一種基于HD-SDI技術(shù)的高清圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：隨著圖像處理技術(shù)及傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，高清數(shù)字圖像取代模擬圖像成為一種趨勢(shì)。設(shè)計(jì)了一種基于HD-SDI技術(shù)的高清圖像處理系統(tǒng)，可通過(guò)FPGA+DSP架構(gòu)對(duì)1080P全高清圖像進(jìn)行采集和字符疊加，并實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)提取和偏差量計(jì)算。疊加視頻可通過(guò)DVI數(shù)字接口或模擬接口實(shí)時(shí)顯示。利用圖像高分辨率特性，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)精確跟蹤。

　　引言

　　隨著數(shù)字視頻的迅速發(fā)展，高清數(shù)字圖像代替模擬圖像成為必然趨勢(shì)。光電系統(tǒng)采用全高清圖像技術(shù)，不僅能大大提高顯示效果，而且能顯著提高系統(tǒng)的跟蹤精度。因此，高清圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)成為光電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展必須突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。SDI(Serial Digital Inter face)即串行數(shù)字接口，其標(biāo)準(zhǔn)由移動(dòng)圖像和電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)制定，在當(dāng)今的廣播和視頻產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如何通過(guò)同軸電纜在設(shè)備間傳送未經(jīng)壓縮的串行數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

　　在非編后期制作、廣播電臺(tái)等領(lǐng)域，基于HD-SDI(High Definition-Serial Digital Interface)高清電視應(yīng)用較為廣泛，在1.485Gb/ s、1.001 Gb/s的信號(hào)速率條件下傳輸?shù)慕涌谝?guī)格都符合標(biāo)準(zhǔn)SMPTE-292M。該接口攝像機(jī)既能保證光電系統(tǒng)高清顯示的要求，又能滿足目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤的要求。

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于HD-SDI的高清圖像處理系統(tǒng)，可滿足光電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像高清顯示和目標(biāo)跟蹤的要求，具有較好的平臺(tái)兼容性的要求。

　　1 系統(tǒng)組成

　　HD-SDI攝像機(jī)將高清視頻通過(guò)75 Ω同軸電纜實(shí)時(shí)傳送到高清圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理后，將視頻信號(hào)送到數(shù)字顯示終端進(jìn)行顯示。

　　由于全高清數(shù)字圖像處理系統(tǒng)涉及大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算及邏輯控制，系統(tǒng)的控制體系采用FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)形式。FPGA進(jìn)行圖像采集、存儲(chǔ)、輸出顯示和整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制;DSP作為數(shù)字信號(hào)處理核心，則主要用來(lái)運(yùn)行圖像跟蹤算法及完成各種外設(shè)的初始化。系統(tǒng)的硬件組成包括數(shù)據(jù)接收單元—HD-SDI數(shù)字視頻輸入;數(shù)據(jù)發(fā)送單元—HD-SDI、DVI、AV視頻輸出;圖像存儲(chǔ)單元—4個(gè)72 Mb SRAM;通信單元—RS422接口。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

　　DSP選用TI公司的TMS320C26414，F(xiàn)PGA采用ALTERA公司的EP3C120F780，二者通過(guò)32位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)和其他參數(shù)傳輸。數(shù)據(jù)輸入接口采用HD-SDI高清視頻接口芯片對(duì)高清攝像機(jī)的視頻信號(hào)進(jìn)行解碼，F(xiàn)PGA接收解碼視頻信號(hào)后進(jìn)行圖像存儲(chǔ)和頻率轉(zhuǎn)換，并將圖像數(shù)據(jù)傳給DSP進(jìn)行窗口檢測(cè)、自適應(yīng)圖像分割、相關(guān)匹配等運(yùn)算，獲取目標(biāo)位置相對(duì)光軸中心的偏差量。同時(shí)，F(xiàn)PGA通過(guò)片內(nèi)雙口RAM與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成如字符顯示與消隱等功能，以方便人機(jī)界面操作。上位機(jī)通過(guò)RS422接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將測(cè)角數(shù)據(jù)、控制參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等信息傳遞給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)則將測(cè)偏量信息傳遞給上位機(jī)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。

　　圖像處理是光電系統(tǒng)的重要組成部分，在設(shè)計(jì)中需保持圖像處理系統(tǒng)的通用性和開放性。采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，并采用通用通信接口代替總線與上位機(jī)通信，可保證硬件適用于不同的系統(tǒng)平臺(tái)。各模塊分別完成以下功能：

