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處理器/DSP  

基於STv0676的網路相機解決方案

上網時間: 2004年11月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IP - Camera  IP相機  視訊壓縮  圖像壓縮  STv0676 

網路相機相較於PC相機具有在監控和安全等諸多應用領域中不可替代的優勢,在未來將具有更廣闊的發展前景。本文介紹了基於意法半導體公司STv0676的網路相機系統組成、工作模式以及發展趨勢。

視訊串流解決方案的應用正迅速增多,這其中一些原因包括像SARS這樣的疾病對社會的影響、不需要出差的可視會議以及安全/監控等應用。視訊串流方案中相機是關鍵設備,過去我們曾聽說過PC相機及網路相機,但其工作原理有很大的不同。實際上這兩個概念一直就與PC相機相關聯,但對於網路相機來說,將其與PC聯繫在一起並不正確。PC相機是指帶USB介面的相機,絕大多數採作為業系統所提供的標準軟體,用於舉行視訊會議或視訊聊天。

而在監控技術方面則有兩種系統可用,一種是基於CCD技術並使用類比傳輸(PAL/NTSC)的閉路電視相機,而另一種則是採用CCD或CMOS數位傳輸的新系統。仔細考察一下這兩種系統所採用的技術可以發現CMOS技術對於該市場具有更大的優勢:首先,CMOS相機不需要不同的電壓,這意味著電源設計要簡單很多;其次,CMOS相機最大的優勢是整合了時序及ADC,這意味著影像輸出已經數位化,這有助於降低系統的整體成本。而在低光線亮度方面的性能,由意法半導體公司提供的CMOS技術正逐漸接近我們目前所使用的低亮度最佳化畫素技術的水準。此外,感測器已能執行一些處理演算法來幫助提高視訊處理器的性能。圖1:網路相機系統組成框圖。

網路相機

現在讓我們來看一看真正的網路相機,或所謂的IP相機。除了適合於家庭安全及家庭監控以外,IP相機將不可能取代PC相機。這是因為如果我們想要透過網路來傳輸視訊或視訊和音訊,則至少需要一些像串流媒體伺服器這樣的設備。如果採用基於PC的系統,這種系統要求PC 24小時開機,這意味著極大的電力浪費以及產生大量噪音。此外,如果我們想要將系統用於家庭使用,這種應用還會降低PC性能。相反,真正的IP相機是建構在嵌入式串流媒體伺服器基礎之上,這意味著相機擁有自己的串流媒體伺服器,而無需再使用PC,且只需插入乙太網路(集線器),或使用無線乙太網路即可工作。

在圖1中可以發現,在客戶端僅使用了一台PC,該系統的優點是客戶可處於世界任何地方,只要有網際網路連接就可以透過相機觀察並進行控制。該解決方案將具有更多的應用。隨著行動電話擁有越來越多的數據通訊方式可選,而且速度很快提高,將來有可能相機會透過運動檢測或噪音檢測來發出警告,可透過發送SMS或直接撥打手機將視訊串流傳輸到手機。此概念同樣適用於無人值守的辦公室情況。其它用途包括將相機安裝在門上,如有人按門鈴,相機即會撥打視訊電話,您可以透過視訊電話開門。

系統解決方案

從技術上考慮,意法半導體與台灣的Taifatech公司共同合作提供真正的整體解決方案(見圖2)。客戶只需修改其希望在客戶端瀏覽器中顯示的用戶介面即可,如果不修改,則他們能使用默認介面並直接應用。我們提供的解決方案是基於STv0676協同處理器以及我們的VGA感測器VV6501。該套方案允許透過USB及所謂的‘Digiport(數位埠)’來傳輸視訊。我們在該解決方案中所使用的Digiport是一種可將平行數據傳輸給任何嵌入式系統的匯流排(8位元數據及2位元控制)。最大時脈速度為1.5MHz,即每秒最多能傳輸1.5M位元組數據,這很容易就能傳輸30fps的視訊。

