基于MPEG-4编码的近距离无线视频传输系统实现

摘要：为实现近距离无线视频传输，提出了一种基于MPEG-4编码的近距离无线视频传输方案。由CMOS摄像头OV7620采集到的数据，通过专用MPEG-4编码器，ML86410得到速率低于2Mbit·s-1的MPEG-4数据流，在FPGA控制器的控制下，通过nRF24L01无线发送；接收端利用同系列芯片nRF24LU1接收无线数据，其自带USB协议和接口，再把数据流送入PC显示。通过仿真板电路测试，获得了良好的图像，证明电路可以实现视频无线传输的结论。

   无线视频通信作为第三代移动通信关键技术得到了广泛关注。但其是为远距离多用户服务的，开发难度大，需要众多辅助技术支持。然而，近距离无线视频通信可以采用较为成熟的技术实现，它可以应用于视频监控中不易连线的部分以及近距离巡视，它不同于3G技术中的视频传输，具有易于开发、传输距离近等特点。要实现无线视频传输，就要应用大压缩比的视频压缩编码满足无线传输速率的苛刻要求，MPEG-4编码是基于图像内容的第二代视频编码方案，并将对象合成的编码方案也结合在标准中，它根据图像的内容将图像分割为不同的视频对象(VO)。在编码过程中，前景和背景对像采用不同的编码策略：前景对像的编码压缩尽可能保留压缩对像的细节和平滑性；对背景视频对像，采用大压缩比的编码策略，而在解码端用其他的背景拼成新的的背景。因此它可以实现大压缩比的视频编码，不仅解决了块效应，同时解决了无线传输时的带宽限制问题，因此MPEG-4被作为无线通信系统中主要的视频编码标准。
   1 系统硬件总体方案
   图1所示为无线视频传输系统框图。采用专用MPEG-4编码器，可以获得良好的性价比，因此采用日本OKI公司的ML86410芯片是较好的MPEG-4视频压缩解决方案；同时采用挪威Nordic公司的nRF24L01和nRF24LU1芯片实现无线传输，它们不仅具有高达2Mbit·s-1的无线空中速率，而且后者带有增强型8051内核和USB2.0协议的无线Soc芯片，较好地解决了与PC机的连接问题；控制器采用广泛使用的低功耗FPGA来协调控制视频流的无线传输以及对OV7620和ML86410进行控制和模式配置，FPGA准确地逻辑性保证了传输的可靠性。
   
   从图中可以看出，在视频采集电路中，FPGA是整个系统的核心控制器。它的作用是无线接收配置参数，对图像CMOS传感器和ML86410进行初始化配置；当开始图像采集后，其负责接收MPEG-4视频数据，并进行无线传输。设计重点是实现了视频的无线传输，采用具有nRF24系列芯片，具有2Mbit·s-1的空中速率；这样的速率对一般视频数据流是不能实现无线传输的，所以要采取具有高压缩率的MPEG-4视频编码，其要求的传输速率较低，当图像分辨率为176×144时，速率为4800～64000 bit·s-1。
   1.1 视频采集模块电路
   1.1.1 OV7620
   OV7620是一种CMOS图像传感器，被广泛应用于网络摄像头、摄像手机等产品中。它是一种CMOS彩色/黑白图像传感器，支持连续和隔行两种扫描方式，VGA和QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30f·s-1；数据输出格式包括YUV、YcrCb和RGB这3种，能够满足一般图像采集系统的要求。OV7620内部具有可编程功能寄存器，设置有上电模式和SCCB编程模式，设计中采用了SCCB编程控制协议，连续扫描，8位YUV数据输出。
   1.1.2 ML86410压缩芯片
   ML86410是日本OKI公司面向监视摄像机、网络摄像机等图像监控设备开发的一种能够实时进行MPEG-4图像压缩(编码)处理的单芯片。以往面向网络监视摄像机的视频编码方式一般采用Motion-JPEG方式，存在着压缩率低的问题。在网络上进行视频传输时，受网络带宽的影响，使得传输图像的尺寸缩小，并带来画质下降和动画图像的帧率降低等限制。于是，OKI采用MPEG-4视频编码国际标准，开发了具有高压缩率的高画质视频MPEG-4编码器芯片ML86410。它采用了独创的专用加速器，无需高速CPU、DSP，与以往方式相比实现了低功耗，并大幅度降低了产品成本。
   ML86410由视频接口、MPEG-4编码器、主机接口电路、锁相环PLL和DRAM存储器控制组成。其特性如表1所示。
   
   1.1.3 SDRAM存储器
   SDRAM存储器在电路中主要完成对摄像头采集到的大量数据进行缓存，以使ML86410的。MPEG-4编码器部分进行有序编码。设计中采用三星公司K4S643232F系列SDRAM实现，它是2×32 MbitSDRAM存储器，采用32位数据总线进行存取，工作频率最高166MHz，可以满足ML86410对缓存的要求。它是一个具有67108864bit的同步高数据率的动态RAM存储器，由4块512×32 kbit组成。
   1.1.4 连接电路
   ML86410和OV7620、SDRAM的连接电路图如图3所示。
   
