一種具有輸出高清三碼流攝像機及視頻碼流複合方法
2023-04-28 06:56:36 3
專利名稱：一種具有輸出高清三碼流攝像機及視頻碼流複合方法
技術領域：
本發明涉及視頻監控領域的攝像機技術和光纖通信領域的光纖接入技術，尤其涉及一種具有輸出高清三碼流攝像機及視頻碼流複合方法。
背景技術：
目前，高清視頻監控用攝像機主要有2類:高清IP攝像機，高清HD-SDI攝像機。高清IP攝像機通過IP網絡傳輸H.264壓縮的高清視頻流。高清IP視頻的優點是IP網絡非常普及，組網方便靈活，實用性強。但是高清IP視頻也存在一些不盡人意之處: 1.從模擬系統升級至IP系統代價大 雖然IP設備的良好的管理性和很好的擴展性是一大優勢，但是從真正構建這樣一個管理系統，特別是對現有主要是以模擬為主的安防系統解決方案來說，需要投入較大的人力和物力成本。目前的安防方案有絕大多數還是基於模擬系統。那麼如果從模擬系統升級到IP系統的話，存在著重新布線，重新投入硬體資源，人員重新培訓的各種困難。
2.技術上仍有瑕疵 其一，利用IP傳輸的高清視頻是通過H.264壓縮的視頻數據，其後端再也無法得到原始的高清圖像，在某些需要保存高清原始圖像或圖像清晰度要求要求較高的應用場合，則無法得到滿足。其二，高清IP圖像在進行H.264壓縮編碼-解碼的過程，會帶來一定的延遲(200ms左右)，而且，IP網絡本身也還存在延時問題，這造成對於某些對圖像實時性要求很高的場合則無法滿足。例如，在捕捉高速移動車輛的車牌目標時，由於200 - 300ms的延時，PTZ控制難以精準操控，很難捕捉目標。
為解決上述問題，市場上出現了高清HD-SDI攝像機。這類攝像機從設計之初就考慮了如何解決當時IP系統帶來的種種問題，簡單來說，主要有以下幾點優勢:1.不失真可靠度高=HD-SDI的數位訊號流是未經壓縮的格式在同軸電纜上傳輸，不像IP的壓縮後傳輸會產生圖象延遲、拖尾或掉幀，可靠度較高。
2.無延時，支持視頻信號高速率、幾乎零延時的傳輸，而普通的IP攝像機，由於需要對數據封裝、編碼等原因，導致延時較大。HD-SDI是實時監控較好的方案。採用HD-SDI攝像機雖然很好地解決了視頻損傷和延時問題，但同時也帶來了另外的問題，那就是HD-SDI數據流帶寬達1.485G，無法進行直接存儲，也沒有辦法直接進入IP網絡進行聯網。這就造成採用高清HD-SDI攝像機的監控系統還需在監控中心配置高清視頻編碼器進行壓縮編碼，這不但造成監控中心設備複雜，而且也大大提高了高清監控系統的造價。發明內容
針對上述技術缺陷，本發明提出一種具有輸出高清三碼流攝像機及視頻碼流複合方法。
為了解決上述技術問題，本發明的技術方案如下:一種具有輸出高清三碼流攝像機，包括高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊，還包括複合碼流的輸出模塊，所述複合碼流的輸出模塊分別連接高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊。
進一步的，所述複合碼流的輸出模塊將高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊中輸出的IP數據填入高清HD-SDI視頻碼流輸出模塊輸出的HD-SDI信號冗餘字節中，從而形成複合碼流。
進一步的，還包括電光轉換模塊，所述電光轉換模塊連接所述複合碼流的輸出模塊之後，將所述複合碼流電信號轉換為複合碼流光信號。
進一步的，還包括接收裝置，所述接收裝置包括光電轉換模塊行和解碼模塊，所述光電轉換模塊將複合碼流光信號轉換成複合碼流電信號，所述解碼模塊從複合碼流電信號的冗餘字節中提取IP數據。
