低延时无人机/无人车视频编码方案

一．        方案概述

无人驾驶飞机简称无人机/车( Unmanned Aerial Vehicle,缩写 UAV) , 是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空器。目前在军事，警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业，无人机用途越来越广泛。视频传输是无人机应用中的重要组成部分，而视频压缩、解压缩系统是无人机视频传输系统中的关键技术。视频传输是否稳定、 流畅直接影响到无人机视频传输的质量,特别是在应对紧急事件时决策者要根据无人机传回来的实时视频画面指定解决方案，做正确决策。

针对无人机，无人车市场开发的全高清视频传输方案，采用高效的H.264压缩技术，实现高清低延时实时图像传输。机上安装编码板UAV ENCODER，地面安装解码板 UAV DECODER，端到端延时控制在50ms以内，支持视频分辨率种类多，电路板尺寸小重量轻，接口丰富，同时与机上高清和标清摄像机连接，采用精准码流控制，使节约宝贵无线带宽资源，支持串口透传便于指控交互。10~50毫秒端到端延时保证地面可以根据无人机提供的视频数据及时进行决策，满足了多种行业的业务要求。

二．        方案原理介绍

                                                                  TV UAV ENCODER编码板示意图

本方案由编码板与解码板构成。方案支持一路SDI高清视频及二路CVBS标清视频。其核心构架是H.264编解码器和FPGA图像处理器。H.264编解码器的功能是将图像数据压缩成H.264码流或将H.264码流解压缩成数字图像。FPGA主要是进行图像预处理或后处理。

如编码板示意图所示，FPGA根据专用控制位D0-D2逻辑进行输入图像切换选择HD-SDI或者LVDS接口的高清视频输入，复合视频（CVBS）接口的标清视频输入，单路视频信号经FPGA预处理后，把24位RGB视频数据送到H.264压缩芯片进行压缩，H.264压缩芯片把压缩后的视频数据和串口透传数据打包后通过主控接头中的以太网接口传送给无线发射机；专用控制位D0-D2控制FPGA选通HD-SDI或者LVDS输入，CVBS输入。以太网口信号包含从无人机到地面的视频数据信号，为保证视频可靠传输的控制握手信号；RS232双向串口数据用于无人机和地面设备交互控制；专用控制位D0-D2从地面控制设备通过专用无线信道传送到无人机。

                 TVUAV DECODER 解码板示意图

解码板示意图所示，H.264解码芯片通过以太网口接收无线接收机的H.264视频，串口透传数据，专用控制位D0-D2由地面专用设备通过专用无线信道送给无人机同时作为地面显示的控制。H.264解码芯片接收到H.264视频码流后，经解压缩后，还原出原始的YUV 16位视频数据送给FPGA做输出图像格式转换、输出图像切换选择等后处理。

三．        系列化产品及功能描述

基于以上设计思路，北京拓扑威视新技术有限公司开发出系列产品，满足无人机，无人车的行业客户需求。主要有基于低延时编解码芯片的TV-4000,TV-6400编解码板，基于工业级别FPGA的TV-ULV, TV-ULS/TV-ULT, TV-DST 4K 编码解码板。所有产品支持逐行和隔行扫描，串口透传，并通过下列检测环境

n   工作温度：-40℃～+55℃，存储温度：-55℃～+70℃

n   湿度：（95±3）%（35℃）

n   振动：≥2g（15Hz～500Hz～15Hz）刚性连接

n   冲击：垂直方向：≥ 20g

横轴方向：≥15g；

纵轴方向：≥15g。

TV-4000

l 具有HDMI,VGA,YPbPR, CVBS(AV)接口之间信号转换，解码器转发的码流（编码解码之间只占用1个网络带宽，解码端连接很多软件解码客户端）

l 音视频端到端延时最小40毫秒，H .264视频压缩，兼容隔行和逐行视频扫描, PAL/NTSC兼容，支持HDMI 的内容保护HDCP

l 数字电视DTV和VESA真正全高清，1080P60/P50向下兼容所有标准分辨率；立体声高保真音频网络带宽128KBPS，单声道64KBPS

l 网络协议：RTSP，TS流UDP协议，P2P和MULTICAST组播（数量任意），编码成标准码流，用VLC播放器软件解编码器和解码器转发的码流

l IE简单页面控制和TELNET命令网络集成，串口信息（TTL电平）通过网络透传；静态和DHCP IP兼容，IP地址可以恢复成出厂值，软件在线升级

l 视频输入接口：HDMI（2选1）/DVI， VGA（YCbCr & RGB），CVBS；视频输出接口：HDMI/DVI， YPbPr，CVBS

l 音频输入接口：HDMI（2选1），CVBS，RCA；音频输出接口：HDMI，CVBS，RCA

l 机箱尺寸：30X184X105（MM），电路板尺寸：18X174X88（MM）；供电电压范围6.6~16.6V

    TV-4000HDMI/VGA/CVBS编码器

TV-4000HDMI/VGA/CVBS编码卡

TV-4000HDMI/YPbPr/CVBS解码卡

TV-6400

包括TV-4000全部功能，扩充下列能力

l 具有HDMI,VGA,SDI接口转换，音频语音双向对讲，视频解码输出变更分辨率

l 机箱尺寸：30X185X110（MM），电路板尺寸：20X170X95 （MM）

TV-6400编解码器

TV-6400编解码卡

TV-ULS 1080P60超低延时编码/ULT解码板

·       TV-ULS支持3G SDI输入/高清HDMI输入 (选择其中一路进行编码)，TV-ULT支持3G SDI输出 +高清HDMI输出; 色彩空间4:2:0 (定制4:2:2)

·      分辨率和帧率：1080p60/50/30/25,   1080i60/50, 720p60/50,   720x576, 720x480；TV-ULS/ULT支持3G SDI和HDMI1.4标准；最高分辨率1920x1080p60

·      编码+百兆以太传输+解码+显示的总系统延时：1920x1080p60延时10ms,    1920x1080p30延时20ms

·      快速启动:   上电后启动时间小于100ms；TV-ULS在输入SDI信号后检测时间2~3秒，开始编码；TV-ULT在输入视频流后检测时间2~3秒，开始解码

·       尺寸45x70mm, PCB厚度1.2mm；TV-ULS功耗3.7W TV-ULT功耗 3.2W；供电电压范围5.3~18V

编码板TV-ULS

解码板TV-ULT

四．        方案应用

根据无人机提供的视频数据快速决策后执行任务，在电力故障诊断修复，目标跟踪，军事指挥等领域发挥不可替代的作用。其应用领域从最初的侦察、早期预警等军事领域扩大到资源勘测、气象观测及处理突发事件等非军事用途。本方案是以无人机为飞行平台，利用高分辨多摄像机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能，可广泛应用于国家生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、公共安全、国防事业、数字地球等领域。　该方案主要用于遥感影像的获取，同时可以根据需要搭配卫星遥感和有人机遥感平台，实现高低搭配，优势互补。无人机低空航拍摄影广泛应用于国家基础地图测绘、数字城市建设、通信站点建设、国土资源调查、土地地籍管理、城市规划、突发事件实时监测、灾害预测与评估、城市交通、网线铺设、数字农业、测绘、环境治理、生态保护、森林管理、矿产开发等领域，对国民经济的发展具有十分重要的现实意义。

无人机/无人车系统通过配置摄像机、高分辨率照相机、红外夜视仪和图像传输等任务设备，实现空中巡视，并在巡视中实时传回视频图像，存储高清照片供返回地面处理，其中红外夜视仪的配置满足夜晚的巡视要求。