基于STv0676的网络摄像机解决方案

网络摄像机相比于PC 摄像机具有在监控和安全等诸多应用领域中不可替代的优势，在未来将具有更广阔的发展前景。本文介绍了基于意法半导体公司STv0676 的网络摄像机系统组成、工作模式以及发展趋势。
          视频流解决方案的应用正在迅速增多，这其中一些原因包括像SARS 这样的疾病对社会的影响、不需要出差的可视会议以及安全/监控等应用。视频流方案中摄像机是关键设备，过去我们曾听说过PC 摄像机及网络摄像机，但其工作原理有很大的不同。实际上这两个概念一直就与PC 摄像机相关联，但对于网络摄像机来说，将其与PC 联系在一起并不正确。PC 摄像机是指带USB 接口的摄像机，绝大多数采用操作系统所提供的标准软件，用于举行视频会议或视频聊天。
          而在监控技术方面则有两种系统可用，一种是基于CCD 技术并使用模拟传输(PAL/NTSC) 的闭路电视摄像机，而另一种则是采用CCD     
   或CMOS 数字传输的新系统。仔细考察一下这两种系统所采用的技术可以发现CMOS 技术对于该市场具有更大的优势：首先，CMOS 摄像机不需要不同的电压，这意味着电源设计要简单很多；其次，CMOS 摄像机最大的优势是集成了时序及ADC，这意味着图像输出已经数字化，这有助于降低系统的整体成本。而在低光线亮度方面的性能，由意法半导体公司提供的CMOS 技术正在逐渐接近我们目前所使用的低亮度优化像素技术的水平。此外，传感器已能执行一些处理算法来帮助提高视频处理器的性能。
          网络摄像机
          现在让我们来看一看真正的网络摄像机，或所谓的IP 摄像机。除了适合于家庭安全及家庭监控以外，IP 摄像机将不可能取代PC 摄像机。这是因为如果我们想要通过网络来传输视频或视频和音频，则至少需要一些像流媒体服务器这样的设备。如果采用基于PC 的系统，这种系统要求PC 24 小时开机，这意味着极大的电力浪费以及产生大量噪音。此外，如果我们想要将系统用于家庭使用，这种应用还会降低PC 性能。相反，真正的IP 摄像机是构建在嵌入式流媒体服务器基础之上，这意味着摄像机拥有自己的流媒体服务器，而无需再使用PC，且只需插入以太网(集线器)，或使用无线以太网即可工作。
          在图1 中可以发现，在客户端仅使用了一台PC，该系统的优点是客户可处于世界任何地方，只要有互联网连接就可以通过摄像机观察并进行控制。该解决方案将具有更多的应用。随着移动电话拥有越来越多的数据通信方式可选，而且速度很快提高，将来有可能摄像机会通过运动检测或噪声检测来发出告警，可通过发送SMS 或直接拨打手机将视频流传输到手机。此概念同样适用于无人值守的办公室情况。其它用途包括将摄像机安装在门上，如有人按门铃，摄像机即会拨打视频电话，您可以通过视频电话开门。
   
   图1
          系统解决方案
          从技术上考虑，意法半导体与台湾Taifatech(台发科技)公司共同合作提供真正的一站式解决方案(见图2)。客户只需修改其希望在客户端浏览器中显示的用户界面即可，如果不修改，则他们能使用默认界面并直接应用。我们提供的解决方案是基于STv0676 协处理器以及我们的VGA 传感器VV6501。该套方案允许通过USB 及所谓的“Digiport (数字端口)”来传输视频。我们在该解决方案中所使用的Digiport 是一种可将并行数据传输给任何嵌入式系统的总线(8 位数据及2 位控制)。最大时钟速度为1.5MHz，即每秒最多能传输1.5M 字节数据，这很容易就能传输30fps 的视频。
   
   图2
   
          图3 为该解决方案组成框图。在图左边，视频处理器直接与传感器相连，且用来控制所有必要的图像处理功能，如自动白平衡(AWB)、自动曝光(AE)、色彩变换阵列(colour shifting matrix)、曝光区加重、缺陷像素纠正及色彩模型计算等。STv0676 可以工作在下面不同的模式来将图像数据输出系统。
   
   图3模式A STv0676 采用USB 模式，通过FIFO(先先进先出)直接将图像数据传送至USB 端口。
          模式B STv0676 采用主模式，且能将CCIR-656 、YcrCb 及RGB 7 位色彩数据流送至Digiport 。主模式意味着STv0676 能根据所选帧速率来为数据提供时钟。在此模式下，它可以连接外部TV 解码器并直接将信号传送给电视机。
          模式C STv0676 通过FIFO 将RGB24、YUV 及MJPEG 数据流送至Digiport。此模式限制
          1.5MHz 的数据时钟上，但系统将处于从模式，外部控制器将控制所有数据传输。 数据动态压缩
          在嵌入式环境中使用STv0676，意味着在模式C 下使用我们的系统时可以在异步模式下从STv0676 上读出数据，使主MC     
   U 具有足够的性能来处理其他任务。该解决方案的一个内核是4KB 的FIFO。以我们所谈论的大量数据来说，此容量并不够大，但视频压缩器(VC)有助于解决这个问题。VC 拥有建立动态压缩率选择的功能，这意味着基于FIFO 占空因子的VC 可决定压缩率。例如，当MCU 读数快而FIFO 逐渐腾空时，VC 压缩减少，而当MCU 读数慢，FIFO 逐渐满时，VC 将尽可能多地压缩。但所有这些都无法避免FIFO 溢出或空。FIFO 空时将产生空闲告警，而当MCU 太慢以至于不能读数时， FIFO 将出现溢出，且不会发出告警，但视频流并没有停止。实际上这种情况很少发生，因为系统可对数据率进行计算。现在让我们来看一下数据量，根据VGA 的分辨率可有以下的计算：
          每帧的Bayer 图案：640×480 = 307,200(像素)
          YUV 每帧：307,200 ×2B = 614,400B / 1024 (KB) = 600KB。
          例如，以非压缩模式传送30fps，意味着高达17.58MBps 的数据量。因此，唯一的办法是采用数据压缩。由于JPEG 压缩是一种动态压缩，故无法100% 地预测大小。例如，您想以10:1 的比例来压缩一帧，这意味着VC 试图达到此比率，但实际上有时很容易达到有时又不能达到。值得一提的是，所计算的数据量不仅仅是在计算器上除以10 那么简单。鉴于此，VC 采用一种动态调整，故我们能拥有稳定的4KB FIFO。因此我们VC 的压缩比大约最大为80:1，但是实际情况是压缩比为30:1 的效果可以接受，而更高则会引起太多的压缩噪声，是不能接受的。故按照30fps@VGA 来传输，所需的数据量将为600KBps。
          本文总结
          上面系统的实现很简明：先通过传感器捕获图像，然后Stv0676 再处理并直接将MJPEG 传输给TF - 520 。TF - 520 为单芯片IP 服务器，它只需存储器及以太网PHY，而像PCI 接口、MAC 以及用于TCP/IP 协议栈处理的特殊IP 等其他部分都已集成。如果设计成无线方式，则只需将一块miniPCI WLAN 卡与系统相连，并改变固件即可获得一种无线解决方案。
          在产品路线图规划上我们将有进一步的开发计划，其中一种便是包括音频以及可能高达两百万像素的更高分辨率，可进行数字聚焦及图片储存，且仍能以30fps VGA 来通过互联网传送的解决方案。IP 摄像机必将拥有比USB 摄像机更光明的发展前景，我们将继续推出可简化我们生活的解决方案。