一種將高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流複合方法，複合方法包括如下步驟: 41)將MII/RMII信號轉化為8bits數據，Ibit有效標誌和I個時鐘，其中有效標誌置I表示單個連續的乙太網幀，有效標誌置O表示乙太網數據空閒；42)當有效標誌置I時，將該幀數據寫入FIFO以作緩存，在有效標誌置O時，寫入8個時隙間隔標誌數據，FIFO位寬為9bits，MSB為有效標誌置，低8位為數據；43)根據1080p@25Hz的BT1120數據格式找到行消隱區，此時FIFO中若有完整一幀數據，則讀出該幀數據並按特定包格式嵌入消隱區中，由於BT1120數據格式位寬20bits，對於高10位，MSB應為有效標誌置，第9位應為有效標誌置的取反，低8位為乙太網數據；而對於低10位，其為高10位的按位取反，用於在接收端作校驗。
進一步的，，解碼方法包括如下步驟: 61)識別解碼後的BT1120數據格式的行消隱區，並識別固定包格式的乙太網數據包，對其解析校驗並寫入FIFO，為了表示不同幀之間的時隙間隔，每寫完一幀數據即寫入8個字節的標誌數據；62)當FIFO中存在完整的一幀乙太網數據時，讀出，並在有效標誌置I時將數據轉化為MII/RMII信號傳輸至乙太網埠。
本發明的有益效果在於:創新性地把高清壓縮IP視頻流和高清非壓縮HD-SDI視頻流進行了複合，把兩種完全不同的數據流複合到一個數據流中。攝像機的HD-SD1、IP複合信號模塊中除了具有信號複合功能外，增加了電光轉換功能，最後複合流以光信號的模式進行輸出。複合信號具備光纖傳輸功能，從攝像機複合信號模塊輸出的複合光信號可以直接進入光纖，實現攝像機的遠距離光纖傳輸。複合信號中既具有無損傷、全實時的高清HD-SDI數據流，又具有H.264壓縮的IP數據流。對於傳統的高清攝像機，要麼輸出H.264壓縮的高清IP信號，要麼輸出非壓縮的高清HD-SDI信號，而且這兩種信號如要進行遠距離傳輸，則需要額外的傳輸設備的支持，如光纖收發器、HD-SDI光端機等。採用傳統高清攝像機建設高清監控系統時，很難同時把高清IP視頻和高清HD-SDI視頻的優點同時發揮出來。HD-SD1、IP高清三碼流攝像機的發明，則即可以同時發揮高清IP視頻和高清HD-SDI視頻的優點，同時也大大簡化了攝像機遠距離聯網傳輸的過程，HD-SD1、IP高清複合流可以直接入光纖，傳輸到監控中心。
圖1為本發明HD-SD1、IP高清三碼流攝像機的總體統結構示意圖； 圖2為本發明HD-SD1、IP高清三碼流攝像機在實際工程應用的示意圖 圖3為1080ρ@25Ηζ的視頻格式。
附圖標記；鏡頭I;圖像傳感器2;控制電路3;視頻壓縮編碼模塊4;模擬/數字視頻輸出接口模塊5 ；HD-SDI, IP複合碼流的輸出模塊6。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。
本發明在傳統的高清IP攝像機和高清HD-SDI攝像機的基礎上，增加了一個複合碼流的輸出模塊，把IP信號(IP視頻數據流)和HD-SDI信號(HD-SDI視頻數據流)進行了複合，並對複合信號進行電光轉換後通過光纖進行遠程傳輸。
高清三碼流攝像機由光學鏡頭、圖像傳感器模塊、控制電路、視頻壓縮編碼模塊、模擬/數字視頻輸出接口模塊和HD-SD1、IP複合碼流的輸出模塊六大部分構成。「光學鏡頭」把光學圖像聚焦到「圖像傳感器模塊」的圖像傳感器上(如CCD或CMOS傳感器);圖像傳感器模塊完成圖像信號的A/D轉換後把數字圖像信號輸入到「模擬/數字視頻輸出接口模塊」和「視頻壓縮編碼模塊」；「模擬/數字視頻輸出接口模塊」，把圖像被轉換成HD-SDI信號；「視頻壓縮編碼模塊」對視頻進行壓縮處理，也即通過壓縮編碼，把視頻信號進行H.264(或MPEG2、MPEG4、MJPEG)編碼，並封裝成IP包信號通過RJ45 口傳輸。
