8K攝像機視頻流通過5G網(wǎng)絡便攜傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法及系統(tǒng)*

*深圳市技術攻關重點項目：重2020N061 8K攝像機圖像處理關鍵技術研發(fā)

0   引言

5G 是最新一代移動通信技術，具有傳輸速度快、網(wǎng)絡延遲低、帶寬高、連接數(shù)密度大、可移動性強等優(yōu)點，應用場景十分廣泛^[1]。目前全球大部分國家都在加速推進5G 網(wǎng)絡、5G 基站等基礎設施的部署。5G 在2020 年已開始商用，據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示：2020 年有超過34 個國家、378 個城市部署了5G 商用網(wǎng)絡，并在不斷探索、試點和完善相關應用。截至2021 年3 月底，我國累計建成5G 基站81.9 萬個，占全球70% 以上，5G 終端連接數(shù)超過2.8 億，全球最大規(guī)模5G 商用網(wǎng)絡已在中國建成^[2]。

8K 超高清是超高清顯示的下一代技術，能夠提供良好的視頻體驗和品質(zhì)，是技術和市場發(fā)展的趨勢^[3]。而高質(zhì)量8K 視頻需要>140 Mbit/s 傳輸帶寬要求，5G傳輸帶寬可達到2 000 Mbit/s，可滿足8K 視頻流的傳輸需求。8K 攝像機為作為超高清產(chǎn)業(yè)鏈的前端，主要解決的是8K 內(nèi)容的生產(chǎn)問題。而現(xiàn)有的攝像機視頻數(shù)據(jù)的存儲主要在存儲卡中，數(shù)據(jù)傳輸接口主要有HDMI、網(wǎng)絡接口、WiFi、SDI 等，通過此類接口可以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)跟顯示器、服務器等傳輸^[4]。以上傳輸方式，在配合相關設備的情況下，可實現(xiàn)直播、視頻流錄制等功能。

但在無人機等各種移動方式下，存在實現(xiàn)不便等問題，如果要解決帶寬以及可移動便攜性問題，需要能跟8K攝像機配套應用的可移動式高帶寬網(wǎng)絡，而根據(jù)5G 的高帶寬、低延時、便攜等特點，設計一種8K 攝像機視頻流通過5G 信號便攜傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法及系統(tǒng)，是技術需要解決的問題。

1   系統(tǒng)方案的實現(xiàn)

1.1 方案簡述

本文所涉及的8K 攝像機視頻流通過5G 網(wǎng)絡便攜傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法及系統(tǒng)，主要實現(xiàn)兩個部分功能，可錄制的8K 攝像機方案、具有5G 通信功能的模塊及中間銜接安裝裝置^[5]。

系統(tǒng)中由8K 攝像機對視頻進行采集，編碼壓縮、對視頻信號進行傳輸；同時具有對5G 通信模塊供電、通信控制等功能，5G 通信模塊主要實現(xiàn)8K 攝像機編碼后的視頻數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)皆贫?，?K 攝像機和5G 通信模塊之間通過USB 信號（或PCIE 信號的方式）進行傳輸。

在結構設計和安裝上，8K 攝像機設計了固定外接設備的通用接口，另設計可以拆卸式支架，5G 通信模塊通過支架固定在攝像機上。當使用8K 攝像機需要進行5G 數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)皆贫藭r，將5G 通信模塊通過支架固定在攝像機上，8K 攝像機與5G 通信模塊之間供電和通信，實現(xiàn)8K 視頻的便捷傳輸，可以滿足無人機等不方便布局網(wǎng)絡的環(huán)境下直播對硬件設備的需求，節(jié)省成本。

1.2 系統(tǒng)方案設計

圖1 為本方案的系統(tǒng)框圖，主要由8K 攝像機、5G通信模塊等組成。其中8K 攝像機主要有電源管理模塊、鏡頭、SENSOR 模塊、ISP 圖像編碼處理模塊以及8K信號傳輸接口等。其中電源管理模塊輸入電壓為12 V，有適配器或電池輸入，主要負責8K 攝像機系統(tǒng)供電及供電邏輯電源管理，同時通過USB3.0 或USB3.1 接口電源信號提供給5G 通信模塊的5 V 供電。優(yōu)選方案是，8K 攝像機和5G 通信模塊的USB 連接可設計為TYPEC插座形式，并通過合適的線材完成對接，內(nèi)部數(shù)據(jù)信號完成8K 攝像機對采集編碼后的音視頻信號傳輸。

