基于MPEG-4编码的近距离无线视频传输系统

为实现近距离无线视频传输，提出了一种基于MPEG-4编码的近距离无线视频传输方案。由CMOS摄像头OV7620采集到的数据，通过专用MPEG-4编码器，ML86410得到速率低于2Mbit·s-1的MPEG-4数据流，在FPGA控制器的控制下，通过nRF24L01无线发送；接收端利用同系列芯片nRF24LU1接收无线数据，其自带USB协议和接口，再把数据流送入PC显示。通过仿真板电路测试，获得了良好的图像，证明电路可以实现视频无线传输的结论。

无线视频通信作为第三代移动通信关键技术得到了广泛关注。但其是为远距离多用户服务的，开发难度大，需要众多辅助技术支持。然而，近距离无线视频通信可以采用较为成熟的技术实现，它可以应用于视频监控中不易连线的部分以及近距离巡视，它不同于3G技术中的视频传输，具有易于开发、传输距离近等特点。要实现无线视频传输，就要应用大压缩比的视频压缩编码满足无线传输速率的苛刻要求，MPEG-4编码是基于图像内容的第二代视频编码方案，并将对象合成的编码方案也结合在标准中，它根据图像的内容将图像分割为不同的视频对象(VO)。在编码过程中，前景和背景对像采用不同的编码策略：前景对像的编码压缩尽可能保留压缩对像的细节和平滑性；对背景视频对像，采用大压缩比的编码策略，而在解码端用其他的背景拼成新的的背景。因此它可以实现大压缩比的视频编码，不仅解决了块效应，同时解决了无线传输时的带宽限制问题，因此MPEG-4被作为无线通信系统中主要的视频编码标准。

1 系统硬件总体方案

图1所示为无线视频传输系统框图。采用专用MPEG-4编码器，可以获得良好的性价比，因此采用日本OKI公司的ML86410芯片是较好的MPEG-4视频压缩解决方案；同时采用挪威Nordic公司的nRF24L01和nRF24LU1芯片实现无线传输，它们不仅具有高达2Mbit·s-1的无线空中速率，而且后者带有增强型8051内核和USB2.0协议的无线Soc芯片，较好地解决了与PC机的连接问题；控制器采用广泛使用的低功耗FPGA来协调控制视频流的无线传输以及对OV7620和ML86410进行控制和模式配置，FPGA准确地逻辑性保证了传输的可靠性。

从图中可以看出，在视频采集电路中，FPGA是整个系统的核心控制器。它的作用是无线接收配置参数，对图像CMOS传感器和ML86410进行初始化配置；当开始图像采集后，其负责接收MPEG-4视频数据，并进行无线传输。设计重点是实现了视频的无线传输，采用具有nRF24系列芯片，具有2Mbit·s-1的空中速率；这样的速率对一般视频数据流是不能实现无线传输的，所以要采取具有高压缩率的MPEG-4视频编码，其要求的传输速率较低，当图像分辨率为176×144时，速率为4800～64000 bit·s-1。

1.1 视频采集模块电路

1.1.1 OV7620

OV7620是一种CMOS图像传感器，被广泛应用于网络摄像头、摄像手机等产品中。它是一种CMOS彩色/黑白图像传感器，支持连续和隔行两种扫描方式，VGA和QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30f·s-1；数据输出格式包括YUV、YcrCb和RGB这3种，能够满足一般图像采集系统的要求。OV7620内部具有可编程功能寄存器，设置有上电模式和SCCB编程模式，设计中采用了SCCB编程控制协议，连续扫描，8位YUV数据输出。

1.1.2 ML86410压缩芯片

ML86410是日本OKI公司面向监视摄像机、网络摄像机等图像监控设备开发的一种能够实时进行MPEG-4图像压缩(编码)处理的单芯片。以往面向网络监视摄像机的视频编码方式一般采用Motion-JPEG方式，存在着压缩率低的问题。在网络上进行视频传输时，受网络带宽的影响，使得传输图像的尺寸缩小，并带来画质下降和动画图像的帧率降低等限制。于是，OKI采用MPEG-4视频编码国际标准，开发了具有高压缩率的高画质视频MPEG-4编码器芯片ML86410。它采用了独创的专用加速器，无需高速CPU、DSP，与以往方式相比实现了低功耗，并大幅度降低了产品成本。

ML86410由视频接口、MPEG-4编码器、主机接口电路、锁相环PLL和DRAM存储器控制组成。其特性如表1所示。

1.1.3 SDRAM存储器

SDRAM存储器在电路中主要完成对摄像头采集到的大量数据进行缓存，以使ML86410的。MPEG-4编码器部分进行有序编码。设计中采用三星公司K4S643232F系列SDRAM实现，它是2×32 MbitSDRAM存储器，采用32位数据总线进行存取，工作频率最高166MHz，可以满足ML86410对缓存的要求。它是一个具有67108864bit的同步高数据率的动态RAM存储器，由4块512×32 kbit组成。

1.1.4 连接电路

ML86410和OV7620、SDRAM的连接电路图如图3所示。

1.2 无线传输方案

1.2.1 nRF24L01及其连接