「控制電路」，對圖像傳感器和光學鏡頭進行控制，包括曝光控制、白平衡調整和光圈控制等。
壓縮編碼後的IP視頻流和HD-SDI信號一起被送到HD_SD1、IP複合碼流的輸出模塊，由該模塊把HD-SD1、IP信號進行複合後通過電光轉換模塊，將複合碼流電信號轉換為複合碼流光信號，最後傳輸到光纖中。
採用本發明的高清攝像機，通過一芯光纖，可以同時把高清IP視頻信號和高清HD-SDI信號傳輸到監控中心。HD-SDI是一個帶寬為1.485GHz的信號，除了亮度信號Y和色差信號CB\CR外還有冗餘，其冗餘量大於100M，IP信號是一個100Μ的信號，把IP信號填入HD-SDI的冗餘字節中，使兩信號複合到一起。新生成的攜帶IP信息的HD-SDI信號傳輸到監控中心，接收設備從複合的HD-SDI信號的冗餘字節中提取出IP信號，其中原高清HD-SDI信號可用於實時監控，最大限度地把高清原始無損圖像顯示在大屏幕上，並能夠進行無延時地PTZ操控；高清IP信號則可直接用於存儲，並通過IP網絡進行聯網，用於在計算機終端上訪問顯示。
如圖1所示，鏡頭I採用原有技術的光學鏡頭。圖像傳感器採用ΜΤ9Τ031 CMOS數字圖像傳感器，該傳感器具有300萬像素，最大解析度達2048X1536。控制器3採用普通單片機對MT9T031進行編程控制。模擬/數字視頻輸出接口模塊5主要採用LATTICE SC系列FPGA晶片進行設計。FPGA從MT9T031讀取數字圖像信號，並通過各種處理最後輸出各種傳統的模擬/數字視頻信號。視頻壓縮編碼模塊4採用TI的達文西系列DSP晶片，該晶片可以完成高清視頻的H.264壓縮編碼及IP包封裝。
本發明HD-SD1、IP複合信號模塊位於視頻壓縮編碼模塊4和模擬/數字視頻輸出接口模塊5之後。該模塊由一款高整合性的LATTICE SC系列FPGA晶片來實現。LATTICESC系列FPGA晶片實現HD-SDI和IP信號的複合。具體複合辦法如下:HD_SDI是一個帶寬為1.485GHz的信號，除了亮度信號Y和色差信號 CB\CR外還有冗餘，其冗餘量大於100M，IP信號是一個IOOM的信號，把IP信號填入HD-SDI的冗餘字節中，使兩信號複合到一起。新生成的攜帶IP信息的HD-SDI信號 HD-SD1、IP高清三碼流攝像機的組成和功能說明如下: (I)光學鏡頭完成光學圖像採集。鏡頭即可以採用手動控制的高清鏡頭，也可以採用自動控制的高清鏡頭。
(2)圖像傳感模塊完成圖像信號的光電信息轉換和A/D轉換，最後輸出數字圖像信號。圖像傳感器模塊即可以採用CCD圖像傳感器，也可以採用CMOS圖像傳感器。圖像傳感器模塊得到的原始圖像分別輸入到模擬/數字視頻輸出接口模塊和視頻壓縮編碼模塊。
(3)控制模塊對圖像傳感器和光學鏡頭進行控制，包括曝光控制、自動白平衡控制、和鏡頭光圈控制。
(4)模擬/數字視頻輸出接口模塊對原始圖像進行D/A轉換等處理，並輸出HD-SDI高清數字視頻信號。
(5)視頻壓縮模塊把由圖像傳感器模塊得到的原始圖像進行壓縮編碼，壓縮編碼格式為H.264、MPEG2、MPEG4或MJPEG，並且封裝成IP包信號。
(6) HD-SDI, IP複合碼流的輸出模塊由FPGA實現，FPGA把高清IP數據流填寫進HD-SDI信號的冗餘字節中，打包成一個複合數據流，複合數據流經電光轉換後變成光信號輸出到光纖。·
