超宽带无线视频监控系统的设计与实现.pdf

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1、文章编号：1 0 0 2 8 6 9 2(2 0 1 0)0 8 0 l】7 一 o 4 I i d e o n p plle a l i o n。&p。ro j eer 超宽带无线视频监控系统的设计与实现 冰 实 用 设 计 田 晶磊 肖振 宇 金德 鹏(清华大学电子工程 系，北京 1 0 0 0 8 4)【摘 要】针对无线视频采集设备高速率、小体积、低功耗的要求，建立了基于低功耗摄像头和无线超宽带技术的视频监控系统设 计方案。采用 V S 6 7 2 4摄像 头实现视 频采集，单载波 U WB(S C U WB)方案 实现无线传输，既满足 了视频采集设备对于体积和功耗 的 要求，又有效对抗

2、 了多径 的影响。基 于 P C平 台实现视频解码与播放，可移植性 强。验证 了系统基于 F P G A和 P C平 台构建，在 密集 多径和深度衰落 的实际场景下，测试效果 良好。【关键词】视频监控系统；单载波；超宽带；视频采集【中图分类号】T N 9 1 4；T P 2 7 7 【文献标识码】A De s i g n a nd I m p l e m e nt at i on of W i r e l e s s UW B Vi d e o M o ni t or S y s t e m T I AN J i n g-l e i，XI AO Zh e n y u，J I N De p e

3、n g (D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,T s i n g h u a U n iv e r s i t y,B e ij i n g 1 0 0 0 8 4，C h i n a)【Ab s t r a c t】A d e s i g n o f v i d e o m o n i t o r s y s t e m b a s e d o n p o w e r s a v i n g c a m e r a a n d U WB i s p r o p o s e d t o m e e

4、t t h e r e q u e s t o f h i g h s p e e d，s ma l l s i z e a n d l o w p o w e r c o n s u mp t i o n VS 6 7 2 4 c a me r a a n d S i n g l e C a r r i e r UWB(S C U WB)a r e u s e d t o a c h i e v e a s ma l l，p o we r s a v i n g v i d e o mo n i t o r d e v i c e，wh i l e mu l t i p a t h f a

5、d i n g i s s o l v e d s i mu l t a n e o u s l y Vi d e o d e c o d i n g a n d d i s p l a y b a s e d o n P C p l a t f o r m i s e a s y t o mi g r a t e An i mp l e me n t a t i o n b a s e d o n F P GA a n d P C i s t e s t e d，wi t h w e l l p e rf o r ma n c e i n s c e n a r i o s wi t h d

6、 e n s e mu l t i p a t h f a d i n g a n d h i g h p o w e r a t t e n u a t i o n 【Ke y w o r d s】v i d e o mo n i t o r s y s t e m；s i n e c a r r i e r；U WB；v i d e o c a p t u r e 1 引言 了 验证。超 宽带(U l t r a Wi d e b a n d，U WB)是 一种 利 用低 功 率 谱密度、超 高带宽的无线信 号实现短距 离高速传输 的技 术_ l l。最近几年，U WB技术 不断发展，基

7、于 U WB的各 种 研究 已经取得 了诸多 成果。另一方面，无线视频监控 和 一些特 殊场景下 的应用 对监 控 系统提 出 了特 殊 的要 求，如视 频采 集设 备要 体积 小、功耗 低，监控 系统 抗 干 扰、抗衰落能力要强等。U WB技 术在 短距 离传输 时高速 率、低 功耗 的特点 为实现 以上要求提供了便利。基 于 UwB的无线 视频监 控系 统有许 多设计 难 点。首先，传 统 的视 频采集 设备体 积通 常较大，且在 电池 供 电的情况下很难工作较长时间，选 择合适 的视 频采集 设 备 对于 实现发送 端体积 与功耗 的优 化极 为重要；其次，特殊 场景 的传 输环 境通

8、常伴 有 较 为严 重 的 多径 衰落，如何既 满足发送 端体 积与功耗 的限制，又实现 高质 量 的无线 传输，是设 计 U WB无线 收发模 块必须 考虑 的。此外，对于接 收端 的视频解 码与显 示软件，也 需要考 虑 可移植性 与提高显示 质量 的问题。针对 以上设计难点，笔者提 出了具体 的设 计方案，其性 能在实 际系统 中得到$国 家“8 6 3”计 划 项 目(2 0 0 9 AA0 1 1 2 0 5)2 系统 总体设 计方案 系统总体设计方案如 图 1 所 示。在 视频采集 与发 送 端，使用小型摄像头，配合摄像头适配 完成视频采集。采 集到的视频信号经 过 U WB基带

