基于HDMI传输技术的高清摄像机方案研究

王 磊，徐 锋（同济大学，上海 200092）

基于HDMI传输技术的高清摄像机方案研究

王 磊，徐 锋
（同济大学，上海 200092）

高清视频传输摄像机有图像分辨率高，无失真，无延迟等优点，越来越广泛的应用在我们的生产生活中。高清视频的有效传输是该摄像机的核心，也是未来研究的重点方向。HD-SDI和HDMI作为数字信号接口的两大主要代表，是实现图像高质量的传输的有效媒介，同时也是研究的主要对象。

HDMI；高清；传输技术

1　引言

随着社会经济的快速进步与发展，人民生活水平不断提高，视频监控系统也越来越广泛的应用在我们的生产生活中，但是传统监控摄像机的清晰度低、观察范围不够大、观察范围内目标不够清楚，在拍摄记录和压缩传输等方面都存在一些问题，给治安监控、调查取证等工作带来一定的困难。

目前在高清视频应用中主要有4种：基于色差分量等方式的模拟高清、基于以太网进行传输的网络数字高清、基于HDMI/DVI等接口传输的数字高清、基于SDI接口的数字高清。由于模拟高清和SDI接口的摄像机受到传输介质的限制，不适合应用于安防系统。模拟高清已经趋于淘汰，而HDMI接口的视频主要用于多媒体设备中。

2　总体设计方案

通过对需求的分析以及成本的控制，将高清无压缩摄像机整体分为3个部分，分别为图像采集部分，图像处理部分，HDMI发送和接收部分。图1为高清无压缩摄像机整体框图。

2.1图像采集模块

图像采集模块主要是高清 Sensor。目前主要有CMOS和CCD两种。CCD中文为电荷耦合器件，能够把光信号转化为电信号。CMOS中文为互补金属氧化物半导体。两者结构虽相似，但又有很多不同特点和应用环境。CCD和CMOS传感器有以下主要区别：

2.1.1读取信息方式

图1　高清无压缩摄像机整体框图

CCD和CMOS处理电荷方式不同。CCD传感器存储的电荷信息要求在同步信号控制下逐位转移后再读取，信号读取过程较为复杂；CMOS传感器经行列解码器直接输出电压信号，读取信号方式十分简单。

2.1.2功耗

CCD传感器的电源线路设计更加精密，耗电量较大；CMOS传感器只需使用一个电源，其内部的感光二极管产生的电荷由晶体管放大输出，功耗非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8。

2.1.3成像速度

CCD图像传感器采用串行方式；CMOS图像传感器信号读出采用X-Y寻址方式，允许以整块、部分或者单元为单位灵活的读出数据，从而提高寻址速度，该项性能优于CCD。

2.1.4尺寸

CCD技术很难将光敏单元阵列，驱动电路和模拟数字电路集成在单片机上；而CMOS器件可将光敏元，图像信号放大器，A/D转换等电路集成在一块芯片上。因此CMOS可做尺寸小，功能更强大的图像传感器。

2.1.5可靠性

在大部分情况下CCD和CMOS的可靠性并无太大去别，但由于CMOS的集成度高于CCD，管脚数一般较少，因此焊点少，焊接工艺更为可靠。在特殊条件下，CMOS的可靠性高于CCD。

通过对比选择CMOS Sensor，来自MICRON 公司的MT9P031，输出可以达到 500万像素，成像速率为30pfs。

2.2图像处理单元

在处理器上我们有比较多的选择，通常我们可以采用 ASIC、DSP、FPGA 或者TI的达芬奇结构（DaVinciTM）。

ASIC为专用集成电路，可以按照用户的需求而定制，有体积小，可靠性高，保密性高，大批量应用时成本低等优点。

DSP（数字信号处理器）是一种微处理器，这种处理器有专门的硬件结构，使它可以快速进行数字信号处理，因此相对运算速度非常快。但从根本上来说，DSP体系还是串行指令系统，只是对一些固定的运算进行硬件优化，不能满足多种算法的需要。

FPGA（现场可编程门阵列）是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展的产物，是一种被广泛应用的可编程逻辑器件。FPGA内部包括可配置逻辑模块CLB、内部连线和输入输出模块IOB三部分。FPGA设计非常灵活，可单独使用FPGA完成几乎所有数字器件的功能，对数据进行快速处理。但是这种架构成本相对来说比较高，一般应用于高端场合。

达芬奇结构（DaVinciTM）是一个基于DSP系统的高效的数字视频/音频的组件组合。它是一个基于DSP的SOC处理芯片，集成了DSP核和ARM核，既有DSP对数据的高速处理能力又有ARM对外设的强大管理能力的处理器。

目前主流的DaVinci 系列处理器硬件平台有：

（1）基于 DSP 单核架构处理器平台，如DM647/648 ，均有类似于FBGA的全面可编程性，性能处于业界领先，应用于数码摄像机（DVR）、IP 视频服务器以及高性能影像应用等。

（2） 基 于 DSP+Cortex-A8 多 核 架 构 处 理 器 平 台， 如DM8167/8168系列。高性能 DM81x 器件提供广泛的视频功能，包括单一高性能 1080p60 fps 视频流、三个同步 720p30 fps 视频流或多个 3瓦低分辨率流，可以构建消费类和医疗视频应用，以视频为中心的系统需要较少的视频流即可在多达三个独立显示屏上同步捕捉、编码、解码和分析多个视频流。

（3）基于 ARM+Codec 硬件加速器架构处理器平台，如DM365/368 等。

通过需求和成本考虑，选择基于达芬奇结构的TDMS320DM368为图像处理器，是基于 ARM+Codec 硬件加速器架构处理器平台。DM368以432-MHz 为主频的ARM926EJ-S为内核，可满足1080P30fps视频，有两个视频处理器引擎：HDVICP，MJCP；多种视频处理子系统：高速人脸识别系统；从1/16倍至8倍缩放引擎；16位并行AFE（模拟前端）接口，频率高达120 MHz；4:2:2 （8-/16-bit） 接口；用于模拟高清视频输出的3路高清数模转换器等。

2.3HDMI发送和接收部分

HDMI（High Defnition Multimedia Interface）是一种数字化的影像和音频接口［13］，可传送未经压缩的音频和影像信号，最高数据传输速度为2.25GB/s。HDMI的设计初衷是取代RCA和SCART老式接口的。它支持各种电视影像格式，包括SDTV和HDTV视频格式，同时可传输多声道音频。HDMI也支持非压缩的8声道数码音频，以及任何压缩音频如DTS以及SACD所用的8声道1bit DSD信号。HDMI可搭配HDCP（宽带数字内容保护），以防止合法的影音内容遭到非法的复制和利用。

Silicon Image是HDMI标准先驱者，它出产的芯片在实际应用中可保证质量和效果。同时TI生产的HDMI接收器TPD12S421成本低，可支持HDMI1.3版本，能和Sil9022配合使用，并能保证质量。

3　本章小结

本章进行了高清无压缩摄像机系统总体方案设计，从三个核心系统进行需求分析并选型。首先对比了CCD和CMOS传感器的优劣，从实际应用角度和需求出发，从各个角度比较分析后使用CMOS图像传感器MT9P031。其次通过对比目前应用领域的图像处理器，确定使用以达芬奇结构为核心的TMS320DM368核心处理器。最后确定了HDMI发送器和接收器。对比成本、开发难度和需求，选择了Sil9022为发送器，TPD12S421为接收器。

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