圖2是本發明HD-SD1、IP高清三碼流攝像機在實際工程應用的示意圖。系統由「HD-SD1、IP高清三碼流攝像機」、「光纖」、「監控中心」和「IP網絡」組成。各個「HD-SD1、IP高清三碼流攝像機」通過光纖與「監控中心3」的接收設備聯接。監控中心的接收設備接收由HD-SD1、IP高清三碼流攝像機傳來的IP、HD-SDI複合碼流，這些複合流由接收設備還原成高清IP視頻流和高清HD-SDI視頻流，高清IP視頻流通過乙太網交換機進入IP-SAN存儲和IP網絡聯網，高清HD-SDI視頻流直接上電視牆進行顯示。
如圖3所示，為1080p@25Hz的視頻格式，其中冗餘區可以嵌入乙太網數據。
有效帶寬計算:BW=1920*1080*20(bits) *25 (fps) =1.0368Gbps 行消隱區為第廣720列，可用行消隱區為第擴716列，冗餘帶寬為: BW=(716-9+I) *1125*20(bits)*25(fps)=0.39825Gbps 場消隱區為第廣41，1122 1125行，可用場消隱區亦為第廣41，1122 1125行，冗餘帶寬為: Bff=45 (行)*1920*20 (bits) *25 (fps) =0.0432Gbps總計可用冗餘帶寬為:BW=0.39825Gpbs+0.0432Gbps=0.44145Gbps檢驗:標誌位帶寬為:BW=12*1125*25=0.00675Gbps因此總帶寬為 Bff=L 0368+0.44145+0.00675=1.485GbpsHD-SDI (1080pi25Hz)嵌入100M乙太網步驟:根據1080ρ@25Ηζ的電視掃描格式可知其行消隱區的可用冗餘帶寬為398.25Mbp s，因此，可將100M帶寬的乙太網數據嵌入BT1120數據流中，與高清視頻一起傳輸。從下文可知，BT1120中的可用冗餘時隙為19.9125M，而轉化後的8bits乙太網數據時隙為12.5M。
二.加嵌操作步驟1.將來自百兆網絡接收晶片的MII/RMII信號轉化為8bits數據(data_8b), Ibit有效標誌(data_en)和I個時鐘(12.5MHz),其中data_en=l表不單個連續的乙太網巾貞，data_en=0表示乙太網數據空閒。2.data_en=l時,將該巾貞數據寫入FIFO以作緩存，在data_en=0時，寫入8個時隙間隔標誌數據(可以為8個8』h00數據)，FIFO位寬為9bits，MSB為data_en，低8位為數據。3.根據1080ρ@25Ηζ的BT1120數據格式找到行消隱區,此時FIFO中若有完整一幀數據，則讀出該幀數據並按特定包格式(該數據格式可採用現有成熟的數據格式，也可以根據需要採用特定的數據格式)嵌入消隱區中，由於BT1120位寬20bits，對於高10位，MSB應為data_en，第9位應為data_en的取反，低8位為乙太網數據；而對於低10位，其為高10位的按位取反，以便在接收端作校驗。三.解嵌操作步驟1.識別解碼後的BT1120數據流的行消隱區，並識別固定包格式的乙太網數據包，對其解析校驗並寫入FIFO，同樣，為了表示不同幀之間的時隙間隔，每寫完一幀數據即寫入8個字節的標誌數據。2.當FIFO中存在完整的一幀乙太網數據時，讀出，並在data_en=l時將數據轉化為MII/RMII數據傳輸至乙太網埠。
通過本示意圖可以清楚地看到本發明在工程實際應用中使用的優點，這些優點包括:結合了高清IP攝像機與高清HD-SDI攝像機的優點，在監控中心能同時得到這兩種信號；簡化了攝像機遠距離聯網傳輸的過程，不需要額外的傳輸設備的支持，如HD-SDI視頻光端機、光纖收發器等；降低了系統的成本；增加了系統的可靠性等。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明保護範圍內。
