曹飛，甄國涌，陳建軍

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

隨著時代的發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，而且高速率、高清化、高壓縮率成為新發(fā)展要求[1]。實(shí)際應(yīng)用中的圖像數(shù)據(jù)量比較龐大，如果不加優(yōu)化處理直接存儲本地，將導(dǎo)致存儲資源非常緊張[2]。例如典型的監(jiān)控系統(tǒng)CIF 格式視頻，分辨率為352×288，一般為RGB24 位圖像深度、幀頻25 fps，記錄一小時需25 GB 的存儲資源。若同等情況下記錄1080P 視頻，則需約1.22 T 的容量，普通的存儲設(shè)備難以滿足要求。而且在一些特殊領(lǐng)域，例如航天航空、無人機(jī)等，存儲資源和傳輸鏈路帶寬是無法完全滿足要求的，必須要將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮處理[3-4]。所以在圖像采集處理和存儲過程中，壓縮編碼已不可或缺，壓縮損傷少、壓縮比高的編碼算法尤為重要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了滿足嵌入式設(shè)備中日益增長的高速、高清、高壓縮率圖像傳輸?shù)囊?，該設(shè)計(jì)采用高動態(tài)CMOS 圖像傳感器作為圖像捕獲前端，集成H.264 壓縮硬核的高性能ARM 芯片作為圖像采集傳感器，高效率的DC/DC 電壓芯片作為電壓模塊，設(shè)計(jì)了一種高性能的圖像采集壓縮系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，整體分為四大模塊：圖像采集模塊、控制模塊、存儲模塊、通信模塊。圖像采集模塊采用AR0230CS CMOS 傳感器，其相關(guān)寄存器通過I2C 接口配置，使輸出8 位數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；控制模塊采用海思公司的Hi3516D 芯片，對CMOS圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、H.264 編碼壓縮等處理，同時接收通信模塊下發(fā)的命令來重新配置系統(tǒng)的幀率、分辨率等參數(shù)；存儲模塊使用16 bit 的DDR3 和256MB的SPI NOR FLASH，其中DDR3 用作嵌入式板端Linux 系統(tǒng)的運(yùn)行空間，F(xiàn)LASH 用作存放引導(dǎo)Linux啟動的uboot、內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)等必要文件，F(xiàn)LASH 的啟動模式通過硬件電路配置為3 bytes 地址模式；通信模塊的協(xié)議采用TCP、百兆以太網(wǎng)接口，將編碼輸出的圖像數(shù)據(jù)送至PC 端上位機(jī)顯示、存儲，也可以將上位機(jī)的圖像配置參數(shù)下發(fā)到控制模塊，滿足多種圖像格式的應(yīng)用需求。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM硬件設(shè)計(jì)

Hi3516D 是海思開發(fā)的一款專業(yè)高端SOC 芯片，定位于高清IPCamera 產(chǎn)品應(yīng)用，擁有先進(jìn)低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)和低功耗工藝。處理器內(nèi)核采用ARM Cortex A7，時鐘頻率600 MHz，最大能力支持5M Pixel輸入，1080P@60fps輸出[5-6]。其優(yōu)異編碼圖像質(zhì)量、H.264 多碼流編碼性能，在滿足不同的IPCamera產(chǎn)品需求、性能、圖像質(zhì)量要求的同時，可極大降低ebom 資源。這一切使得Hi3516D 在低功耗、高圖像質(zhì)量、高壓縮率方面表現(xiàn)優(yōu)異，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高性能的Hi3516D 作為主控芯片。

2.2 CMOS傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)在最大輸出能力1080P 分辨率的前提下，為了降低系統(tǒng)的功耗、增加圖像動態(tài)范圍，采用了低功耗、高動態(tài)的CMOS 圖像傳感器AR0230CS作為圖像捕獲前端。AR0230CS 是一款1/2.7 英寸CMOS 數(shù)字圖像傳感器，有源像素陣列為1 920 H×1 080 V，在此分辨率下輸出最大幀頻為60 fps。它專為低光和高動態(tài)范圍的場景性能而設(shè)計(jì)，最大動態(tài)范圍達(dá)96 dB，信噪比達(dá)41 dB。COMS 為了降低功耗，芯片工藝上采用一個晶體管只采樣一個顏色分量的方法，利用差值計(jì)算相鄰像素的值，這樣同時也簡化了原始圖像的數(shù)據(jù)大小。

