8K攝像機(jī)視頻流通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)便攜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)*

*深圳市技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目：重2020N061 8K攝像機(jī)圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

0   引言

5G 是最新一代移動(dòng)通信技術(shù)，具有傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)延遲低、帶寬高、連接數(shù)密度大、可移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛^[1]。目前全球大部分國(guó)家都在加速推進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)、5G 基站等基礎(chǔ)設(shè)施的部署。5G 在2020 年已開(kāi)始商用，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2020 年有超過(guò)34 個(gè)國(guó)家、378 個(gè)城市部署了5G 商用網(wǎng)絡(luò)，并在不斷探索、試點(diǎn)和完善相關(guān)應(yīng)用。截至2021 年3 月底，我國(guó)累計(jì)建成5G 基站81.9 萬(wàn)個(gè)，占全球70% 以上，5G 終端連接數(shù)超過(guò)2.8 億，全球最大規(guī)模5G 商用網(wǎng)絡(luò)已在中國(guó)建成^[2]。

8K 超高清是超高清顯示的下一代技術(shù)，能夠提供良好的視頻體驗(yàn)和品質(zhì)，是技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)^[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(dá)到2 000 Mbit/s，可滿足8K 視頻流的傳輸需求。8K 攝像機(jī)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(wèn)題。而現(xiàn)有的攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)主要在存儲(chǔ)卡中，數(shù)據(jù)傳輸接口主要有HDMI、網(wǎng)絡(luò)接口、WiFi、SDI 等，通過(guò)此類接口可以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)跟顯示器、服務(wù)器等傳輸^[4]。以上傳輸方式，在配合相關(guān)設(shè)備的情況下，可實(shí)現(xiàn)直播、視頻流錄制等功能。

但在無(wú)人機(jī)等各種移動(dòng)方式下，存在實(shí)現(xiàn)不便等問(wèn)題，如果要解決帶寬以及可移動(dòng)便攜性問(wèn)題，需要能跟8K攝像機(jī)配套應(yīng)用的可移動(dòng)式高帶寬網(wǎng)絡(luò)，而根據(jù)5G 的高帶寬、低延時(shí)、便攜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種8K 攝像機(jī)視頻流通過(guò)5G 信號(hào)便攜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)，是技術(shù)需要解決的問(wèn)題。

1   系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)

1.1 方案簡(jiǎn)述

本文所涉及的8K 攝像機(jī)視頻流通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)便攜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分功能，可錄制的8K 攝像機(jī)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(jī)對(duì)視頻進(jìn)行采集，編碼壓縮、對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行傳輸；同時(shí)具有對(duì)5G 通信模塊供電、通信控制等功能，5G 通信模塊主要實(shí)現(xiàn)8K 攝像機(jī)編碼后的視頻數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)皆贫?，?K 攝像機(jī)和5G 通信模塊之間通過(guò)USB 信號(hào)（或PCIE 信號(hào)的方式）進(jìn)行傳輸。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝上，8K 攝像機(jī)設(shè)計(jì)了固定外接設(shè)備的通用接口，另設(shè)計(jì)可以拆卸式支架，5G 通信模塊通過(guò)支架固定在攝像機(jī)上。當(dāng)使用8K 攝像機(jī)需要進(jìn)行5G 數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)皆贫藭r(shí)，將5G 通信模塊通過(guò)支架固定在攝像機(jī)上，8K 攝像機(jī)與5G 通信模塊之間供電和通信，實(shí)現(xiàn)8K 視頻的便捷傳輸，可以滿足無(wú)人機(jī)等不方便布局網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下直播對(duì)硬件設(shè)備的需求，節(jié)省成本。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 為本方案的系統(tǒng)框圖，主要由8K 攝像機(jī)、5G通信模塊等組成。其中8K 攝像機(jī)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(hào)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(fù)責(zé)8K 攝像機(jī)系統(tǒng)供電及供電邏輯電源管理，同時(shí)通過(guò)USB3.0 或USB3.1 接口電源信號(hào)提供給5G 通信模塊的5 V 供電。優(yōu)選方案是，8K 攝像機(jī)和5G 通信模塊的USB 連接可設(shè)計(jì)為TYPEC插座形式，并通過(guò)合適的線材完成對(duì)接，內(nèi)部數(shù)據(jù)信號(hào)完成8K 攝像機(jī)對(duì)采集編碼后的音視頻信號(hào)傳輸。