9、和射频处理 经 由天线 发送。在视频接收与显示端，天线接收到 的无线信号经过 UWB射频和基 带接 收模 块处理 以及 以太 网成帧后 发往 P C，由运行在 P C上 的视频解码与播放软件 显示。应 用 层 物理 层 图 1 系统 总体 设 计 方 案 视频采集 与发送端 的设计应 以体积和功耗作为第一 考虑。意法半导体为手机、P D A等设备 开发 的 V S 6 7 2 4摄 像头，体积为 8 0 0 m inx 8 0 0 r n m x 5 5 5 m m，功耗不超过 5 0 0 m W，是 比较理想 的摄像头方案12-3 。V S 6 7 2 4具有 1 6 0 0 x N 0 0

10、 8 V o 13 4 2 0 1 0(S u m N o 3 4 5)、三。日 翻 瞧 硼 1 1 8 1 2 0 0像素分辨力和全面 的图像处理 功能，支持 3 0 f s (帧 秒)、U X G A格式 的图像采集 和传输，并 内嵌 J P E G 压缩功能嘲，避免 了系统对其他视频压缩模块 的需求，降 低 了体积 与功 耗。视频 接 收 与显 示端 可 以将 连 续 的 J P E G图像进行 Mo t i o n J P E G处理，以实现视频显示 的 目的。在 U WB无 线传输 体制 方面，设计 选择 了单 载波 U WB(S C U WB)方案。S C U WB是一种基于单载波

11、直 接序列扩频的 U WB方案。相对于主流方案 MB O F DM，S C U WB方案发送端显著简单，且对射频线性度和 AD C 精度等要求较低。利于发送端小体积、低功耗的实现。U WB接收端使用 复杂 的接 收算法对 抗多径 衰落。接收端与 P C的接 口选择 了高速率、低成本的以太 网。P C 的视频解码 和显示软件基于 Wi n d o w s 平台设计，使用免 费的 Wi n P c a p和 O p e n C V软件包，易于软件的移植。3 摄像 头适配模块设计 摄像头适配模块提供摄像头驱动、应用层成帧、物理 层 等功能。摄像 头驱动模块使用 I 2 C总线，实现 V S 6 7

12、2 4 的寄存器配置与工作状态控制。V S 6 7 2 4工作状态 的配 置须考虑 系统性能的要求与限制。为实现连续流畅的视 频效果 V S 6 7 2 4应工作在图像连续采集模 式下，且帧率 不小于 2 5 f，s。图像分辨力为 6 4 0 4 8 0，满足一般图像清 晰度 的要 求。考虑 到 U WB物 理层 传输 速 率 的 限制，V S 6 7 2 4发送的图像 格式将 为 J P E G，并使用 自动压缩 的 方式控制每帧图像 的大小，从而保证摄像 头输 出的净数 据速率不超过物理层 的传输能力上 限。应用层成帧模块将 图像 帧封装成应用层帧，并添加 序列号、帧长度与校验和到帧尾(见

13、图 2)，用来在接收和 显示端检测不 同类型的错误。摄像 头输 出的 J P E G图像 自带 帧头与帧尾标识，帧头 为 O x F F D 8，帧尾为 0 x F F D 9。在应用层成帧 的时候，借用 了J P E G的帧头与帧尾，化简 了成帧操作。图 2应 用 层帧 结 构 物理层适配模 块完成摄像头与物理层的速率适 配。实验 发现，V S 6 7 2 4 输 出图像数 据并不 是连续 的，而是使 用数据有效信号提供包络。数据具有 较强 的突发性，且 摄像 头输 出数据的时钟速率 高于物理层读取 数据的时 电视技簟 面 钟速率，因此必须采用缓存 队列 的方式，保证 突发数据不 丢失。经过

14、试验与计算，在帧率 2 5 的工作状态下，使用 2 k b y t e的缓存 队列，可 以保证 突发性最严重 的数据也不 会 丢失。4 U WB发送端设计 U WB发送端结构如 图 3所示，包括 U WB基带发送 和 U WB射频发送两部分。在基带发送部分，经过适配的 视频数据通过扰码增加伪随机性，再经过信道编码，插入 训练序列 后进行扩频调制，之后完成 物理层成帧处理，再 经过波形成型滤波器，发往射频发送模块。在射频发送模 块，经过基带处理 的数据通过 混频器调制到射频 然后经 由功率放大器(P A)和带通滤波器(B P F)，由天线发射出去。视 数 一 一一 图 3 UWB发送 端 设 计