圖2 為AR0230CS 與Hi3516D 的硬件連接圖[7]。AR0230CS 可以使用HiSPi 接口傳輸數(shù)據(jù)，Hi3516D通過自身集成的MIPI_RX 控制器接收圖像數(shù)據(jù)。AR0230CS 圖像傳感器采用Hi3516D 輸出的27 MHz作為輸入時鐘；SDATA 信號為I2C 的雙向數(shù)據(jù)線、SCLK 信號為I2C 的時鐘線，Hi3516D 通過 這兩條總線對AR0230CS 寄存器進(jìn)行配置，主要配置的功能寄存器有寬動態(tài)模式選擇、圖像大小、曝光時間等參數(shù)。MIPI_RX 接口包含1 組差分時鐘線MIPI_CLK和4 組數(shù)據(jù)差分線MIPI_DATA，MIPI_RX 底層數(shù)據(jù)包包含短包和長包數(shù)據(jù)，短包用來同步，長包用來傳送數(shù)據(jù)，這樣硬件上省去了幀同步和行同步硬件連接[8-9]。RESET_BAR 為復(fù)位信號，當(dāng)抓拍或視頻采集功能重啟時，Hi3516D 需要對AR0230CS 進(jìn)行復(fù)位操作，寄存器清零，再次配置。在PCB 設(shè)計(jì)上，AR0230CS 為敏感元件，器件布局與Hi3516D 需相隔較大距離，避免集中散熱。

2.3 電源硬件電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)獲取外部5 V 直流輸入供電、內(nèi)部兩級降壓模式，首先通過電源轉(zhuǎn)換芯片MP2122 將5 V 轉(zhuǎn)化為3.3 V、1.1 V 供ARM 使用，1.5 V 供DDR3 使用，然后通過電源芯片TPS82084 將3.3 V 轉(zhuǎn)換為1.8 V、2.8 V，供圖像傳感器使用。圖3 為一路電源芯片MP2122 的硬件電路圖。

圖2 AR0230CS與Hi3516D的硬件連接圖

圖3 MP2122硬件電路圖

由于輸出電源支路較多，故使用了高性能的電源芯片。其中MP2122 是一款效率高達(dá)93%的DC/DC降壓芯片，具有2.7～6 V寬動態(tài)輸入，雙路2 A PWM輸出，開關(guān)頻率為固定1 MHz，靜態(tài)電流為45 μA，使得MP2122 為整體系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、低功耗的電源保障。而TPS82084 是一款效率高達(dá)95%的DC/DC 降壓芯片，具有2.5～6 V 寬動態(tài)輸入，靜態(tài)電流為17 μA，優(yōu)勢是自身集成了電感，可以簡化設(shè)計(jì)、減少外部元器件并節(jié)省PCB 面積，為圖像傳感器所處的特殊位置提供了空間便利。

MP2122 輸出電壓可以通過R3、R5動態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)整結(jié)果為該設(shè)計(jì)中需要輸出電壓為1.1 V，根據(jù)計(jì)算及芯片手冊推薦值可得R1=12.7 kΩ、R2=12.7 kΩ。

由于輸入電源中存在紋波干擾，因此須在電源電路的輸入端和電源地之間并聯(lián)加入0.1μF和10 μF電容（C1、C2）以減少外部的高低頻擾動。同時為了保證電源電壓減小輸出紋波、穩(wěn)定輸出，輸出端串聯(lián)2.2 μH 電感（圖3 的L1、L2），并聯(lián)0.1 μF、10 μF 電容（圖3 的C5、C6和C7、C8）。在PCB 的設(shè)計(jì)上，電源全部使用整平面層供電，所以每個濾波電容需要緊靠電源管腳放置，盡量減小寄生電感的產(chǎn)生。且電源芯片周圍盡量多敷銅，以增強(qiáng)PCB 板的有效散熱。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集軟件實(shí)現(xiàn)

Hi3516D 內(nèi)部集成圖像捕獲單元,可以接收HiSPi 等MIPI_Rx 接口的圖像信號，采集之前需要配置VI 輸入接口類型為HiSPi 的1080P 圖像輸入，即修改程序?yàn)閟tViConfig.enViMode=SAMPLE_VI_MODE_ HiSPi _1080P。系統(tǒng)在進(jìn)行緩存池配置和MPP（海思多媒體軟件平臺）初始化后，圖像數(shù)據(jù)開始輸入[10-12]。

