远程高清视频采集系统设计

论文摘要

随着中国经济建设的快速发展,传统低分辨率的视频监控系统已经越来越满足不了人们对于安全的要求。而市面上的基于前端压缩编码的高清网络视频监控系统,虽然从某些方面已经达到了高清视频监控的要求,但因为其开发周期长、成本高、显示效果有缺陷、易受到干扰等一系列固有问题的存在,所以仍然有待改进。通过对高清视频信号的采集和传输过程进行了深入研究,提出了基于千兆网络或光纤传输非压缩高清视频数据的解决办法。有效的解决了高清视频在采集、传输、显示过程中所出现的一系列问题。整个系统的硬件电路分为三个部分,分别是图像采集部分,控制部分和数据传输处理部分。图像采集部分通过美光公司的一款带内部图像处理功能的COMS图像传感器来实现高清视频图像的输出。由高性能单片机C8051F330通过I2C（Inter-Integrated Circuit）接口对图像传感器采集内部寄存器进行读写,实现对图像采集、数字处理等过程的控制。数据传输处理部分以一块FPGA（Field-Programmable Gate Array）芯片为核心,在内部通过以Verilog硬件描述语言和IP软核模块相结合的逻辑设计模式完成对一行视频图像的分帧、打包然后通过千兆MAC逻辑模块将数据封装成MAC（Media Access Control）帧传出送入PHY芯片。数据包通过PHY后以千兆以太网或光纤进行远程传输。对FPGA设计时,首先通过Modelsim进行了逻辑设计的软件仿真,实现基本功能,然后将设计文件下载到FPGA内部通过Reveal内部信号扫描工具观察信号的完整性,最后通过上位机的网络测试工具Wireshark来实现数据包的分析功能,查看数据包的具体内容。上位机测试软件调用Winpcap网络抓包工具监听网络端口,获取原始网络包。将数据包重新整理组合,调用DirectDraw图像显示工具进行图像显示。整个系统能比较稳定的工作,具有成本低、开发周期短、不易受外界干扰等特点。通过光纤和千兆网络实现非压缩的视频图像传输的设计思想,具有一定的创新性,基本上解决了压缩传输系统图像质量差等问题,在以后的数字视频监控技术的发展过程中将为有比较广阔的发展空间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题背景及选题意义
• 1.3 高清视频标准
• 1.4 国内外研究现状及发展状况
• 1.5 研究内容
• 1.5.1 系统设计要求
• 1.5.2 工作的主要内容
• 1.5.3 研究方法
• 1.6 论文内容
• 第2章 CMOS图像传感器
• 2.1 CMOS 传感器与CCD 传感器
• 2.2 图像传感器输出图像色彩空间及相互转换
• 2.3 MT9D111 CMOS 图像传感器内部结构
• 2.3.1 传感器性能特点及内部结构
• 2.3.2 传感器内核（Sensor Core）
• 2.3.3 图像流处理器（Image Flow Processor）
• 2.3.4 微控制器单元（MCU）
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 整体设计方案
• 3.2 图像采集模块
• 3.2.1 图像传感器选型
• 3.2.2 输出格式
• 3.2.3 电路连接
• 3.3 千兆网或光纤的发送接口模块
• 3.3.1 PHY 层电路设计
• 3.3.2 硬件配置
• 3.3.3 GMII 接口
• 3.3.4 PHY 芯片的外部接口模块
• 3.4 FPGA 数据处理电路
• 3.4.1 FPGA 及相关器件介绍
• 3.4.2 FPGA 配置电路
• 3.4.3 系统时钟电路
• 3.4.4 FPGA 设计中需要注意的问题
• 3.5 单片机控制模块
• 3.6 电源模块
• 3.7 PCB 设计时需要注意的问题
• 第4章 FPGA逻辑设计
• 4.1 内部逻辑设计概述
• conn 传感器接口模块'>4.2 Sen_conn 传感器接口模块
• fifo 视频缓冲区模块'>4.3 Sen_fifo 视频缓冲区模块
• contrl 核心控制模块'>4.4 F_contrl 核心控制模块
• gen 首部生成模块'>4.5 Head_gen 首部生成模块
• conn MAC 初始化模块'>4.6 Host_conn MAC 初始化模块
• FIFO MAC 发送缓冲区模块'>4.7 Tx_FIFO MAC 发送缓冲区模块
• 4.8 FPGA 开发流程
• 第5章 单片机控制软件设计
• 5.1 主程序设计
• 5.2 MT9D111 的配置操作
• 2C 接口总线'>5.2.1 I²C 接口总线
• 2C 总线的操作'>5.2.2 I²C 总线的操作
• 5.3 UART 串口通讯
• 5.4 PHY 芯片控制操作
• 5.4.1 MDC/MDIO 介绍
• 5.4.2 控制程序设计
• 第6章 PC端测试软件设计
• 6.1 基于Winpcap 系统的数据包获取
• 6.2 数据包的处理
• 6.2 视频显示
• 第7章 系统调试
• 7.1 FPGA 逻辑设计调试
• 7.1.1 布局布线前的行为级调试仿真
• 7.1.2 基于Reveal 的后端调试
• 7.1.3 基于Wireshark 工具的数据包格式分析
• 7.2 CMOS 图像传感器调试
• 7.3 PHY 芯片工作状态调试
• 总结与展望
• 致谢
• 攻读学位期间取得学术成果
• 参考文献
• 附录A 硬件系统实物图
• 附录B 部分 FPGA逻辑设计