15、 相对于接 收端，U WB发送端结构简单，易于小体积、低功耗 的实现。为 了满足传输性能的需求，在信道编码模 块采用 了 R S 码与卷积码 的级联码 配合交织。提高纠错 能 力，对抗突发错误。在 扩频调制之前插入训练用 P N序列。方便 接收端均衡器 的 自适应调 整。扩频调制 使用 B P S K 调制方式，选择扩频 比为 2。扩频调制之后 的成帧处理 加 人 了前导序列、帧头序列 以及跟踪序列(见 图 4)，以便 接 收端完成捕获、同步 和跟踪的重要任务。这 3个序列同样 使用 P N序列。滤波成型使用 了根升余 弦滤波器，选择滚 降系数为 1，使频带内发射功率尽可能大。匿 夏 匮噩 麴

16、皿卿 图4 物理层 帧结构 5 U WB接收端设计 5 1 UWB射频接收端设计 UWB接收端 承担着对抗多径 衰落 的重要任务 因此 其设计复杂度 比发送端 高很多。U WB接 收端也包括射频 接收与基带接收两部分。在射频接收部分(见 图 5)，使用 零 中频正交解调 的方式处理射频信号。射频信号经低噪 放大器(L N A)与射频放大器(R F A)实现低噪声放大。再经 正交混频，产生 I，Q信号，供基带载波恢复使 用。自动增 益控制放大器(A G C)将混频后 的信 号幅度 调整至适合 A D C 满幅 工作 的状 态，低 通滤 波器(L P F)滤 除高 频分 量 后，信号被送至基带接

17、收部分处理。I 路 Q 路 图 5 UWB 接 收 端 射 频 设 计 5 2 UWB基带接收端设计 U WB接收端 的基带处 理部分 如图 6所示，使用 了 R A K E加 D F E信道 均衡 的方式，对抗 多径 衰落。经 过 A D C采样 的数据要首先经过 匹配滤波。由于发送 端使用 了根升余 弦滤波器进行波形 成型，所 以如 果信道 为加性 高斯 白噪声(A WG N)信道，接收端 匹配滤波 器应具 有匹 配 的脉 冲响应，才可达 到最小错误概率接 收。但 由于系 统工作 的信道环境 不是 A WG N信道，信道模 型十分 复 杂，所以最优匹配滤波 器的设计难 以实现。实际应用时，

18、使用 了方波 进行 匹配，这样 既节 省 了乘 法器，又 不会 导 致性能的显著恶化。1，Q 信号 以太 网成 图 6 uwB接 收 端 基 带 设 计 前导 捕获、帧同步、信道 估计 以及 同步跟 踪 都是 基 于 P N序列的 自相关性质进行 的。P N序列具有尖锐 的 自 相关峰，当 2个相 同的 P N序列相位 完全相同时 自相关 运算 的结果 会产生 一个峰 值，而相位 不 同时，自相关 运 算结果却很小。捕获模块依靠 本地 P N与前导序 列的相 关运算结果来判 断是否有 帧到达：信道估 计通过检测 前 导序列 中的多个相 关峰，得 出每一 条径 的位置 以便 R AK E接收处理

19、；帧同步利用信道估计 的结果，对 帧头序 列做 相关检 测；同步跟踪 利用 跟踪序 列 的相关 检测 结 果，调整定时偏 差。R A K E接收机的作用是完成多径信号 的能量 收集与 信号合并。根据信道估计 的结果，在接 收数据 中寻找每 一条径的位 置，对 各条径 做相关 解 调 并 对结果 进行 合 并处理。R A K E接收机 的算法种类有很多，出于可实现性 与性能 的综合考 虑，设 计采用 了 P R A K E加最大 比合并 的 R A K E算 法。t i d e oa p plica t i o n&p r o j e c t ：R A K E接 收后 的载 波恢 复使 用 了经

20、 典 的科斯 塔斯(C o s t a s)环完成，判决反馈均衡器(DF E)使用 了基 于 L MS 算法的 自适应均衡器。通常情况下。载波恢复模块需要放 在均衡器之后，但这样需要进行复数均衡，硬件实现开销 较大。对于 B P S K调制来说，将载波恢复置于均衡器之前，可以使均衡器的抽头系数全部为实数 减小 了硬件规模。基带 处理最 后的步骤是 与发送端对称的信道解码 与 解 扰。经过基带处理的信号被 送往 以太 网成帧模块，实现 最后 的视 频解码 与显 示。6 以太 网成帧 与视频显 示软件设计 经过 U WB无 线传输后，以太 网成帧模块需要将 接 收到的应用层帧 完整而透 明地传输

