基于Hi3515編碼處理器實現高清網絡攝像機的設計方案

任興平 朱之貞 劉景富 崔健 張建紅

（1.云南安防科技有限公司 云南省昆明市 650223）

（2.陸軍裝備部防化軍事代表局駐昆明地區防化軍事代表室 云南省昆明市 650223）

（3.云南無線電有限公司 云南省昆明市 650223）

1 引言

交通監控不同于安防監控，除了監視監控區域外，還需要提取車輛違法的證據，比如超速違法行為，必須取得高速行駛車輛的號牌信息，再比如闖紅燈違法行為，必須取得車輛在停車線前、停車線上和停車線后的3 張圖片。如果用普通攝像機來實現的話，通常是通過從視頻流里面抽幀的方式得到照片，但是視頻編碼為了降低視頻圖像對傳輸帶寬和存儲的要求，都采用有損壓縮方式，并使用了運動估計和幀間預測等算法，從一個視頻流里面抽出一幀圖像作為證據圖片，對于運動的車輛來說，清晰度并不理想。追溯交通監控發展的歷史，前幾代的技術就是采用照相的方式而不是視頻的方式來實現對違法行為的監控的。

隨著技術的進步和實際需求的提高，單純只提供圖片的照相方式，已不能滿足時代的要求：人們希望在獲得違法行為瞬間圖片的同時，也想看一看違法行為發生時段前后的情形，也就是要求監控設備既能提供清晰的圖片也具備視頻監控的功能。

2 基于Hi3515編碼處理器實現高清網絡攝像機的設計

2.1 攝像機的系統組成

Hi3515 支持多路H.264 視頻編碼和多路JPEG 靜態圖片編碼，兩種編碼器相互獨立，可同時工作，支持1920*1080 的分辨率，從而完全滿足交通監控對高清視頻監控和高清圖片抓拍的要求。

從硬件鏈接的角度，攝像機分為3 個部分：前端為傳感器模塊部分，負責采集圖像，圖像信息以Bayer 格式送給中間的控制處理部分，控制處理部分以Hi3515 為核心，完成視頻壓縮和圖片壓縮，最后是接口部分，負責數據、信號的輸入和輸出。

2.2 硬件設計

2.2.1 傳感器模塊設計

選用美國豪威科技的OV2715 COMS 圖像傳感器，輸出配置成并行16 位輸出，可輸出標準1080P/30FP 的視頻，滿足高清的要求。

2.2.2 主控模塊設計

BT1120 是一個標準的高清視頻接口，適應范圍廣，有利于產品在升級換代的過程中具有良好的兼容性。故根據交通監控的實際需求，選擇BT1120 的高清視頻接口作為Hi3515 的視頻接口，主要的輸出接口為100Mb 的自適應以太網接口，其它接口不作考慮。

為了將傳感器過來的Bayer 格式的數據轉化為Hi3515 視頻接口能夠接受的BT1120 格式，硬件上采用Xilinx SPATAN6 系列的XC6SLX16 完成色彩空間變換和BT1120 的編碼。

傳感器的圖像數據首先送到XC6SLX16，完成Bayer 到BT1120 的格式轉換，主要過程包括CFA(顏色濾波陣列)、RGB 到YUV 采樣，YUV 到BT1120 編碼。

圖1

圖像傳感器的每個像素須對紅、綠、藍3 種基本色彩敏感，才能真實反映被攝物體的色彩，從成本和生產工藝考慮，采用一部分像素對紅顏色敏感，一部分像素對綠顏色敏感，剩余的其他像素對藍顏色敏感且便于硬件實現的雙線性插值CFA 算法，從Bayer 格式的數據中恢復出圖像的原始的RGB 色彩數據，從而較為真實地恢復出被攝物體的色彩。

采用VDHL 語言編程，生成的配置文件在初始化的時候由Hi3515 通過3 線配置串口對XC6SLX16 進行配置，配置完成后，XC6SLX16 就按照設定的方式完成規定的工作。

2.2.3 輸出接口設計

主要的接口為10/100Mb 自適應自動交叉的RJ45 以太網接口，采用后背板立式插座，方便工程安裝接線。Hi3515 內置10/100M的以太網MAC，外配RTL8021CP 作為PHY，將網絡變壓器和RJ45 插座放置在攝像機尾板上（接口板）。

配置一個RS232 和RS485 接口，用于連接車輛監測器和信號燈檢測器。

一個多功能輸出口，用于補光設備的同步。

2.2.4 PCB 設計考慮

傳感器模塊選用OV2715 芯片采用68 腳BGA 封裝，最高像素時鐘80MHZ，采用4 層電路板。輸出阻抗按33 歐姆匹配。

主控模塊主要考慮Hi3515 及其外圍器件的要求，其中Hi3515采用441 腳，TFBGA 封裝，采用6 層PCB 布線。為減少top 層和bottom 層信號的相互干擾，對高速信號要保證符合spec 要求的阻抗。從器件布局、信號布線、過孔大小、電源平面層供電方式、電源隔離、去耦電容擺放、地屏蔽處理、散熱等方面進行考慮。

