曹飞，甄国涌，陈建军

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051）

随着时代的发展，视频监控技术已经广泛应用在各行各业，而且高速率、高清化、高压缩率成为新发展要求[1]。实际应用中的图像数据量比较庞大，如果不加优化处理直接存储本地，将导致存储资源非常紧张[2]。例如典型的监控系统CIF 格式视频，分辨率为352×288，一般为RGB24 位图像深度、帧频25 fps，记录一小时需25 GB 的存储资源。若同等情况下记录1080P 视频，则需约1.22 T 的容量，普通的存储设备难以满足要求。而且在一些特殊领域，例如航天航空、无人机等，存储资源和传输链路带宽是无法完全满足要求的，必须要将图像数据经过压缩处理[3-4]。所以在图像采集处理和存储过程中，压缩编码已不可或缺，压缩损伤少、压缩比高的编码算法尤为重要，具有重要的现实意义。

为了满足嵌入式设备中日益增长的高速、高清、高压缩率图像传输的要求，该设计采用高动态CMOS 图像传感器作为图像捕获前端，集成H.264 压缩硬核的高性能ARM 芯片作为图像采集传感器，高效率的DC/DC 电压芯片作为电压模块，设计了一种高性能的图像采集压缩系统。

1 总体方案设计

系统设计方案如图1 所示，整体分为四大模块：图像采集模块、控制模块、存储模块、通信模块。图像采集模块采用AR0230CS CMOS 传感器，其相关寄存器通过I2C 接口配置，使输出8 位数字图像数据；控制模块采用海思公司的Hi3516D 芯片，对CMOS图像数据进行采集、H.264 编码压缩等处理，同时接收通信模块下发的命令来重新配置系统的帧率、分辨率等参数；存储模块使用16 bit 的DDR3 和256MB的SPI NOR FLASH，其中DDR3 用作嵌入式板端Linux 系统的运行空间，FLASH 用作存放引导Linux启动的uboot、内核镜像、文件系统等必要文件，FLASH 的启动模式通过硬件电路配置为3 bytes 地址模式；通信模块的协议采用TCP、百兆以太网接口，将编码输出的图像数据送至PC 端上位机显示、存储，也可以将上位机的图像配置参数下发到控制模块，满足多种图像格式的应用需求。

图1 总体方案设计

2 系统硬件电路设计

2.1 ARM硬件设计

Hi3516D 是海思开发的一款专业高端SOC 芯片，定位于高清IPCamera 产品应用，拥有先进低功耗架构设计和低功耗工艺。处理器内核采用ARM Cortex A7，时钟频率600 MHz，最大能力支持5M Pixel输入，1080P@60fps输出[5-6]。其优异编码图像质量、H.264 多码流编码性能，在满足不同的IPCamera产品需求、性能、图像质量要求的同时，可极大降低ebom 资源。这一切使得Hi3516D 在低功耗、高图像质量、高压缩率方面表现优异，因此该系统设计采用高性能的Hi3516D 作为主控芯片。

2.2 CMOS传感器硬件电路设计

该设计在最大输出能力1080P 分辨率的前提下，为了降低系统的功耗、增加图像动态范围，采用了低功耗、高动态的CMOS 图像传感器AR0230CS作为图像捕获前端。AR0230CS 是一款1/2.7 英寸CMOS 数字图像传感器，有源像素阵列为1 920 H×1 080 V，在此分辨率下输出最大帧频为60 fps。它专为低光和高动态范围的场景性能而设计，最大动态范围达96 dB，信噪比达41 dB。COMS 为了降低功耗，芯片工艺上采用一个晶体管只采样一个颜色分量的方法，利用差值计算相邻像素的值，这样同时也简化了原始图像的数据大小。

图2 为AR0230CS 与Hi3516D 的硬件连接图[7]。AR0230CS 可以使用HiSPi 接口传输数据，Hi3516D通过自身集成的MIPI_RX 控制器接收图像数据。AR0230CS 图像传感器采用Hi3516D 输出的27 MHz作为输入时钟；SDATA 信号为I2C 的双向数据线、SCLK 信号为I2C 的时钟线，Hi3516D 通过 这两条总线对AR0230CS 寄存器进行配置，主要配置的功能寄存器有宽动态模式选择、图像大小、曝光时间等参数。MIPI_RX 接口包含1 组差分时钟线MIPI_CLK和4 组数据差分线MIPI_DATA，MIPI_RX 底层数据包包含短包和长包数据，短包用来同步，长包用来传送数据，这样硬件上省去了帧同步和行同步硬件连接[8-9]。RESET_BAR 为复位信号，当抓拍或视频采集功能重启时，Hi3516D 需要对AR0230CS 进行复位操作，寄存器清零，再次配置。在PCB 设计上，AR0230CS 为敏感元件，器件布局与Hi3516D 需相隔较大距离，避免集中散热。

2.3 电源硬件电路设计

该设计获取外部5 V 直流输入供电、内部两级降压模式，首先通过电源转换芯片MP2122 将5 V 转化为3.3 V、1.1 V 供ARM 使用，1.5 V 供DDR3 使用，然后通过电源芯片TPS82084 将3.3 V 转换为1.8 V、2.8 V，供图像传感器使用。图3 为一路电源芯片MP2122 的硬件电路图。