21、到 P C平 台。该成帧 模 块仅使用符合以太 网 M A C格式的帧单向传输数据，并 不运行任何以太网 MAC协议。常见 的 1 0 0 M b i t s以太 网可以提供 1 2 5 Mb i t s 的传 输 速率，比物理层接 口的速率要高。在 以太 网成帧模块前 加 入缓存。考虑 到必要 的开销。缓存大小 比最大以太网帧 大 1 0 左右 即可保证缓存不会溢出。在 P C平 台，使用基于 Wi n d o w s 操作 系统 的 Wi n P c a p 和 Op e n C V软件开 发包实 现视频 解码与 显示。Wi n P c a p 是一套以太网软件开发包，提供全 面的以太 网

22、帧收发、解 析功能。O p e n C V提供 了强大的视频解码和播放功能翻。使 用Wi n P c a p和 Op e n C V，大 大简化 了视频解 码播放 软 件的开发难度。而任意一台安装了这两种软件包的 Wi n d o w s P C均可 以运行 程序，也增强 了程序 的可移植性。由于 O p e n C V仅支 持文件 形式 的图像解码 与播放，所 以需 要将 应用层 帧 中的 J P E G数据保 存为 临时文件，再进行播 放。由于 以太网帧解 析、临时文件保存和 图像显 示 均较为耗 时，因此为 了避免 Wi n P c a p软件核心缓存 的 溢出，使用了多线程 的处理办法

23、。视频解码显示软件流程 图如图 7所示。俅 仔 l 陆 叮 文件线 程 I等待I S c a n F in j l 垦 !中 广 西 f 临时j N 念 l l Sa v e F i n i s hE v S c a n F j n j s h Ev e n t i；图 7视 频 解码 显 示 软件 流程 图 视频 解码软件利用应用层帧尾 的校验信息判断数据 N o 0 8 V O I3 4 2 0 1 0(S u m N o 34 5)、ID E o 拍帐l 刊 帕 1 1 正确性。为了提高视频播 放质量，软件 中添加 了错误 隐 藏机制。当目前 接收到的图像帧校验和不正确时，选择 使用上一

24、帧图像代 替本帧显示。考虑到视频的连贯性，错误隐藏将最 多替代一个 错误 帧，下一 帧不论错误 与 否 都将被当作正确帧来显示。7 实验结果 该设计方案 的验证 系统基于 F P G A与 P C平 台联合 实现。根据系统资源 的需求，摄像头适配和 U WB基带发 送部分基于 Vi e x 一 4 x c 4 v l x l 5小容量 F P GA实现，射频 发送 部分在发送板上集成实现。天线为 自制宽带天线。接 收 端 射 频 部 分 独 立 制 板，基 带 部分 基 于 V i e x 一 4 x c 4 v l x 2 0 0大容量 F P GA实现。实验测试 了 5 0 I l l 的

25、走廊与斜穿 6 0 c m混凝土墙两 个场景。前者为密集多径环境，后者为功率深衰减场景。测试结果显示，2 5珧 的 V G A视频 显示无马赛克 等明显 错误，视频清晰流畅。视频采集与发送端达到了小体积、低功耗 的要求，验证系统发端功耗约为 4 W，体积不超过 6 0 mmx l 0 0 m mx l 0 mm。可以预期，在发送端实现芯片化 之后。将完全可以实现更低功耗、更小体积的视频监 控，满足各种应用 的需求。8 小结 针对无线通 信视频 监控系统 小体积、低功耗、高性 能 的需求，笔者提 出了基 于 V S 6 7 2 4摄像头与 S C U WB 无线传输系统设计方案，为设计 中的技术

26、难 点提供 了解 决方法。实际测试的结果验证 了方案 的可行性。系统设计 方案为其他类似系统的设计提供了借鉴，也促进了类似 应用的推广。此外，UWB技术还可以应用于其他领域。本 文针对 U WB传输系统的设计 方法，也 可以推广到更多 类似的应用领域中。参考文献：【I B E NE D E q T O M G D，G I A N C O L A G 超宽 带无线 电基础【M】葛利 嘉，朱林，袁晓芳，等，译 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 2 S T C o m p a n y V S 6 2 4 D a t a s h e e t，2 Me g a p i x e l s i n g l

