輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，包括視頻服務器端和視頻瀏覽器端，視頻服務器端和視頻瀏覽器端通過Mesh網絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸；視頻服務器端包括核心處理芯片和與核心處理芯片連接的無線發(fā)射模塊，核心處理芯片上設置有圖像采集接口；視頻瀏覽器端采用計算機和基于Windows平臺的客戶端視頻瀏覽軟件。該系統(tǒng)在有限的無線帶寬條件下實現(xiàn)了720P高清圖像的遠距離傳輸，且發(fā)射端裝置具有輕質量、低功耗等特點，便于在載重有限的移動設備上的擴展應用，協(xié)助解決諸如重大自然災害現(xiàn)場、大型群眾集會和重要安保現(xiàn)場等，后方指揮人員需及時了解實時信息的問題，以提高應對決策的準確性和及時性，提高工作效率。
【專利說明】輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明得到天津自然科學基金支持，基金號為13JCYBJC15800。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明屬于視頻圖像處理及無線網絡通信【技術領域】，涉及一種高清視頻信號的采集及遠距離傳輸裝置。
【背景技術】
[0003]在現(xiàn)代社會的生產生活中，對無線視頻傳輸?shù)膽眯枨罂焖僭鲩L。無線視頻傳輸系統(tǒng)是將圖像傳感器現(xiàn)場采集到的視頻信息壓縮編碼后，通過無線的方式傳輸至后方客戶端，后方在接收到視頻信息后，及時解碼并顯示在屏幕上，便于后方人員迅速地做出決策，有效縮短響應時間。
[0004]無線視頻傳輸系統(tǒng)在軍事上可用于偵察、監(jiān)視等，在民用上可用于規(guī)劃測量、遙感成像、工程搶險等領域。對于一些應急指揮中心的圖像傳輸系統(tǒng)，往往要求將突發(fā)事件的現(xiàn)場實時圖像信息傳輸至指揮中心，例如重大自然災害現(xiàn)場、大型群眾集會和重要安?，F(xiàn)場等，以提高應對決策的準確性和及時性，提高工作效率。
[0005]無線圖像傳輸即視頻實時傳輸，主要有兩個關鍵技術:一是高清視頻的壓縮處理，即視頻壓縮；二是運動中無線數(shù)據(jù)傳輸，即無線數(shù)據(jù)通信。因此，研制能夠在高速移動過程中將頻帶很寬的高清晰度視頻信號進行穩(wěn)定傳輸?shù)臒o線圖像傳輸系統(tǒng)，就要解決二個主要問題:一是高分辨率下，壓縮比盡可能高的視頻壓縮算法；二是高穩(wěn)定度的實時高速數(shù)據(jù)通信。
[0006]當前無線視頻圖像傳輸系統(tǒng)的圖像分辨率較低，受制于視頻壓縮算法，其碼流較高，而現(xiàn)有的無線通信鏈路的有效傳輸速率較低，難以傳輸?shù)蛪嚎s比的高清視頻信號。
[0007]隨著計算機軟硬件和無線通信技術的發(fā)展，無線視頻傳輸技術也取得了迅猛發(fā)展，無線視頻傳輸技術的應用領域也越來越廣泛，這對視頻圖像傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信帶寬和視頻畫面的實時性提出了更高的要求。而在現(xiàn)有的無線視頻傳輸應用中，視頻壓縮編碼以MPEG2/4、H.261/263等為主。其中高質量圖像(標準PAL/NTSC制式的分辨率不小于720X576) 一般以MPEG2編譯碼居多，高清視頻的平均碼流在IOMbps以上，對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高。無線高清視頻傳輸系統(tǒng)的發(fā)展方向日益趨于視頻分辨率的高清化、傳輸鏈路的智能化、系統(tǒng)功能集成化。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明就是為了解決上述現(xiàn)有技術中的高清晰度視頻信息的壓縮處理及無線傳輸問題，而提供一種輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明是按以下技術方案實現(xiàn)的:
本發(fā)明的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，包括視頻服務器端和視頻瀏覽器端，視頻服務器端和視頻瀏覽器端通過Mesh網絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸；視頻服務器端包括核心處理芯片和與核心處理芯片連接的無線發(fā)射模塊，核心處理芯片上設置有圖像采集接口 ；視頻瀏覽器端采用計算機和基于Windows平臺的客戶端視頻瀏覽軟件。
[0010]所述的圖像采集接口連接CXD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器或者DV攝像機設備。
[0011]所述的視頻服務器端利用H.264/AVC壓縮標準對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行高壓縮比壓縮。