SENSOR 模塊、鏡頭、ISP 圖像編碼處理模塊為攝像機的三大核心，鏡頭采集拍攝目標的光信號，SENSOR使用的是能處理8K 分辨率的CMOS 傳感器，鏡頭和SENSOR 連接的卡口可為M43 口或EF 口等。ISP 模塊使用海思的3559A 芯片，也可使用其他具有8K 信號處理編碼的ISP 芯片。5G 通信模塊將攝像機的視頻信號轉(zhuǎn)為射頻信號，并實現(xiàn)5G 無線傳輸，5G 通信模塊內(nèi)的5G 模塊使用海思的MH5000-31 或其他具有同等功能的模塊。攝像機的ISP 芯片可以通過USB3.1 與5G 通信模塊進行數(shù)據(jù)交換及設備控制。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 為本系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件框圖，由于5G 通信模塊的供電是由攝像機提供，在攝像機通電開機后，5G 通信模塊也會同時通電，隨后攝像機上電初始化，并對USB Device 等接口設備進行掃描，確認是否有系統(tǒng)中的5G 通信模塊接入，如果沒掃描到，則繼續(xù)執(zhí)行檢查動作。當檢測到有5G 通信模塊接入時，開始初始化設置5G 通信模塊。攝像機開機后，根據(jù)攝像機的拍攝設置參數(shù)，進入設置拍攝狀態(tài)，等待拍攝指令。在檢測到拍攝指令后，開始進行拍攝和視頻編碼存儲。隨后檢測是否視頻有云端傳輸需求，如無云端傳輸需求，則繼續(xù)保持現(xiàn)有狀態(tài)，如有云端傳輸需求，則獲取云端服務器用戶名或所配置地址，并進行視頻流上傳。

圖2 功能流程圖

1.3 安裝結構設計

圖3 為攝像機固定支架螺釘示意圖，其中攝像機的側(cè)邊設計有2~3 個可固定支架的螺釘孔，圖4 是支架實物圖，支架可旋轉(zhuǎn)，分左側(cè)和右側(cè)，左側(cè)設計有跟攝像機螺釘孔位對應的螺釘孔位，右側(cè)為放置5G 通信模塊的區(qū)域，圖5 為放入5G 通信模塊的示意圖，通過以上安裝，5G 通信模塊可以便捷安裝在攝像機上，實現(xiàn)8K攝像機便攜式的基于5G 傳輸硬件系統(tǒng)的搭建。

圖3 攝像機固定支架螺釘示意圖

圖4 支架實物圖

圖5 5G通信模塊置入支架實物圖

圖6 為結構圖紙，1 為螺釘固定，2 為5G 通信模塊放置區(qū)。

2   結束語

通過本文方案的實施，便捷實現(xiàn)了8K 攝像機視頻流通過5G 向云端或服務器的傳輸，主要實現(xiàn)的效果如下。

1）8K 攝像機的傳輸帶寬較高，5G 通信模塊傳輸可以滿足數(shù)據(jù)傳輸流暢要求。

2）8K 攝像機、支架、5G 通信模塊設計為可拆卸獨立模塊，且5G 通信模塊可通過支架直接固定在8K攝像機上，實現(xiàn)8K 攝像機靈活的使用5G 通信進行數(shù)據(jù)云端傳輸，滿足任何基于5G+8K 的直播場景需求，如航拍、戶外直播等。

本方案直接使用ISP 處理芯片作為5G 通信控制模塊的數(shù)據(jù)交換控制芯片，節(jié)省了系統(tǒng)應用成本。

參考文獻：

[1] 5G當代移動通信技術制高點[EB/OL].人民日報,2020[2020-02-04]. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1657557497440734032&wfr=spider&for=pc.

[2] 我國5G基站超81.9萬個,規(guī)模有多大?[EB/OL].南都大數(shù)據(jù)研究院,2021[2021-05-17].https://www.sohu.com/a/466967123_161795

[3] 中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CUVA)內(nèi)容供給組.5G+8K超高清國產(chǎn)化白皮書,2020[A].

[4] 馮玲玲.一種基于DP接口的8K超高清顯示系統(tǒng):中國,201410810049.X[P].2014-07-30.

[5] 余明火,侯亞榮,王德闖.一種顯示系統(tǒng):中國,202011205788.1[P].2020-11-2.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）