基于UVC协议的4K智能摄像头

张治军

摘要：本文设计了一款基于UVC协议的4K智能摄像头，主控采用瑞芯微RV1126，传感器采用思特威SC8238。摄像头通过USB接口直连电视，实现4K高清呈现。支持UVC协议，具有行人追踪功能。

关键词：4K;智能摄像头;UVC协议;行人追踪

0引言

随着4K电视的普及和家庭视频会议、家庭娱乐健身的需求，本文开发了一款基于UVC （USB视频类，USB Video Class）协议的4K智能摄像头，通过USB连接线直连4K电视，即可实现摄像头到电视端到端的4K 超清呈现，如图1。

本文开发的基于UVC协议的4K智能摄像头操作简单，携带方便，价格便宜，具有良好的应用与发展前景。本文重点介绍摄像头硬件主要电路开发和UVC协议的实现。

1硬件设计

系统主控采用瑞芯微RV1126，传感器采用思特威SC8238。摄像头通过传感器采集图像信息，通过MIPI 信号将采集的图像信息传送到主控，主控对图像进行编解码后通过USB接口将图像信息发送给电视，电视显示传感器采集的图像信息，从而实现摄像头到电视端4K超清呈现，摄像头视频信号流，如图2。

1.1RV1126介绍

RV1126支持4K（3 840×2 160）H.265 30 fps 视频编码，四核Arm Cortex-A7架构，内部集成了2.0 Tops的NPU，NPU支持INT8/INT16混合操作，可以很容易在TensorFlow、MXNet、PyTorch、Caffe 之间转换。RV1126 每个核里面都包含—个32 KB I-cache、32 KB D-cache 和共用二级缓存512 KB。芯片内容集成了HDR（高动态范围成像，High Dynamic Range Imaging）、3A功能（AE、AF、AWB）、LSC、3DNR、2DNR、锐化，dehaze、鱼眼校正、gamma校正、特征点检测等算法加速器。芯片集成了MIPI（移动产业处理器接口，Mobile Industry Processor Interface）接口，通过MIPI信号和传感器直连。

1.2SC8238介绍

思特威SC8238最高支持4K（3 840×2 160）的传输速率，是一款业界领先的数字CMOS（互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器，它输出的是raw格式图像，有效像素为3 872×2 180，可以通过标准的I2C（集成电路互连通信电路，Inter-Integrated Circuit）接口读写寄存器。它采用了1.5μm背照式像素技能，在相同产品中灵敏度在1 160 mV/Lux·s时功耗最低。

1.3硬件设计

硬件电路主要包括电源模块、时钟复位电路、主控、传感器、USB（通用串行总线，Universal Serial Bus）、DDR（双倍速率，Double Data Rate）和Flash等，硬件电路框图如图3。

其中，整个系统的电源是通过USB提供的，时钟和复位保证系统正常工作，Flash是用来存储程序的，DDR是随机存储器，系统通过思特威传感器芯片SC8238采集图像数据，用瑞芯微RV1126芯片对图像数据进行编解码，最后通过USB2.0发送图像数据到电视端。

RV1126时钟电路由内部的反馈电路和外置的24 MHz晶体振荡电路构成;系统时钟使用有源晶体时，时钟的幅度是1.8 V±10%。芯片复位引脚低电平大于49时芯片复位，芯片复位引脚并联放一个100 nF电容，增强RV1126的抗干扰能力，防止误触发导致系统复位。DDR采用T型设计，DQ和DQS双向信号直接连接即可，差分时钟信号末端串联一个49.9Ω的端接电阻;DDR4组内的不同信号线之间的间距、组间两相邻信号线之间的间距均要使用“3W”原则;单线特征阻抗控制在50Ω±10%，差分对阻抗控制100Ω±10%。PLL电源包括PLL_AVDD_0V8和PLL_AVDD_1V8两个，必须单独供电，并分别使用1个耦合电容放在相对应的管脚靠近，这样在DDR工作在高频时，可以提高系统的穩定性。内核电源电压是0.8 V，必须使用单独的DC-DC供电，且供电能力不能小于1 A。NPU电源电压是0.8 V，必须使用单独的DC-DC供电，且供电能力不能小于2 A。芯片USB控制器使用200Ω精度为1%的参考电阻，这个电阻影响USB眼图质量，因本设计是使用USB传输视频流的，所以这个电阻非常关键;USB的信号线上要分别放一个静电防护器件，该器件的寄生电容要不大于1 pF，ESD PCB布局时器件要尽可能靠近USB。

思特威传感器芯片SC8238包括DOVDD（1.8 V）、AVDD（2.8 V）和DVDD（1.2 V）三路电源，滤波电容必须靠近引脚放置;在4K帧率时，DVDD必须设计成1.2 V电压。芯片的VREFN、VREFN2、VREFH和TXVDD通过电容到地，可以滤除电源纹波的高频部分和低频部分。MIPI信号差分线阻抗控控制在100Ω，误差小于±10%;MIPI信号不能直走线，会发生信号反射，影响视频高速传输性能，且MIPI信号下必须有完整的地参考层，不能分割。

2UVC协议

UVC即USB视频类是USB Video Class的简称，它是微软与其它厂商联合推出的为USB视频捕获设备定义的协议标准。UVC设备包括一个视频控制接口（VC Interface）和一个视频流接口（VS Interface）;视频控制接口主要用于配置操作，让UVC设备进入不同的功能状态，视频流接口负责UVC设备的视频数据流传输。UVC的拓扑结构包括视频流输入/输出、摄像头视频流传输控制、图像数据采集源的切换和选择控制，以及图像相关参数的处理等。

3結语

本文设计的基于UVC协议的4K智能摄像头，通过USB接口直连电视，给用户4K超高清完美呈现。此摄像头简单易用，经济实惠，视频效果好，可广泛使用在家庭视频会议和家庭娱乐健身。

参考文献：

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

[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.