基于UVC協(xié)議的4K智能攝像頭

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款基于UVC協(xié)議的4K智能攝像頭，主控采用瑞芯微RV1126，傳感器采用思特威 SC8238。攝像頭通過(guò)USB接口直連電視，實(shí)現(xiàn)4K高清呈現(xiàn)。支持UVC協(xié)議，具有行人追蹤功能。

關(guān)鍵詞：4K；智能攝像頭；UVC協(xié)議；行人追蹤

0 引言

隨著 4K 電視的普及和家庭視頻會(huì)議、家庭娛樂(lè)健身的需求，本文開(kāi)發(fā)了一款基于 UVC（USB 視頻類， USB Video Class）協(xié)議的 4K 智能攝像頭，通過(guò) USB 連 接線直連 4K 電視，即可實(shí)現(xiàn)攝像頭到電視端到端的 4K 超清呈現(xiàn)，如圖 1。

圖1 攝像頭應(yīng)用系統(tǒng)框圖

本文開(kāi)發(fā)的基于 UVC 協(xié)議的 4K 智能攝像頭操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，價(jià)格便宜，具有良好的應(yīng)用與發(fā)展前景。本文重點(diǎn)介紹攝像頭硬件主要電路開(kāi)發(fā)和 UVC 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控采用瑞芯微 RV1126，傳感器采用思特威 SC8238。攝像頭通過(guò)傳感器采集圖像信息，通過(guò) MIPI 信號(hào)將采集的圖像信息傳送到主控，主控對(duì)圖像進(jìn)行編解碼后通過(guò) USB 接口將圖像信息發(fā)送給電視，電視顯示傳感器采集的圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭到電視端 4K 超清呈現(xiàn)，攝像頭視頻信號(hào)流，如圖 2。

1.1 RV1126介紹

RV1126 支持 4K（3 840×2 160）H.265 30 fps 視頻編碼，四核 Arm Cortex-A7 架構(gòu)，內(nèi)部集成了 2.0 Tops 的 NPU，NPU 支持 INT8/INT16 混合操作，可以很容易在 TensorFlow、MXNet、PyTorch、Caffe 之間轉(zhuǎn)換。RV1126 每個(gè)核里面都包含一個(gè) 32 KB I-cache、32 KB D-cache 和共用二級(jí)緩存 512 KB。芯片內(nèi)容集成了 HDR（高動(dòng)態(tài) 范圍成像，High Dynamic Range Imaging）、3A 功能（AE、 AF、AWB）、LSC、3DNR、2DNR、銳化，dehaze、魚眼校正、gamma 校正、特征點(diǎn)檢測(cè)等算法加速器。芯片集成了 MIPI（移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口，Mobile Industry Processor Interface）接口，通過(guò) MIPI 信號(hào)和傳感器直連。

1.2 SC8238介紹

思特威 SC8238 最高支持 4K（3 840×2 160）的傳輸速率，是一款業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)字 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器，它輸出的是 raw 格式圖像，有效像素為 3 872×2 180，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 I²C（集成電路互連通信電路，Inter-Integrated Circuit）接口讀寫寄存器。它采用了 1.5 μm 背照式像素技能，在相同產(chǎn)品中靈敏度在 1 160 mV/Lux·s 時(shí)功耗最低。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括電源模塊、時(shí)鐘復(fù)位電路、主控、傳感器、USB（通用串行總線，Universal Serial Bus）、DDR（雙倍速率，Double Data Rate）和 Flash 等，硬件電路框圖如圖 3。

其中，整個(gè)系統(tǒng)的電源是通過(guò) USB 提供的，時(shí)鐘和復(fù)位保證系統(tǒng)正常工作，F(xiàn)lash 是用來(lái)存儲(chǔ)程序的，DDR 是隨機(jī)存儲(chǔ)器，系統(tǒng)通過(guò)思特威傳感器芯片 SC8238 采集圖像數(shù)據(jù)，用瑞芯微 RV1126 芯片對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，最后通過(guò) USB2.0 發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到電視端。

