基于UVC協(xié)議的4K智能攝像頭

張治軍

摘要：本文設計了一款基于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USB接口直連電視，實現(xiàn)4K高清呈現(xiàn)。支持UVC協(xié)議，具有行人追蹤功能。

關鍵詞：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議、家庭娛樂健身的需求，本文開發(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USB連接線直連4K電視，即可實現(xiàn)攝像頭到電視端到端的4K 超清呈現(xiàn)，如圖1。

本文開發(fā)的基于UVC協(xié)議的4K智能攝像頭操作簡單，攜帶方便，價格便宜，具有良好的應用與發(fā)展前景。本文重點介紹攝像頭硬件主要電路開發(fā)和UVC協(xié)議的實現(xiàn)。

1硬件設計

系統(tǒng)主控采用瑞芯微RV1126，傳感器采用思特威SC8238。攝像頭通過傳感器采集圖像信息，通過MIPI 信號將采集的圖像信息傳送到主控，主控對圖像進行編解碼后通過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，從而實現(xiàn)攝像頭到電視端4K超清呈現(xiàn)，攝像頭視頻信號流，如圖2。

1.1RV1126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，內部集成了2.0 Tops的NPU，NPU支持INT8/INT16混合操作，可以很容易在TensorFlow、MXNet、PyTorch、Caffe 之間轉換。RV1126 每個核里面都包含—個32 KB I-cache、32 KB D-cache 和共用二級緩存512 KB。芯片內容集成了HDR（高動態(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、特征點檢測等算法加速器。芯片集成了MIPI（移動產業(yè)處理器接口，Mobile Industry Processor Interface）接口，通過MIPI信號和傳感器直連。

1.2SC8238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)界領先的數(shù)字CMOS（互補金屬氧化物半導體，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，可以通過標準的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1.5μm背照式像素技能，在相同產品中靈敏度在1 160 mV/Lux·s時功耗最低。

1.3硬件設計

硬件電路主要包括電源模塊、時鐘復位電路、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，整個系統(tǒng)的電源是通過USB提供的，時鐘和復位保證系統(tǒng)正常工作，F(xiàn)lash是用來存儲程序的，DDR是隨機存儲器，系統(tǒng)通過思特威傳感器芯片SC8238采集圖像數(shù)據，用瑞芯微RV1126芯片對圖像數(shù)據進行編解碼，最后通過USB2.0發(fā)送圖像數(shù)據到電視端。

RV1126時鐘電路由內部的反饋電路和外置的24 MHz晶體振蕩電路構成;系統(tǒng)時鐘使用有源晶體時，時鐘的幅度是1.8 V±10%。芯片復位引腳低電平大于49時芯片復位，芯片復位引腳并聯(lián)放一個100 nF電容，增強RV1126的抗干擾能力，防止誤觸發(fā)導致系統(tǒng)復位。DDR采用T型設計，DQ和DQS雙向信號直接連接即可，差分時鐘信號末端串聯(lián)一個49.9Ω的端接電阻;DDR4組內的不同信號線之間的間距、組間兩相鄰信號線之間的間距均要使用“3W”原則;單線特征阻抗控制在50Ω±10%，差分對阻抗控制100Ω±10%。PLL電源包括PLL_AVDD_0V8和PLL_AVDD_1V8兩個，必須單獨供電，并分別使用1個耦合電容放在相對應的管腳靠近，這樣在DDR工作在高頻時，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。內核電源電壓是0.8 V，必須使用單獨的DC-DC供電，且供電能力不能小于1 A。NPU電源電壓是0.8 V，必須使用單獨的DC-DC供電，且供電能力不能小于2 A。芯片USB控制器使用200Ω精度為1%的參考電阻，這個電阻影響USB眼圖質量，因本設計是使用USB傳輸視頻流的，所以這個電阻非常關鍵;USB的信號線上要分別放一個靜電防護器件，該器件的寄生電容要不大于1 pF，ESD PCB布局時器件要盡可能靠近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，DVDD必須設計成1.2 V電壓。芯片的VREFN、VREFN2、VREFH和TXVDD通過電容到地，可以濾除電源紋波的高頻部分和低頻部分。MIPI信號差分線阻抗控控制在100Ω，誤差小于±10%;MIPI信號不能直走線，會發(fā)生信號反射，影響視頻高速傳輸性能，且MIPI信號下必須有完整的地參考層，不能分割。

2UVC協(xié)議

UVC即USB視頻類是USB Video Class的簡稱，它是微軟與其它廠商聯(lián)合推出的為USB視頻捕獲設備定義的協(xié)議標準。UVC設備包括一個視頻控制接口（VC Interface）和一個視頻流接口（VS Interface）;視頻控制接口主要用于配置操作，讓UVC設備進入不同的功能狀態(tài)，視頻流接口負責UVC設備的視頻數(shù)據流傳輸。UVC的拓撲結構包括視頻流輸入/輸出、攝像頭視頻流傳輸控制、圖像數(shù)據采集源的切換和選擇控制，以及圖像相關參數(shù)的處理等。

3結語

本文設計的基于UVC協(xié)議的4K智能攝像頭，通過USB接口直連電視，給用戶4K超高清完美呈現(xiàn)。此攝像頭簡單易用，經濟實惠，視頻效果好，可廣泛使用在家庭視頻會議和家庭娛樂健身。

參考文獻：

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

[2]SJURSEN A D，F(xiàn)RIIS 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]. PrzegladElektrotechniczny，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 tv- model[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.