COFDM中交織器采用了 Turbo碼改進(jìn)方案，在實(shí)施中將固定長(zhǎng)度為188的H. 264視頻碼流序列I輸入到編碼器，PAD將/7-188個(gè)尾比特加到碼流序列之中，產(chǎn)生長(zhǎng)度為的碼組G ；這個(gè)比特的碼元并行地被輸入到交織器的遞推系統(tǒng)卷積碼(RSC)的編碼單元中； 每個(gè)編碼單元輸出一個(gè)校驗(yàn)序列G，輸入序列和G和各個(gè)RSC編碼單元的輸出序列G、 C2并行級(jí)聯(lián)， 和C2經(jīng)過(guò)刪余器周期性地刪除一些校驗(yàn)位，形成校驗(yàn)序列Γ，G和Γ經(jīng)過(guò)復(fù)用轉(zhuǎn)換生成Turbo碼序列C作為等待傳輸?shù)囊曨l碼流；在多徑信道的選取中，對(duì)于不同延遲和不同回波幅度下16-QAM調(diào)制方式的COFDM傳輸系統(tǒng)的性能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整；接收服務(wù)器端按照H. ^4/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通信模塊端收到的圖像碼流進(jìn)行解碼，最后生成YCbCr-4:2:0標(biāo)準(zhǔn)的720P數(shù)字視頻序列，并利用視頻輸出接口將視頻輸出到高清顯示設(shè)備端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)，包括圖像采集接口、圖像壓縮模塊、COFDM無(wú)線發(fā)射端模塊、COFDM無(wú)線接收端模塊、圖像解碼模塊及視頻輸出接口。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明的便攜式無(wú)線高清圖像傳輸系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)在有限的無(wú)線帶寬條件下實(shí)現(xiàn)了720P高清圖像的遠(yuǎn)距離傳輸，且發(fā)射端裝置具有質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)，便于在載重有限的移動(dòng)設(shè)備上的擴(kuò)展應(yīng)用。
文檔編號(hào)H04N7/50GK102547284SQ20121000159
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者劉瑞安, 張君生, 張咪咪, 王磊, 馬勝濤 申請(qǐng)人:天津師范大學(xué)