2.3 軟件設計部分

Hi3515 Linux 開發環境通常包括Linux 服務器、Windows 工作臺和目標板（我們上述設計中網絡攝像機），三者同處于一個網絡中。如圖1 所示。

在Linux 服務器上建立交叉編譯環境，Windows 工作臺通過串口和網口與目標板連接，開發人員可以在Windows 工作臺中進行程序開發或者遠程登錄到Linux 服務器進行程序開發。

圖2

介于海思為我們提供了可用的U-Boot，我們省略了JTAG 仿真器，直接在Linux 服務器上進行應用程序開發。

2.3.1 系統流程

系統流程如圖2 所示。

上述中，HD200S 和Box 是兩個主要的應用，一個完成交通監控需要的圖片抓拍功能，一個完成交通監控需要的實時視頻功能。其余應用作為輔助工具，維護系統正常運行所需的諸如時鐘同步，人機交互，升級、數據交換等功能。

2.3.2 HD200S 應用程序設計說明

HD200S 是一個多線程模塊，創建并管理多個線程，具體如下：

（1）串口數據接收線程。

（2）串口數據發送線程。

（3）自動亮度監測線程。

（4）自動增益調整線程。

（5）靜態圖片JPEG 編碼線程。

（6）FTP 線程。

（7）實時圖片傳輸線程。

串口數據的接收和發送線程用于對RS232 和RS485 接口的數據的接收，也可以通過這兩個接口設置所連接的設備的參數，目前這兩個接口主要用于連接車輛檢測設備和信號燈檢測設備。

自動亮度監測和增益調整組成一個閉環系統，亮度檢測負責實時測量圖像的亮度，和用戶設定的閾值對比，得到過亮、適中和過暗3 種結果，并輸出到增益自動調整模塊，由該模塊統一調度數字增益調整，曝光時間調整、幀率調整等幾種調節措施，是的畫面亮度保持穩定，不閃爍。

靜態圖片JPEG 編碼線程的基本工作流程是：創建編碼通道組，綁定視頻輸入到通道組，創建編碼通道，注冊編碼通道到通道組，在此之后就是啟動編碼通道接收圖像數據，收到數據后，啟動硬件編碼器完成編碼，用戶獲取編碼數據。在我們的設計中，啟動編碼通道接收圖像數據的指令來自串口或網絡，通常由車輛檢測設備自動發出或控制中心通過網絡手動發送。當編碼完成后，由FTP 或實時傳輸線程取走并通過網絡返回給用戶（可以至監控中心的實時畫面和存儲設備）。

FTP 和實時圖片傳輸線程時數據交換模塊，負責將圖片發送給用戶。

2.3.3 Box 應用程序設計說明

Box 是一個基于TCP 連接提供實時視頻的服務，視頻編碼方式為H.264。

Box 的基本工作流程是：創建編碼通道組，綁定視頻輸入到通道組，創建編碼通道，注冊編碼通道到通道組，開啟編碼通道接收輸入圖像，獲取編碼碼流，發送碼流，釋放碼流緩存。其中發送碼流在這個流程中又是一個獨立的線程，在初始化完成后，發送碼流的線程將監聽TCP 端口，有連接請求后，就負責建立并維持連接，并將編碼碼流實時發送給用戶。在這個線程里面，仍然有很多細節需要考慮，例如如何保持幀率的穩定，如何適應各種帶寬等，這里不做具體論述。

3 實際設計情況

交通監控在獲取圖片的同時又具備實時視頻的監控且在應用時攝像機工作穩定可靠，是本設計的最終目的。按上述設計方案制作了前端傳感器，用Hi3515 一個視頻輸入接口，采用1 路主碼流和1 路次碼流，用不同的編碼協議，其寬高比例滿足1:1、1:2 或1:4，即主次碼流是指硬件邏輯單元啟動一次同時產生的2 路碼流，次碼流不能單獨存在（必須和1 路主碼流在同一個通道組中），實現圖片抓拍的同時實時視頻不中斷。

由此證明本設計思路是正確的，只要通過設計改進、完善，調試和應用就能達到最終設計目的。

4 結束語

Hi3515 是一款基于ARM9 處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，基于它設計的這款網絡高清攝像機，較好地滿足交通監控的需求，大大縮短了開發周期，提供了不錯的性價比，是一個值得借鑒和推廣的高清攝像機的實現方式。