基于MPEG-4编码的近距离无线视频传输系统

2011-08-05 11:42:31来源: 互联网

为实现近距离无线视频传输,提出了一种基于MPEG-4编码的近距离无线视频传输方案。由CMOS摄像头OV7620采集到的数据,通过专用MPEG-4编码器,ML86410得到速率低于2Mbit·s-1的MPEG-4数据流,在FPGA控制器的控制下,通过nRF24L01无线发送;接收端利用同系列芯片nRF24LU1接收无线数据,其自带USB协议和接口,再把数据流送入PC显示。通过仿真板电路测试,获得了良好的图像,证明电路可以实现视频无线传输的结论。

无线视频通信作为第三代移动通信关键技术得到了广泛关注。但其是为远距离多用户服务的,开发难度大,需要众多辅助技术支持。然而,近距离无线视频通信可以采用较为成熟的技术实现,它可以应用于视频监控中不易连线的部分以及近距离巡视,它不同于3G技术中的视频传输,具有易于开发、传输距离近等特点。要实现无线视频传输,就要应用大压缩比的视频压缩编码满足无线传输速率的苛刻要求,MPEG-4编码是基于图像内容的第二代视频编码方案,并将对象合成的编码方案也结合在标准中,它根据图像的内容将图像分割为不同的视频对象(VO)。在编码过程中,前景和背景对像采用不同的编码策略:前景对像的编码压缩尽可能保留压缩对像的细节和平滑性;对背景视频对像,采用大压缩比的编码策略,而在解码端用其他的背景拼成新的的背景。因此它可以实现大压缩比的视频编码,不仅解决了块效应,同时解决了无线传输时的带宽限制问题,因此MPEG-4被作为无线通信系统中主要的视频编码标准。

1 系统硬件总体方案

图1所示为无线视频传输系统框图。采用专用MPEG-4编码器,可以获得良好的性价比,因此采用日本OKI公司的ML86410芯片是较好的MPEG-4视频压缩解决方案;同时采用挪威Nordic公司的nRF24L01和nRF24LU1芯片实现无线传输,它们不仅具有高达2Mbit·s-1的无线空中速率,而且后者带有增强型8051内核和USB2.0协议的无线Soc芯片,较好地解决了与PC机的连接问题;控制器采用广泛使用的低功耗FPGA来协调控制视频流的无线传输以及对OV7620和ML86410进行控制和模式配置,FPGA准确地逻辑性保证了传输的可靠性。

 

从图中可以看出,在视频采集电路中,FPGA是整个系统的核心控制器。它的作用是无线接收配置参数,对图像CMOS传感器和ML86410进行初始化配置;当开始图像采集后,其负责接收MPEG-4视频数据,并进行无线传输。设计重点是实现了视频的无线传输,采用具有nRF24系列芯片,具有2Mbit·s-1的空中速率;这样的速率对一般视频数据流是不能实现无线传输的,所以要采取具有高压缩率的MPEG-4视频编码,其要求的传输速率较低,当图像分辨率为176×144时,速率为4800~64000 bit·s-1。

1.1 视频采集模块电路

1.1.1 OV7620

OV7620是一种CMOS图像传感器,被广泛应用于网络摄像头、摄像手机等产品中。它是一种CMOS彩色/黑白图像传感器,支持连续和隔行两种扫描方式,VGA和QVGA两种图像格式;最高像素为664×492,帧速率为30f·s-1;数据输出格式包括YUV、YcrCb和RGB这3种,能够满足一般图像采集系统的要求。OV7620内部具有可编程功能寄存器,设置有上电模式和SCCB编程模式,设计中采用了SCCB编程控制协议,连续扫描,8位YUV数据输出。

1.1.2 ML86410压缩芯片

ML86410是日本OKI公司面向监视摄像机、网络摄像机等图像监控设备开发的一种能够实时进行MPEG-4图像压缩(编码)处理的单芯片。以往面向网络监视摄像机的视频编码方式一般采用Motion-JPEG方式,存在着压缩率低的问题。在网络上进行视频传输时,受网络带宽的影响,使得传输图像的尺寸缩小,并带来画质下降和动画图像的帧率降低等限制。于是,OKI采用MPEG-4视频编码国际标准,开发了具有高压缩率的高画质视频MPEG-4编码器芯片ML86410。它采用了独创的专用加速器,无需高速CPU、DSP,与以往方式相比实现了低功耗,并大幅度降低了产品成本。

ML86410由视频接口、MPEG-4编码器、主机接口电路、锁相环PLL和DRAM存储器控制组成。其特性如表1所示。

 

1.1.3 SDRAM存储器

SDRAM存储器在电路中主要完成对摄像头采集到的大量数据进行缓存,以使ML86410的。MPEG-4编码器部分进行有序编码。设计中采用三星公司K4S643232F系列SDRAM实现,它是2×32 MbitSDRAM存储器,采用32位数据总线进行存取,工作频率最高166MHz,可以满足ML86410对缓存的要求。它是一个具有67108864bit的同步高数据率的动态RAM存储器,由4块512×32 kbit组成。

1.1.4 连接电路

ML86410和OV7620、SDRAM的连接电路图如图3所示。

 