图2 AR0230CS与Hi3516D的硬件连接图

图3 MP2122硬件电路图

由于输出电源支路较多，故使用了高性能的电源芯片。其中MP2122 是一款效率高达93%的DC/DC降压芯片，具有2.7～6 V宽动态输入，双路2 A PWM输出，开关频率为固定1 MHz，静态电流为45 μA，使得MP2122 为整体系统提供了稳定、低功耗的电源保障。而TPS82084 是一款效率高达95%的DC/DC 降压芯片，具有2.5～6 V 宽动态输入，静态电流为17 μA，优势是自身集成了电感，可以简化设计、减少外部元器件并节省PCB 面积，为图像传感器所处的特殊位置提供了空间便利。

MP2122 输出电压可以通过R3、R5动态调节，调整结果为该设计中需要输出电压为1.1 V，根据计算及芯片手册推荐值可得R1=12.7 kΩ、R2=12.7 kΩ。

由于输入电源中存在纹波干扰，因此须在电源电路的输入端和电源地之间并联加入0.1μF和10 μF电容（C1、C2）以减少外部的高低频扰动。同时为了保证电源电压减小输出纹波、稳定输出，输出端串联2.2 μH 电感（图3 的L1、L2），并联0.1 μF、10 μF 电容（图3 的C5、C6和C7、C8）。在PCB 的设计上，电源全部使用整平面层供电，所以每个滤波电容需要紧靠电源管脚放置，尽量减小寄生电感的产生。且电源芯片周围尽量多敷铜，以增强PCB 板的有效散热。

3 软件设计

3.1 图像采集软件实现

Hi3516D 内部集成图像捕获单元,可以接收HiSPi 等MIPI_Rx 接口的图像信号，采集之前需要配置VI 输入接口类型为HiSPi 的1080P 图像输入，即修改程序为stViConfig.enViMode=SAMPLE_VI_MODE_ HiSPi _1080P。系统在进行缓存池配置和MPP（海思多媒体软件平台）初始化后，图像数据开始输入[10-12]。

图像输入程序流程如图4 所示，首先打开MIPI接口设备文件，将接口模式配置成HiSPi 模式，设置VI_DEV_ATTR_S 结构体，其中包含图像输入设备属性（HI_MIPI_VI_SetDevATTR 接口）、图像分辨率（宽、高度参数为stDevAttr.stDevRect.u32Width 和stDevAttr.stDevRect.u32Height）等图像信息，调用HI_MIPI_VI_EnableDev 函数启动图像输入设备；然后定义并设置结构体变量VI_CHN_ATTR_S，这个结构体定义了图像输入通道属性，主要包含逐行扫描、目标图像的大小、像素格式等配置，调 用API 接口HI_MIPI_VI_EnableChn 函数启动图像物理通道。至此，图像输入模块结束，将采集到HiSPi 接口的图像数据送至下一模块。

图4 图像输入流程图

3.2 图像压缩软件实现

Hi3516D 内部集成了一个H.264 硬件编解码器，图像编码程序流程如图5 所示。首先，定义并设置结构体变量VENC_CHN_ATTR_S，这个结构体定义了通道属性，包含编码器属性配置（VENC_ATTR_S）、图像宽度高度等信息；然后，调用函数HI_MIPI_VENC_CreateChn 创建H.264 编码通道，并调用函数HI_MIPI_VENC_StartRecvPic 开始接收图像；最后，调用HI_MIPI_SYS_Bind 函数将VPSS（图像处理模块）通道与编码通道绑定在一起，用于创建线程接收H.264 压缩码流[13-15]。至此，图像编码模块结束，将压缩完的图像数据保存到本地或者通过传输接口送至外部。

图5 图像编码流程图

4 结果分析及验证

4.1 图像质量测试

该测试采用客观评价标准PSNR（峰值信噪比）来分析图像质量，PSNR 越高，质量越好。通常来讲，PSNR 值大于28 dB 时，图像质量无明显差异，处于[35 dB,40 dB]区间时，人眼已分辨不出图像之间的差异[16-17]。具体采用FFmpeg 软件将VENC 模块编码输出的H.264 文件转换成VI 模块采集输出的YUV文件，再通过Matlab 软件计算H.264 文件相对YUV文件的PSNR 值。

文中测试选取了4 种典型分辨率、帧频25 fps、两种拍摄画面（实验室的普通活动、网络视频的激烈打斗画面），每种情况分别计时15 min、30 min、45 min，最后得出PSNR 平均值，统计情况如表1 所示。

表1 多种分辨率、不同场合的PSNR 测试

分析表1 可知，该系统对于平缓画面的压缩质量较剧烈画面更好，而且每种情况下的PSNR 都处于[36 dB，37 dB]区间，客观表明本采集压缩系统图像质量良好，符合较高的实际需求。系统采集压缩后的图像如图6 所示。

4.2 压缩比测试

根据4.1 节的测试条件，计算压缩比=YUV 文件大小/H.264 文件大小，结果如表2 所示。

分析表2 可知，该系统对于剧烈画面的压缩比较平缓画面更高，因为剧烈画面的PSNR 要低于平缓画面，导致可能存在丢帧现象，所以压缩后的剧烈画面文件大小较小。整体平均压缩比大于150∶1（YUV文件大小∶H.264 文件），压缩性能良好。

图6 1 920×1 080分辨率的系统输出图片

表2 多种分辨率、不同场合的压缩比测试

5 结束语

文中设计采用高动态AR0230CS 图像传感器作为图像捕获前端、集成H.264 压缩硬核的高性能Hi3516D 芯片作为控制核心、高效率的电源模块，支持多种分辨率，最大输出能力为1 920×1 080@30fps，重建图像序列平均PSNR 大于36 dB，图像清晰流畅、稳定可靠，存储文件压缩比大于150∶1，较大地节省了存储资源，满足较高的嵌入式实际应用需求。