[0012]所述的視頻服務器端對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮時，采用幀間預測和幀內預測編碼去除冗余信息，以提高視頻壓縮效率；采用整數(shù)DCT變換解碼端不會失真，不會出現(xiàn)誤匹配，采用加法和移位操作替代乘法，降低了整個算法的運算量；熵編碼對于量化后出現(xiàn)的零值進一步壓縮，對殘差塊量化后的系數(shù)進行編碼，去除統(tǒng)計冗余。
[0013]所述的視頻服務器端的無線發(fā)射模塊為低功耗的定向W1-Fi天線，采用RTSP協(xié)議將數(shù)據(jù)進行編碼后傳輸，視頻瀏覽器端由計算機利用W1-Fi接入點通過RTSP協(xié)議訪問服務器端的形式來實現(xiàn)無線視頻數(shù)據(jù)的接收。
[0014]本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是:
該系統(tǒng)在有限的無線帶寬條件下實現(xiàn)了 720P高清圖像的遠距離傳輸，且發(fā)射端裝置具有輕質量、低功耗等特點，便于在載重有限的移動設備上的擴展應用，協(xié)助解決諸如重大自然災害現(xiàn)場、大型群眾集會和重要安?，F(xiàn)場等，后方指揮人員需及時了解實時信息的問題，以提高應對決策的準確性和及時性，提高工作效率。該系統(tǒng)主要應用于諸多行業(yè)和領域內高清視頻遠距離無線傳輸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)的視頻服務器端的結構圖；
圖2是本發(fā)明的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)的基于RTP/UDP的H.264視頻傳輸功能框圖；
圖3是本發(fā)明的單頻無線Mesh結構圖；
圖4是本發(fā)明的視頻瀏覽器端與視頻服務器端的信息交互功能圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)進行詳細描述。
[0017]本發(fā)明的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，包括視頻服務器端和視頻瀏覽器端，視頻服務器端和視頻瀏覽器端通過Mesh網絡(多跳網絡)進行無線數(shù)據(jù)傳輸，以完成高分辨率視頻的采集、編碼、無線傳輸、解碼、實時回放等流程。視頻服務器端包括核心處理芯片和與核心處理芯片連接的無線發(fā)射模塊，核心處理芯片上設置有圖像采集接口 ；視頻瀏覽器端采用計算機和基于Windows平臺的客戶端視頻瀏覽軟件。
[0018]所述的圖像采集接口為高清視頻信號輸入接口，用于連接CXD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器或者DV攝像機等設備。
[0019]圖1是本發(fā)明的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)的視頻服務器端的結構圖。如圖1所示，視頻服務器端利用TMS320DM368型處理器作為核心處理芯片，利用芯片的視頻處理子系統(tǒng)對圖像采集接口輸入的信號進行原始視頻信號的采集和預處理，并使用內部集成的視頻編解碼協(xié)處理器完成絕大多數(shù)的視頻壓縮處理工作。利用H.264/AVC壓縮標準對采集到的視頻進行高壓縮比壓縮，并對開源的H.264算法進行改進，良好的網絡適應性，抗丟包性能和抗誤碼性，使其滿足無線視頻傳輸對視頻流的低延時、低碼率要求。
[0020]視頻服務器端的無線發(fā)射模塊為低功耗的定向W1-Fi天線，針對無線視頻傳輸對畫面滯后現(xiàn)象敏感的特點，視頻服務器端采用RTSP (實時流傳輸協(xié)議)對壓縮視頻流進行RTP封裝打包，以確保高清視頻的實時性和穩(wěn)定性，并利用TMS320DM368核心處理芯片自帶的EMAC模塊配合多個W1-Fi AP組成的Mesh網絡，以更好地適應復雜電磁環(huán)境下傳輸信道的誤碼干擾，提高系統(tǒng)的魯棒性，增強系統(tǒng)畫質的穩(wěn)定性，實現(xiàn)720P高清視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。
[0021]H.264中采用幀間預測和幀內預測編碼去除冗余信息，以提高視頻壓縮效率；采用整數(shù)DCT變換解碼端不會失真，不會出現(xiàn)誤匹配，采用加法和移位操作替代乘法，降低了整個算法的運算量；熵編碼對于量化后出現(xiàn)的零值進一步壓縮，對殘差塊量化后的系數(shù)進行編碼，去除統(tǒng)計冗余。
[0022]視頻服務器端的工作過程如下:
STM320DM368芯片對接駁的攝像機或CXD芯片進行數(shù)據(jù)采集得到720P視頻碼流，利用VPSS (Video Processing Subsystem,視頻處理子系統(tǒng))中的視頻處理，VPSS中的VPFE (視頻處理前端)利用ISIF(圖像傳感器接口 )對由傳感器得到的視頻流進行控制及參數(shù)設置等預處理，再由可編程的圖像通道(IPIPE)將從(XD/CM0S裸數(shù)據(jù)到YCbCr-4:2:2或YCbCr_4:2:0數(shù)據(jù)轉換。轉換后的數(shù)據(jù)通過DMA (直接內存存取)通道存儲在 SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動態(tài)隨機存儲器)中，再由HDVICP (高清編解碼協(xié)處理器)通過DMA方式傳輸視頻數(shù)據(jù)進行編碼處理。