圖像輸入程序流程如圖4 所示，首先打開MIPI接口設(shè)備文件，將接口模式配置成HiSPi 模式，設(shè)置VI_DEV_ATTR_S 結(jié)構(gòu)體，其中包含圖像輸入設(shè)備屬性（HI_MIPI_VI_SetDevATTR 接口）、圖像分辨率（寬、高度參數(shù)為stDevAttr.stDevRect.u32Width 和stDevAttr.stDevRect.u32Height）等圖像信息，調(diào)用HI_MIPI_VI_EnableDev 函數(shù)啟動圖像輸入設(shè)備；然后定義并設(shè)置結(jié)構(gòu)體變量VI_CHN_ATTR_S，這個結(jié)構(gòu)體定義了圖像輸入通道屬性，主要包含逐行掃描、目標(biāo)圖像的大小、像素格式等配置，調(diào) 用API 接口HI_MIPI_VI_EnableChn 函數(shù)啟動圖像物理通道。至此，圖像輸入模塊結(jié)束，將采集到HiSPi 接口的圖像數(shù)據(jù)送至下一模塊。

圖4 圖像輸入流程圖

3.2 圖像壓縮軟件實(shí)現(xiàn)

Hi3516D 內(nèi)部集成了一個H.264 硬件編解碼器，圖像編碼程序流程如圖5 所示。首先，定義并設(shè)置結(jié)構(gòu)體變量VENC_CHN_ATTR_S，這個結(jié)構(gòu)體定義了通道屬性，包含編碼器屬性配置（VENC_ATTR_S）、圖像寬度高度等信息；然后，調(diào)用函數(shù)HI_MIPI_VENC_CreateChn 創(chuàng)建H.264 編碼通道，并調(diào)用函數(shù)HI_MIPI_VENC_StartRecvPic 開始接收圖像；最后，調(diào)用HI_MIPI_SYS_Bind 函數(shù)將VPSS（圖像處理模塊）通道與編碼通道綁定在一起，用于創(chuàng)建線程接收H.264 壓縮碼流[13-15]。至此，圖像編碼模塊結(jié)束，將壓縮完的圖像數(shù)據(jù)保存到本地或者通過傳輸接口送至外部。

圖5 圖像編碼流程圖

4 結(jié)果分析及驗(yàn)證

4.1 圖像質(zhì)量測試

該測試采用客觀評價標(biāo)準(zhǔn)PSNR（峰值信噪比）來分析圖像質(zhì)量，PSNR 越高，質(zhì)量越好。通常來講，PSNR 值大于28 dB 時，圖像質(zhì)量無明顯差異，處于[35 dB,40 dB]區(qū)間時，人眼已分辨不出圖像之間的差異[16-17]。具體采用FFmpeg 軟件將VENC 模塊編碼輸出的H.264 文件轉(zhuǎn)換成VI 模塊采集輸出的YUV文件，再通過Matlab 軟件計(jì)算H.264 文件相對YUV文件的PSNR 值。

文中測試選取了4 種典型分辨率、幀頻25 fps、兩種拍攝畫面（實(shí)驗(yàn)室的普通活動、網(wǎng)絡(luò)視頻的激烈打斗畫面），每種情況分別計(jì)時15 min、30 min、45 min，最后得出PSNR 平均值，統(tǒng)計(jì)情況如表1 所示。

表1 多種分辨率、不同場合的PSNR 測試

分析表1 可知，該系統(tǒng)對于平緩畫面的壓縮質(zhì)量較劇烈畫面更好，而且每種情況下的PSNR 都處于[36 dB，37 dB]區(qū)間，客觀表明本采集壓縮系統(tǒng)圖像質(zhì)量良好，符合較高的實(shí)際需求。系統(tǒng)采集壓縮后的圖像如圖6 所示。

4.2 壓縮比測試

根據(jù)4.1 節(jié)的測試條件，計(jì)算壓縮比=YUV 文件大小/H.264 文件大小，結(jié)果如表2 所示。

分析表2 可知，該系統(tǒng)對于劇烈畫面的壓縮比較平緩畫面更高，因?yàn)閯×耶嬅娴腜SNR 要低于平緩畫面，導(dǎo)致可能存在丟幀現(xiàn)象，所以壓縮后的劇烈畫面文件大小較小。整體平均壓縮比大于150∶1（YUV文件大小∶H.264 文件），壓縮性能良好。

圖6 1 920×1 080分辨率的系統(tǒng)輸出圖片

表2 多種分辨率、不同場合的壓縮比測試

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)采用高動態(tài)AR0230CS 圖像傳感器作為圖像捕獲前端、集成H.264 壓縮硬核的高性能Hi3516D 芯片作為控制核心、高效率的電源模塊，支持多種分辨率，最大輸出能力為1 920×1 080@30fps，重建圖像序列平均PSNR 大于36 dB，圖像清晰流暢、穩(wěn)定可靠，存儲文件壓縮比大于150∶1，較大地節(jié)省了存儲資源，滿足較高的嵌入式實(shí)際應(yīng)用需求。