在下姓宋 · 2021年09月01日

【2021研电赛】多路超高清摄像头控制器设计|HDC队

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1.作品简介

超高清摄像头广泛应用于各个领域,越来越多的应用场景需要多摄像头协同工作。然而,市面上现有的摄像头往往采用单个镜头,缺少针对多摄像头协同联合驱动的解决方案。

本团队针对现有摄像头控制器存在的镜头数量少、视频有压缩损耗、本地处理能力弱、传输带宽小、接口灵活性差等不足,提出了一种集采集、处理、显示和传输于一体的硬件解决方案和软件验证平台,该系统采用SOC加大规模FPGA架构,实时采集、处理六路4K/30fps高分辨率视频流,利用HDMI 2.0接口和40G万兆以太网实现本地显示和数据传输。
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2.创新点

本作品有以下创新点:

  • 各项参数指标较现有技术显著提升:
    1)在采集方面,支持六路4K/30fps视频同时捕获和处理;
    2)在处理方面,双FPGA芯片配合,具有高清大流量视频实时处理能力;
    3)在内存方面,具有8片DDR4@2666Mbps和4片DDR3@1866Mbps高速存储芯片,共56Gb存储空间;
    4)在显示方面,具有HDMI 2.0接口,实现本地实时显示,支持最高视频质量4K/60fps;
    5)在传输方面,具有万兆以太网SFP+接口,支持最大40Gbps数据传输;
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  • 软硬件自主研发设计的全套完整系统:
    1)硬件自主设计:根据系统功能,定制化设计14层印制电路板;
    2)软件自主研发:FPGA代码、C语言代码和上位机代码均由组内成员独立研发;
    3)系统外设丰富,接口灵活,支持多功能开发;
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  • 兼具远程摄像头模式和独立仪器模式:
    1)远程摄像头模式下,基于40Gbps带宽的万兆以太网,一方面可将实时视频和大流量数据传给上位机,利用光纤实现远距离传输;另一方面可将多板并行复用,实现高效扩展;
    2)独立仪器模式下,基于Soc+FPGA架构和HDMI接口,可将大规模处理和显示的工作在本地实现,完成上位机资源的卸载。

3.系统整体方案

整套系统的架构如下图所示。以核心处理板为核心,板载ZYNQ芯片实现多路摄像头的驱动、多路超高清视频流获取、多路视频拼接和视频流的本地缓存;板载Kintex-7芯片实现本地超高清视频显示、万兆以太网驱动和与上位机的视频传输。核心处理板主要包括以下部分:六路图像传感器模块、两个核心处理器模块、数据片外存储模块、与PC机端的数据交互模块、本地显示模块以及电源模块。视频获取、处理、缓存、显示和传输的过程如下:多路摄像头采集到的实时超高清视频流在ZYNQ芯片中进行格式转换、同步率调整、视频拼接,处理后的4K/30fps视频通过GTH高速收发对,以10Gbps的速率传给Kintex-7芯片。Kintex-7芯片同样通过GTX高速收发对接收此超高清视频,一方面驱动本地HDMI接口显示,另一方面通过光口和光纤将视频流发送给上位机。
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4.总结

综上,本团队独立研发的多路超高清摄像头控制器设计,本系统实现了对多路4K分辨率摄像头的精准协同控制,采集、处理、传输的各项参数优于市面产品,为现今多元化、多场景下的高清摄像头控制提供了一个高性能的可行性平台,应用场景有工业自动化领域、交通领域、物流领域的高精度视频采集,如数控机床、机器人控制、自动驾驶、包装检测设备等。

更多研电赛作品请查看2021年研电赛获奖作品合集
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