27、 e c h i p e m l l e r a mo d u l e，R e v 1 E B O U 2 0 1 0-0 2 1 0 h t t p：w w w s t c o m s t o n l i n e t p rod u e t s l i t e r a t u r e d s 1 3 3 9 9 v s 6 7 2 4 p d f 【3】焦胜才，田晶磊，朱 亮 基于 V S 6 7 2 4的 F P G A视频接 口设计及解压 缩实 E B O L 2 0 1 0-0 2 2 5 h t t p：d w a n f a n g d a t a c o me n P e r i

28、 o d i e al _ d z s j y y 2 0 0 9 0 6 0 1 8 a s p x 4 X I A O Z，Z H U L，GE N，e t a1 T h e o p t i mu m S R AK E b a s e d R A K E-D F E r e c e i v e r f o r c a r r i e r D S-U WB s y s t e m s E B O L 2 0 1 0-0 2-2 5 1 h t t p：2 0 2 1 9 4 2 0 8 p r o c I C CS 2 0 0 8 p a p e r s 3 0 8 p 5 X I A O

29、Z，S U L，J I N D，e t a 1 I m p r o v i n g p e rf o r ma n c e o f S C-U WB s y s t e m s w i t h t h e o p t i m u m S R A K E b a s e d R AK E-D F E r e c e i v e r 叨 I E I C E T r a n s c o m mu n i c a t i o n s，2 0 0 9，E 9 2-B(8)：2 7 5 1 2 7 5 4 6 T h e Wi n P c a p T e a m T h e Wi n P c a p m

30、a n u a l a n d t u t o r i al f o r Win P c a p 4 1 I E B O L 2 0 1 0 0 2-2 5 1 W W W w i n p e a p o r g 7 O p e n C V参考 手 册 E B O L I 2 0 1 0-0 2-2 5 h t t p：d o w n l o a d c s d n n e t s o u r e e|2 2 1 41 6 责任编辑：任健 男 收稿 13期：2 0 1 0-0 5 2 1 (上接第 l 1 6页)4 小 结 本文对传统视频会议进行简单的改造，不增加摄像 机位和多视频流传输，也不

31、改变会议呼 叫方式，通过在集 中式 MC U中增加虚拟视频分割合成与声音定位控制功 能，在不过度 增加 MC U负载(在 Me d i a S w i t c h 5 0 0型 MC U中。C P U使用率增加不大于 2 0)的情况下，即可实 现虚拟 圆桌视频会议应用，且可在现实会议和虚拟会议 间直接切换，进一步增强会议效果。在高清视频会议系 统 中应用，会议的真实感和沉浸感更好。本 文中，会议终 端采用单一摄像 机，如何模拟现实会议中摄像机多机位、推拉、平移、俯仰等操作 应为下一步研究 的重点。参考文献：1 V U I L L E ME A G，C A P I N T K，P A ND Z

32、I C I S，e t a 1 N o n v e r b al c o rn mu n l c a t i o n i n t e rf a c e f o r c o l l a b o r a t i v e v i r t u a l e n v i r o n m e n t s J ，Vi r t u a l 视接簟 R e a l i t y，1 9 9 9，4(1)：4 9 5 9 【2 N A K A N 1 S H I H F r e e Wa l k：A 3 D v i r t u a l s p a c e f o r c u al m e e t i n g s 们

33、I E E E Mu l t i m e d i a，1 9 9 9，6(2)：2 O 一 2 8 3 张茂军，孙立 峰，李云浩，等 虚拟会议空间的研究与实现叨 计算 机 工 程，2 0 0 1(1)：1 l l 2 4 孙立峰，李放，钟玉琢，等 基于多视点视频 的虚拟会议显示与合 成【J】电子学报，2 0 0 4，3 3(2)：1 9 3 1 9 6 5 吕朝辉，董跃 基 于图像 的 中间视合 成方 法综述【J】电视 技术，2 0 0 9，3 3(6)：2 6 2 9 6】杭波，胡瑞敏，马哗 基于空 间对象的虚拟会议音频重建【J】电声技 术，2 0 0 9，3 3(7)：4 8 5 1 作者简介：王瑞刚(1 9 6 6 一)，高级工程师。长期从事投影电视墙、视频会议、多 媒体通信和信息安全技术及产 品研 究。承担 国家、陕西省教 育厅、西安 市视频会议关键技术研究及产业化项目。责任编辑：任健男 收稿 日期：2 0 1 o-o 5 _ 2 O