RV1126 時(shí)鐘電路由內(nèi)部的反饋電路和外置的 24 MHz 晶體振蕩電路構(gòu)成；系統(tǒng)時(shí)鐘使用有源晶體時(shí)，時(shí)鐘的幅度是 1.8 V±10%。芯片復(fù)位引腳低電平大于 4 μs 時(shí)芯片復(fù)位，芯片復(fù)位引腳并聯(lián)放一個(gè) 100 nF 電容，增強(qiáng) RV1126 的抗干擾能力，防止誤觸發(fā)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。DDR采用T型設(shè)計(jì)，DQ和DQS雙向信號(hào)直接連接即可，差分時(shí)鐘信號(hào)末端串聯(lián)一個(gè) 49.9 Ω 的端接電阻；DDR4 組內(nèi)的不同信號(hào)線之間的間距、組間兩相鄰信號(hào)線之間的間距均要使用“3W”原則；單線特征阻抗控制在 50 Ω±10%，差分對(duì)阻抗控制 100 Ω±10%。PLL 電源包括 PLL_AVDD_0V8 和 PLL_AVDD_1V8 兩個(gè)，必須單獨(dú)供電，并分別使用 1 個(gè)耦合電容放在相對(duì)應(yīng)的管腳 靠近，這樣在 DDR 工作在高頻時(shí)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。內(nèi)核電源電壓是 0.8 V，必須使用單獨(dú)的 DC-DC 供電，且供電能力不能小于 1 A。NPU 電源電壓是 0.8 V， 必須使用單獨(dú)的 DC-DC 供電，且供電能力不能小于 2 A。芯片USB控制器使用200 Ω精度為1%的參考電阻，這個(gè)電阻影響 USB 眼圖質(zhì)量，因本設(shè)計(jì)是使用 USB 傳 輸視頻流的，所以這個(gè)電阻非常關(guān)鍵；USB 的信號(hào)線上要分別放一個(gè)靜電防護(hù)器件，該器件的寄生電容要不大于 1 pF,ESD PCB 布局時(shí)器件要盡可能靠近 USB。

思特威傳感器芯片 SC8238 包括 DOVDD（1.8 V）、 AVDD（2.8 V）和 DVDD（1.2 V）三路電源，濾波電容必須靠近引腳放置；在 4K 幀率時(shí)，DVDD 必須設(shè)計(jì) 成 1.2 V 電壓。芯片的 VREFN、VREFN2、VREFH 和 TXVDD 通過(guò)電容到地，可以濾除電源紋波的高頻部分和低頻部分。MIPI 信號(hào)差分線阻抗控控制在 100 Ω，誤差小于 ±10%；MIPI信號(hào)不能直走線，會(huì)發(fā)生信號(hào)反射，影響視頻高速傳輸性能，且 MIPI 信號(hào)下必須有完整的地參考層，不能分割。

2 UVC協(xié)議

UVC 即 USB 視頻類是 USB Video Class 的簡(jiǎn)稱，它是微軟與其它廠商聯(lián)合推出的為 USB 視頻捕獲設(shè)備定義的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。UVC 設(shè)備包括一個(gè)視頻控制接口（VC Interface）和一個(gè)視頻流接口（VS Interface）；視頻控制接口主要用于配置操作，讓 UVC 設(shè)備進(jìn)入不同的功能狀態(tài)，視頻流接口負(fù)責(zé) UVC 設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)流傳輸。 UVC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括視頻流輸入 / 輸出、攝像頭視頻流傳輸控制、圖像數(shù)據(jù)采集源的切換和選擇控制，以及圖像相關(guān)參數(shù)的處理等。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于 UVC 協(xié)議的 4K 智能攝像頭，通過(guò) USB 接口直連電視，給用戶 4K 超高清完美呈現(xiàn)。此攝像頭簡(jiǎn)單易用，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，視頻效果好，可廣泛使用在家庭視頻會(huì)議和家庭娛樂(lè)健身。

參考文獻(xiàn)：

[1] N KHALID, GOCHOO M, JALAL A, et al. Modeling twoperson segmentation and locomotion for stereoscopic action identification: A sustainable video surveillance system[J]. Sustainability, 2021,13.

[2] SJURSEN A D, FRIIS M, RNNING L, et al. Monitoring of anadromous salmonids in the fjrevassdraget watercourse, Nordland[C]. Results from the video surveillance in 2020- 2021.

[3] MOSAIF A, RAKRAK S. A new system for real-time video surveillance in smart cities based on wireless visual sensor networks and fog computing[J]. Journal of Communications, 2021, 16(5):175-184.

[4] SHAHBAZ A, JO K H. Dual camera-based supervised foreground detection for low-end video surveillance systems[J]. IEEE Sensors Journal, 2021,PP(99):1-3.

[5] SEVCIK J. A special peripheral component interconnect express card for video surveillance systems in alarm applications[J]. Przeglad Elektrotechniczny, 2021, 1(5):30- 35.

[6] PANDAS K, SAHU S K. Design of IoT-based real-time video surveillance system using raspberry Pi and sensor Network[M].2021.

[7] HUANG H, SAVKIN A V, NI W. Online UAV trajectory planning for covert video surveillance of mobile targets[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2021, PP(99):1-12.

[8] KUMAR P. Development of a thermal-visible video surveillance system based on fractional order tvmodel[J]. Journal of Physics Conference Series, 2021, 1950(1):012026.

[9] ISAEVA O, BORONENKO M, BORONENKO Y. Making decisions in intelligent video surveillance systems based on modeling the pupillary response of a person[C].2021 IEEE 6th International Conference on Computer and Communication Systems (ICCCS). IEEE, 2021.

[10] ZHANG J, JIA X, J Hu, et al. Moving vehicle detection for remote sensing video surveillance with nonstationary satellite platform[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence[J].2021,PP(99):1-1.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)