[0023]DM368中的HDVICP對YUV格式視頻信號進行壓縮處理，壓縮算法使用H.264標準。
H.264中采用預測變換、量化編碼和統(tǒng)計編碼的方式來消除前端采集的視頻信息中的冗余信息:首先，進行運動估計和運動補償來消除相鄰幀間存在的時間冗余。再對運動補償后的殘差進行整數(shù)變換消除空間冗余。接下來對變換系數(shù)進行量化來消除視覺冗余，最后對量化后的系數(shù)以及運動矢量進行熵編碼消除統(tǒng)計冗余，最終得到標準的壓縮碼流。
[0024]得到的標準視頻碼流通過DMA控制器轉送至全雙工的SPI接口(SerialPeripheral Interface ,串行外圍接口)，SPI 接口與 COFDM(Coded Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,即編碼正交頻分復用)模塊的對應SPI接口相連，DM368SPI接口的CLK線工作頻率最高設置為20MHz，以滿足視頻碼流的傳輸速率調節(jié)要求，視頻流包長為188字節(jié)。
[0025]圖2是本發(fā)明的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)的基于RTP/UDP的H.264視頻傳輸功能框圖。如圖2所示，在利用RTSP(Real Time Streaming Protocol,實時流傳輸協(xié)議)對H.264視頻進行傳輸?shù)倪^程中:RTP封裝模塊主要是對壓縮后的H.264視頻流進行封裝打包；RTCP (Real-time Control Protocol,實時傳輸控制協(xié)議)分析模塊負責生成并發(fā)送RTCP包,并分析收回的RTCP包；QoS (Quality of Service,服務質量)反饋控制模塊則根據(jù)收到的RR報文反饋信息，來對RTCP包的發(fā)送速率進行動態(tài)的調整；發(fā)送緩沖模塊則設置端口 以發(fā)送 RTP (Real-time Transport Protocol,實時傳輸協(xié)議)包和 RTCP 包；UDP (UserDatagram Protocol,用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)直接與以太網物理層通信進行視頻RTP包的傳輸。經過編碼后的視頻流繼續(xù)通過DMA (Direct Memory Access,直接內存訪問)總線傳輸?shù)揭蕴W媒體訪問控制器EMAC。
[0026]圖3是本發(fā)明的單頻無線Mesh結構圖。如圖3所示,單頻無線Mesh結構圖,Mesh網絡無線傳輸原理如下:目前常用的W1-Fi標準是IEEE802.1 In，包括了 2.4GHz和5.8GHz頻段，保持對802.llb/g/a的向下兼容，目前通過MIMO ( Multiple-1nput Multiple-Output,多輸入多輸出)、0FDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用)等技術可以達到32(T600Mbps的傳輸速度。
[0027]視頻瀏覽器端由計算機利用W1-Fi接入點通過RTSP協(xié)議訪問服務器端的形式來實現(xiàn)無線視頻數(shù)據(jù)的接收。在客戶端的PC平臺上，利用VS2008開發(fā)出包含傳輸速率檢測的視頻瀏覽器軟件，使用Windows系統(tǒng)自帶的IE瀏覽器內核及視頻解碼插件，按照H.264/AVC壓縮標準對通信模塊端收到的圖像碼流進行解碼，最后生成YCbCr-4:2:0標準的720P數(shù)字視頻序列，實現(xiàn)壓縮視頻流的解碼與實時顯示。
[0028]在本系統(tǒng)中是利用W1-Fi AP ( W1-Fi AccessPoint，無線訪問接入點)的途徑將視頻數(shù)據(jù)的RTP包傳輸?shù)?.SGHz頻段的無線信道中，AP是組成無線網絡的部分之一，AP每
0.1s將SSID ( Service Set Identifier)經由beacons (信號臺)封包廣播一次,beacons封包的傳輸速率是1Mbps，且包長較短，整個廣播動作對網絡的性能影響較小，可以確?？蛻舳薖C的W1-Fi網卡能接收到這個SSID的廣播封包。建立連接后，在無線視頻傳輸系統(tǒng)中的服務端與客戶端PC之間構成一個臨時組建的無中心分布式控制網絡，在PC端指令下開始視頻數(shù)據(jù)包的傳輸。
[0029]當無線視頻傳輸系統(tǒng)被攜帶到遠距離時，即視頻服務器端脫離了與PC客戶端的通信范圍，可以利用其它AP作為中繼點轉發(fā)視頻流來完成多跳通信，這樣的傳輸形式被稱為Mesh網絡(多跳網絡)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，當某個W1-Fi AP節(jié)點出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可選擇附近的一個節(jié)點繼續(xù)通信，且由于W1-Fi AP的存在，其對無線信號也起到了中繼放大的作用，因此Mesh網絡具有健壯性、非視距傳輸、易部署、結構靈活、高帶寬的優(yōu)點。