圖3為該解決方案組成框圖。在圖左邊,視訊處理器直接與感測器相連,且用來控制所有必要的圖像處理功能,如自動白平衡(AWB)、自動曝光(AE)、色彩變換陣列(colour shiftin圖2:意法半導體與台灣Taifatech合作提供的解決方案。 g matrix)、曝光區加重、缺陷畫素糾正及色彩模型運算等。STv0676可以工作在下面不同的模式來將圖像數據輸出到系統。

模式A STv0676採用USB模式,透過FIFO(先進先出)直接將圖像數據傳送至USB埠。

模式B STv0676採用主模式,且能將CCIR-656、YcrCb及RGB 7位元色彩數據串流送至Digiport。主模式意味著STv0676能根據所選訊框速率來為數據提供時脈。在此模式下,它可以連接外部TV解碼器並直接將訊號傳送給電視機。

模式C STv0676透過FIFO將RGB24、YUV及MJPEG數據串流送至Digiport。此模式限制1.5MHz的數據時脈上,但系統將處於從模式,外部控制器將控制所有數據傳輸。

數據動態壓縮

在嵌入式環境中使用STv0676,意味著在模式C下使用我們的系統時可以在非同步模式下從STv0676上讀出數據,使主MCU具有足夠的性能來處理其他任務。該解決方案的一個核心是4KB的FIFO。以我們所談論的大量數據來說,此容量並不夠大,但視訊壓縮器(VC)有助於解決這個問題。VC擁有設立動態壓縮率選擇的功能,這意味著基於FIFO佔空因子的VC可決定壓縮率。例如,當MCU讀數快而FIFO逐漸騰空時,VC壓縮減少,而當MCU讀數慢,FIFO逐漸滿時,VC將盡可能多地壓縮。但所有這些都無法避免FIFO溢出或空。FIFO空時將產生空閑警告,而當MCU太慢以至於不能讀數時,FIFO將出現溢出,且不會發出警告,但視訊串流並沒有停止。實際上這種情況很少產生,因為系統可對數據率進行運算。現在讓我們來看一下數據量,根據VGA的解析度可有以下的運算:

每訊框的Bayer圖案:

640×480=307,200(畫素)

YUV每訊框:圖3:STv0676系統框圖。

307,200 ×2B=614,400B / 1024(KB)=600KB。

例如,以非壓縮模式傳送30fps,意味著高達17.58MBps的數據量。因此,唯一的辦法是採用數據壓縮。由於JPEG壓縮是一種動態壓縮,故無法100%地預測大小。例如,您想以10:1的比例來壓縮一訊框,這意味著VC試圖達到此比率,但實際上有時很容易達到有時又不能達到。值得一提的是,所運算的數據量不僅僅是在運算器上除以10那麼簡單。鑒於此,VC採用一種動態調整,故我們能擁有穩定的4KB FIFO。因此我們VC的壓縮比大約最大為80:1,但是實際情況是壓縮比為30:1的效果可以接受,而更高則會引起太多的壓縮噪音,是不能接受的。故按照30fps@VGA來傳輸,所需的數據量將為600KBps。

本文總結

上面系統的實現很簡明:先透過感測器擷取圖像,然後Stv0676再處理並直接將MJPEG傳輸給TF-520。TF-520為單晶片IP伺服器,它只需記憶體及乙太網路PHY,而像PCI介面、MAC以及用於TCP/IP協議堆疊處理的特殊IP等其他部份都已整合。如果設計成無線方式,則只需將一塊miniPCI WLAN卡與系統相連,並改變韌體即可獲得一種無線解決方案。

在產品路線圖規劃上我們將有進一步的開發計畫,其中一種便是包括音訊以及可能高達兩百萬畫素的更高解析度,可進行數位聚焦及圖片儲存,且仍能以30fps@VGA來透過網際網路傳送的解決方案。IP相機必將擁有比USB相機更光明的發展前景,我們將繼續推出可簡化我們生活的解決方案。

作者:Ralf Kilguss


影像技術行銷部經理


意法半導體公司


Email: Ralf.Kilguss@st.com





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