SENSOR 模塊、鏡頭、ISP 圖像編碼處理模塊為攝像機(jī)的三大核心，鏡頭采集拍攝目標(biāo)的光信號(hào)，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(hào)處理編碼的ISP 芯片。5G 通信模塊將攝像機(jī)的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)為射頻信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)5G 無(wú)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(jī)的ISP 芯片可以通過(guò)USB3.1 與5G 通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及設(shè)備控制。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件框圖，由于5G 通信模塊的供電是由攝像機(jī)提供，在攝像機(jī)通電開(kāi)機(jī)后，5G 通信模塊也會(huì)同時(shí)通電，隨后攝像機(jī)上電初始化，并對(duì)USB Device 等接口設(shè)備進(jìn)行掃描，確認(rèn)是否有系統(tǒng)中的5G 通信模塊接入，如果沒(méi)掃描到，則繼續(xù)執(zhí)行檢查動(dòng)作。當(dāng)檢測(cè)到有5G 通信模塊接入時(shí)，開(kāi)始初始化設(shè)置5G 通信模塊。攝像機(jī)開(kāi)機(jī)后，根據(jù)攝像機(jī)的拍攝設(shè)置參數(shù)，進(jìn)入設(shè)置拍攝狀態(tài)，等待拍攝指令。在檢測(cè)到拍攝指令后，開(kāi)始進(jìn)行拍攝和視頻編碼存儲(chǔ)。隨后檢測(cè)是否視頻有云端傳輸需求，如無(wú)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(wù)器用戶名或所配置地址，并進(jìn)行視頻流上傳。

圖2 功能流程圖

1.3 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 為攝像機(jī)固定支架螺釘示意圖，其中攝像機(jī)的側(cè)邊設(shè)計(jì)有2~3 個(gè)可固定支架的螺釘孔，圖4 是支架實(shí)物圖，支架可旋轉(zhuǎn)，分左側(cè)和右側(cè)，左側(cè)設(shè)計(jì)有跟攝像機(jī)螺釘孔位對(duì)應(yīng)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(guò)以上安裝，5G 通信模塊可以便捷安裝在攝像機(jī)上，實(shí)現(xiàn)8K攝像機(jī)便攜式的基于5G 傳輸硬件系統(tǒng)的搭建。

圖3 攝像機(jī)固定支架螺釘示意圖

圖4 支架實(shí)物圖

圖5 5G通信模塊置入支架實(shí)物圖

圖6 為結(jié)構(gòu)圖紙，1 為螺釘固定，2 為5G 通信模塊放置區(qū)。

2   結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文方案的實(shí)施，便捷實(shí)現(xiàn)了8K 攝像機(jī)視頻流通過(guò)5G 向云端或服務(wù)器的傳輸，主要實(shí)現(xiàn)的效果如下。

1）8K 攝像機(jī)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(jī)、支架、5G 通信模塊設(shè)計(jì)為可拆卸獨(dú)立模塊，且5G 通信模塊可通過(guò)支架直接固定在8K攝像機(jī)上，實(shí)現(xiàn)8K 攝像機(jī)靈活的使用5G 通信進(jìn)行數(shù)據(jù)云端傳輸，滿足任何基于5G+8K 的直播場(chǎng)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(yīng)用成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 5G當(dāng)代移動(dòng)通信技術(shù)制高點(diǎn)[EB/OL].人民日?qǐng)?bào),2020[2020-02-04]. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1657557497440734032&wfr=spider&for=pc.

[2] 我國(guó)5G基站超81.9萬(wàn)個(gè),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(guó)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(guó)產(chǎn)化白皮書(shū),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(guó),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(guó),202011205788.1[P].2020-11-2.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）