權利要求
1.一種具有輸出高清三碼流攝像機，包括高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊，其特徵在於，還包括複合碼流的輸出模塊，所述複合碼流的輸出模塊分別連接高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊。
2.根據權利要求1所述的一種具有輸出高清三碼流攝像機，其特徵在於，所述複合碼流的輸出模塊將高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊中輸出的IP數據填入高清HD-SDI視頻碼流輸出模塊輸出的HD-SDI信號冗餘字節中，從而形成複合碼流。
3.根據權利要求2所述的一種具有輸出高清三碼流攝像機，其特徵在於，還包括電光轉換模塊，所述電光轉換模塊連接所述複合碼流的輸出模塊之後，將所述複合碼流電信號轉換為複合碼流光信號。
4.根據權利要求3所述的一種具有輸出高清三碼流攝像機，其特徵在於，還包括接收裝置，所述接收裝置包括光電轉換模塊行和解碼模塊，所述光電轉換模塊將複合碼流光信號轉換成複合碼流電信號，所述解碼模塊從複合碼流電信號的冗餘字節中提取IP數據。
5.一種將高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流複合方法，其特徵在於，複合方法包括如下步驟: 51)將MII/RMII信號轉化為8bits數據，Ibit有效標誌和I個時鐘，其中有效標誌置I表示單個連續的乙太網幀，有效標誌置O表示乙太網數據空閒； 52)當有效標誌置I時，將該幀數據寫入FIFO以作緩存，在有效標誌置O時，寫入8個時隙間隔標誌數據，FIFO位寬為9bits，MSB為有效標誌置，低8位為數據； 53)根據1080p@25Hz的BTl 120數據格式找到行消隱區，此時FIFO中若有完整一幀數據，則讀出該幀數據並按特定包格式嵌入消隱區中，由於BT1120數據格式位寬20bits，對於高10位，MSB應為有效標誌置,第9位應為有效標誌置的取反,低8位為乙太網數據；而對於低10位，其為高10位的按位取反，用於在接收端作校驗。
6.根據權利要求5所述的一種將高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流複合方法，其特徵在於，解碼方法包括如下步驟: 61)識別解碼後的BT1120數據格式的行消隱區，並識別固定包格式的乙太網數據包，對其解析校驗並寫入FIFO，為了表示不同幀之間的時隙間隔，每寫完一幀數據即寫入8個字節的標誌數據； 62)當FIFO中存在完整的一幀乙太網數據時，讀出，並在有效標誌置I時將數據轉化為MII/RMII信號傳輸至乙太網埠。
全文摘要
本發明公開了一種具有輸出高清三碼流攝像機，包括高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊，還包括複合碼流的輸出模塊，所述複合碼流的輸出模塊分別連接高清HD-SDI視頻碼流和高清壓縮IP視頻碼流輸出模塊，創新性地把高清壓縮IP視頻流和高清非壓縮HD-SDI視頻流進行了複合，把兩種完全不同的數據流複合到一個數據流中。攝像機的HD-SDI、IP複合信號模塊中除了具有信號複合功能外，增加了電光轉換功能，最後複合流以光信號的模式進行輸出。
文檔編號H04N7/22GK103139550SQ201310103708
公開日2013年6月5日 申請日期2013年3月28日 優先權日2013年3月28日
發明者石旭剛 申請人:杭州中威電子股份有限公司