[0030]在常規(guī)的無線視頻傳輸中，系統(tǒng)所用的無線Mesh網絡為了降低應用成本，通常將多個單頻AP盡可能呈直線排列，設置為單頻Mesh結構。A為視頻服務器端的W1-Fi AP節(jié)點，H為視頻瀏覽軟件端的W1-Fi AP節(jié)點，其最快捷的通信流向如圖3所示。
[0031]圖4是本發(fā)明的視頻瀏覽器端與視頻服務器端的信息交互功能圖。如圖4所示，為了實現(xiàn)高清視頻的無線傳輸，視頻服務器端需要將H.264視頻流通過W1-Fi網絡傳輸?shù)揭曨l瀏覽器端，RTSP協(xié)議中視頻服務器與瀏覽器軟件的信息交互過程如下:
視頻瀏覽器軟件通過PC發(fā)起RTSP OPTION請求，以得到視頻服務器的提供方法，服務器端接收到后返回對應的支持方法，在系統(tǒng)中用到:DESCRIBE，SETUP, TEARD0WN, PLAY等五種方式。
[0032]瀏覽器軟件發(fā)起RTSP DESCIBE請求并發(fā)送會話描述信息，視頻服務器收到的信息主要包含:媒體名字、解碼器類型、視頻分辨率、用戶的解碼能力等，并返回包括媒體名、幀速率、采樣率、編碼類型、傳輸協(xié)議等必要的媒體參數(shù)給瀏覽器軟件。
[0033]瀏覽器軟件發(fā)起RTSP SETUP的請求，目的是請求會話建立并準備傳輸。視頻服務器就收后，為RTP/RTCP創(chuàng)建UDP套接口，并回應端口號和會話標示符。
[0034]瀏覽器軟件發(fā)起RTSP PLAY的請求，目的是請求播放實時視頻。視頻服務器立即作出包含會話標示符、RTP包序列號、時間戳等的相應信息，再對H.264視頻流進行RTP封裝，并設置當前狀態(tài)為Playing,視頻服務器程序的rtp thread線程檢查到Playing狀態(tài)后就開始RTP數(shù)據(jù)包的傳輸。
[0035]瀏覽器軟件發(fā)起TEARD0WN的請求，是為了停止RTSP協(xié)議。服務端在收到該消息后，會關閉當前連接，停止RTP數(shù)據(jù)包的傳輸，并把瀏覽器軟件所運行的PC的IP地址等信息從維護的列表中刪除。
[0036]本發(fā)明摒棄了由于節(jié)點故障導致系統(tǒng)癱瘓的傳統(tǒng)單跳網絡無線傳輸方式，采用無線mesh網絡傳輸，具有健壯性好、結構靈活、高帶寬、非視距傳輸?shù)葍?yōu)點。
【權利要求】
1.一種輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:該傳輸系統(tǒng)包括視頻服務器端和視頻瀏覽器端，視頻服務器端和視頻瀏覽器端通過Mesh網絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸；視頻服務器端包括核心處理芯片和與核心處理芯片連接的無線發(fā)射模塊，核心處理芯片上設置有圖像采集接口 ；視頻瀏覽器端采用計算機和基于Windows平臺的客戶端視頻瀏覽軟件。
2.根據(jù)權利要求1所述的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:圖像采集接口連接CXD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器或者DV攝像機設備。
3.根據(jù)權利要求1所述的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:視頻服務器端利用H.264/AVC壓縮標準對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行高壓縮比壓縮。
4.根據(jù)權利要求3所述的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:視頻服務器端對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮時，采用幀間預測和幀內預測編碼去除冗余信息，以提高視頻壓縮效率；采用整數(shù)DCT變換解碼端不會失真，不會出現(xiàn)誤匹配，采用加法和移位操作替代乘法，降低了整個算法的運算量；熵編碼對于量化后出現(xiàn)的零值進一步壓縮，對殘差塊量化后的系數(shù)進行編碼，去除統(tǒng)計冗余。
5.根據(jù)權利要求1所述的輕型化高清視頻無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:視頻服務器端的無線發(fā)射模塊為低功耗的定向W1-Fi天線，采用RTSP協(xié)議將數(shù)據(jù)進行編碼后傳輸，視頻瀏覽器端由計算機利用W1-Fi接入點通過RTSP協(xié)議訪問服務器端的形式來實現(xiàn)無線視頻數(shù)據(jù)的接收。
【文檔編號】H04N7/18GK103428493SQ201310313104
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權日:2013年7月24日
【發(fā)明者】劉瑞安, 劉大喜, 張君生, 王磊 申請人:天津師范大學