1.2 无线传输方案

1.2.1 nRF24L01及其连接电路

下位机的无线连接采用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01。它是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4~2.5 GHz ISM频段,采用GFSK调制,硬件集成OSI链路层,最高空中速率达到2Mbit·s-1,采用SPI接口连接控制器。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块并融合了增强型ShockBurst技术,其输出功率和通信频道可通过程序进行配置,有125个频道。nRF24L01功耗低,在以功率为-6dBm发射时,工作电流只有9mA;接收时,工作电流为12.3mA。[page]

采用SPI接口与控制器FPGA进行连接,负责开机时接收各个器件的配置信息,完成配置后进行视频数据流的无线发送。其中,CE是发射和接收切换引脚,CSN为片选,IRQ为中断信号输出引脚,连接电路图如图4所示。

 

1.2.2 nRF24LU1及其应用电路

nRF24LU1+是Nordic推出的一款将高性能射频收发器与单片USBdongle功能结合起的无线收发芯片,它可实现无线数据到USB数据形式的转换,这样就实现了与PC机的连接。nRF24LU1+内含1个增强型8051MCU内核、无线收发模块、符合全速USB2.0标准的器件控制器。nRF2ALU1+显著地增强了抗宽带干扰和互调失真(IMD)性能。nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16MHz晶振、去耦电路、匹配网络和天线。USB工作电源电压范围4.0~5.25 V。nRF24LU1+是单片结构,外形尺寸5mm×5mm。它的最高速率2Mbit·s-1,兼容所有nRF24系列芯片;使用Enhanced ShockedBust技术可以实现数据包的自动打包/解包和传输处理;使用MultiCeiver技术可同时支持6个无线装置,频段、输出能量和其他射频参数可通过射频寄存器进行编程调节,电路图如图5所示。

 

1.2.3 PA和LNA

单独只采用nRF芯片只能近距离的无线通信,为增加无线视频传输的距离,需要加入PA。从增加数据通信距离考虑,还需要增加芯片输入端的接收灵敏度,选用合适的LNA和滤波器成为必然。设计选用Maxim公司的MAX2240和MAX2644,连接电路如图6所示。

 

MAX224O专为2.4~2.5 GHz频段的应用而设计,符合Bluetooth、HomeRF、802.11标准以及其他FSK调制系统的要求。MAX2644是一款专为WLAN,Bluetooth等工作在2.4GHz频段内的设备设计的高三阶交调点的低噪声放大器。放大电路中,微波开关采用Hittite公司生产的低成本SPDT微波开关,型号HMC545,该开关特别为3G和ISM频段工作的设备设计,其插入损耗仅有0.25dB,采用SOT封装、体积小,可用CMOS或TTL电平控制。利用nRF芯片的VDD_PA引脚控制无线发送和接收的切换。

2 控制器FPGA设计

FPGA选用Altrea公司的EP2C8208。其硬件连接电路如图7所示。

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3 初始化配置及工作流程

(1)初始化配置方式。

1)OV7620配置。OV7620的控制采用SCCB(Serial Camera Control Bus)协议。它是简化的I2C协议,SIO-1是串行时钟输入线,SIO-0是串行双向数据线,分别相当于I2C协议的SCL和SDA。SCCB的总线时序与I2C基本相同。OV7620功能寄存器的地址为0x00~0x7C。通过设置相应的寄存器,可以使OV7620工作于不同模式。

2)ML86410配置。对ML86410进行配置需要对其寄存器进行配置,通过地址生成器产生地址XA0~9,然后通过数据总线XD0~15对相应寄存器进行写值。由于无线速率最高为2Mbit·s-1,所以一定要对Bits Rate Setting Register(0x18C)进行设置,有可变速率压缩和固定速率压缩两种方式。

3)nRF24L01配置。对nRF24L01进行配置通过对其内部的寄存器进行写值完成,通过SPI总线完成数据的写入。其需要用户配置的寄存器地址为00~17,共18个8bit寄存器,当要进行发送和接收的切换时,同样要写入相应的寄存器值。

(2)工作流程。

1)开机配置:首先测试无线连接,连接成功后由PC端下传参数模式配置命令;下位机接到命令后,由配置参数配置逻辑解析到参数模式后,通过控制逻辑对ML86410和OV7620进行初始化配置,成功后即开始视频采集,失败发送错误到PC端。

2)视频无线发送:视频采集开始后,视频流在ML86410的控制下有序进入FPGA缓冲,缓冲采用乒乓缓冲操作,然后数据经过并串转换,再通过SPI口送入nRF24L01无线发送。

3)视频无线接收:nRF24LU1+接收到视频流后,经过缓冲,即送入USB2.0协议槽通过USB接口传入PC进行显示。

4)视频显示:PC采用VC++编写程序调用Windows自带的视频播放器,同时调入MPEG-4视频流,解码后显示。

 

4 上位机软件设计

上位机采用VC++编写成熟的视频监控软件,和通用的视频监控软件相同,接收来自USB端口的数据进行解压缩显示即可。效果图如图9所示。

 

5 结束语

采用具有可靠逻辑功能的FPGA协调MPEG-4视频流到无线数据流的转换和发送,可以保证无线视频传输的性能;同时在终端采用带有无线功能和USB2.0协议的SOC芯片来实现与PC连接,不仅保证了无线传输的可靠性,还使得电路小型化,方便使用。测试表明,无线速率低于2Mbit·s-1时,可以实现无线视频的可靠传输。

关键字:FPGA  MPEG-4视频  近距离无线

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0805/article_6331.html
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