   1.2 无线传输方案
   1.2.1 nRF24L01及其连接电路
   下位机的无线连接采用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01。它是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段，采用GFSK调制，硬件集成OSI链路层，最高空中速率达到2Mbit·s-1，采用SPI接口连接控制器。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块并融合了增强型ShockBurst技术，其输出功率和通信频道可通过程序进行配置，有125个频道。nRF24L01功耗低，在以功率为-6dBm发射时，工作电流只有9mA；接收时，工作电流为12.3mA。
   采用SPI接口与控制器FPGA进行连接，负责开机时接收各个器件的配置信息，完成配置后进行视频数据流的无线发送。其中，CE是发射和接收切换引脚，CSN为片选，IRQ为中断信号输出引脚，连接电路图如图4所示。
   
   1.2.2 nRF24LU1及其应用电路
   nRF24LU1+是Nordic推出的一款将高性能射频收发器与单片USBdongle功能结合起的无线收发芯片，它可实现无线数据到USB数据形式的转换，这样就实现了与PC机的连接。nRF24LU1+内含1个增强型8051MCU内核、无线收发模块、符合全速USB2.0标准的器件控制器。nRF2ALU1+显着地增强了抗宽带干扰和互调失真(IMD)性能。nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16MHz晶振、去耦电路、匹配网络和天线。USB工作电源电压范围4.0～5.25 V。nRF24LU1+是单片结构，外形尺寸5mm×5mm。它的最高速率2Mbit·s-1，兼容所有nRF24系列芯片；使用Enhanced ShockedBust技术可以实现数据包的自动打包/解包和传输处理；使用MultiCeiver技术可同时支持6个无线装置，频段、输出能量和其他射频参数可通过射频寄存器进行编程调节，电路图如图5所示。
   
   1.2.3 PA和LNA
   单独只采用nRF芯片只能近距离的无线通信，为增加无线视频传输的距离，需要加入PA。从增加数据通信距离考虑，还需要增加芯片输入端的接收灵敏度，选用合适的LNA和滤波器成为必然。设计选用Maxim公司的MAX2240和MAX2644，连接电路如图6所示。
   
   MAX224O专为2.4～2.5 GHz频段的应用而设计，符合Bluetooth、HomeRF、802.11标准以及其他FSK调制系统的要求。MAX2644是一款专为WLAN，Bluetooth等工作在2.4GHz频段内的设备设计的高三阶交调点的低噪声放大器。放大电路中，微波开关采用Hittite公司生产的低成本SPDT微波开关，型号HMC545，该开关特别为3G和ISM频段工作的设备设计，其插入损耗仅有0.25dB，采用SOT封装、体积小，可用CMOS或TTL电平控制。利用nRF芯片的VDD_PA引脚控制无线发送和接收的切换。
   2 控制器FPGA设计
   FPGA选用Altrea公司的EP2C8208。其硬件连接电路如图7所示。
   
   
   3 初始化配置及工作流程
   (1)初始化配置方式。
   1)OV7620配置。OV7620的控制采用SCCB(Serial Camera Control Bus)协议。它是简化的I2C协议，SIO-1是串行时钟输入线，SIO-0是串行双向数据线，分别相当于I2C协议的SCL和SDA。SCCB的总线时序与I2C基本相同。OV7620功能寄存器的地址为0x00～0x7C。通过设置相应的寄存器，可以使OV7620工作于不同模式。
   2)ML86410配置。对ML86410进行配置需要对其寄存器进行配置，通过地址生成器产生地址XA0～9，然后通过数据总线XD0～15对相应寄存器进行写值。由于无线速率最高为2Mbit·s-1，所以一定要对Bits Rate Setting Register(0x18C)进行设置，有可变速率压缩和固定速率压缩两种方式。
   3)nRF24L01配置。对nRF24L01进行配置通过对其内部的寄存器进行写值完成，通过SPI总线完成数据的写入。其需要用户配置的寄存器地址为00～17，共18个8bit寄存器，当要进行发送和接收的切换时，同样要写入相应的寄存器值。
   (2)工作流程。
   1)开机配置：首先测试无线连接，连接成功后由PC端下传参数模式配置命令；下位机接到命令后，由配置参数配置逻辑解析到参数模式后，通过控制逻辑对ML86410和OV7620进行初始化配置，成功后即开始视频采集，失败发送错误到PC端。
   2)视频无线发送：视频采集开始后，视频流在ML86410的控制下有序进入FPGA缓冲，缓冲采用乒乓缓冲操作，然后数据经过并串转换，再通过SPI口送入nRF24L01无线发送。
   3)视频无线接收：nRF24LU1+接收到视频流后，经过缓冲，即送入USB2.0协议槽通过USB接口传入PC进行显示。
   4)视频显示：PC采用VC++编写程序调用Windows自带的视频播放器，同时调入MPEG-4视频流，解码后显示。
   
   4 上位机软件设计
   上位机采用VC++编写成熟的视频监控软件，和通用的视频监控软件相同，接收来自USB端口的数据进行解压缩显示即可。效果图如图9所示。
   
   5 结束语
   采用具有可靠逻辑功能的FPGA协调MPEG-4视频流到无线数据流的转换和发送，可以保证无线视频传输的性能；同时在终端采用带有无线功能和USB2.0协议的SOC芯片来实现与PC连接，不仅保证了无线传输的可靠性，还使得电路小型化，方便使用。测试表明，无线速率低于2Mbit·s-1时，可以实现无线视频的可靠传输。
   作者：关晓磊 李志强   来源：《电子科技》2011年06期