　?、貴PGA完成圖像采集、圖像顯示接口控制、外部存儲(chǔ)器的讀寫邏輯控制及與上位機(jī)的通信。

　　②DSP與FPGA之間通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)通信，并通過(guò)FPGA讀寫SRAM實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提取和字符疊加功能。DSP實(shí)現(xiàn)包括目標(biāo)檢測(cè)、模板匹配、電子穩(wěn)像等多種圖像算法。

　　③SRAM是外擴(kuò)的圖像存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA通過(guò)ping-pong方式將采集到的高清數(shù)字圖像存儲(chǔ)在SRAM中并輸出給DSP和顯示接口。

　?、軘?shù)據(jù)接收單元由高速SDI接口實(shí)現(xiàn)高清攝像機(jī)輸入視頻解碼。

　?、輸?shù)據(jù)發(fā)送單元實(shí)現(xiàn)DVI、AV與SDI輸出視頻的編碼功能。

　　2 數(shù)據(jù)接收單元

　　數(shù)據(jù)接收單元由SDI解碼器組成。系統(tǒng)選用Gennum公司生產(chǎn)的GS2971對(duì)HD-SDI攝像機(jī)傳輸?shù)囊曨l信號(hào)進(jìn)行解碼，之后將高清視頻信號(hào)的像素時(shí)鐘、行、場(chǎng)及視頻數(shù)據(jù)傳給FPGA。數(shù)據(jù)接收單元連接框圖如圖2所示。

　　GS2971是一款自帶線纜均衡功能的單端口輸入解碼芯片。支持3Gb/s、HD、SD SDI串行數(shù)據(jù)傳輸速度，最高支持4：2：2 10位色深表現(xiàn)，分辨率可達(dá)1080P。內(nèi)置HD-SDI解串器簡(jiǎn)化了外部FPGA的邏輯解串功能。GS2971的初始化采用I/O電平控制與SPI接口相結(jié)合的方法，可被配置為20位數(shù)據(jù)輸出和10位數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)配置為20位數(shù)據(jù)輸出時(shí)，亮度信息和色度信息分別占10位數(shù)據(jù)線，時(shí)鐘為74.25 MHz;配置為10位數(shù)據(jù)輸出時(shí)，亮度和色度信息合成輸出，時(shí)鐘為148.5 MHz。本系統(tǒng)中，將GS2971配置為20位數(shù)據(jù)輸出模式，GS2971支持一路SDI信號(hào)環(huán)路輸出，可供系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)SDI信號(hào)輸入是否正常。

　　3 數(shù)據(jù)發(fā)送單元

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)送單元由一個(gè)DVI編碼器和一個(gè)PAL編碼器組成。其中，DVI編碼器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，傳遞給DVI接口高清顯示器。DVI接口需實(shí)現(xiàn)1080P高清顯示，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送單元的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　針對(duì)圖像輸出接口的不同要求，選擇NXP公司的SAF7129實(shí)現(xiàn)圖像的PAL制式輸出;選擇TI公司的TFP410實(shí)現(xiàn)DVI圖像輸出。其中，DVI顯示為數(shù)字信號(hào)輸出，與傳統(tǒng)的VGA模擬信號(hào)相比，采用DVI數(shù)字信號(hào)不會(huì)引起像素抖動(dòng)和相鄰像素間的干擾，顯示器不會(huì)造成幾何失真，大大提高了畫面質(zhì)量，顯示畫面細(xì)膩、清晰，因此設(shè)計(jì)時(shí)將DVI接口作為系統(tǒng)的主顯示通道。PAL制式為模擬信號(hào)輸出，可以兼容光電系統(tǒng)在特殊情況下的顯示需求。數(shù)據(jù)發(fā)送單元DVI顯示連接如圖3所示。

　　TFP410支持從VGA到UXGA(25～165 MHz)格式的像素速率，具有12位雙邊和24位單邊兩種輸入模式，可以通過(guò)I2C總線進(jìn)行芯片工作模式配置。TFP410主要通過(guò)DE引腳的高低電子來(lái)決定發(fā)送信號(hào)類型。當(dāng)DE為高電平時(shí)，發(fā)送像素編碼數(shù)據(jù);當(dāng)DE為低電平時(shí)，發(fā)送同步信號(hào)以及控制信號(hào)。

　　本設(shè)計(jì)通過(guò)I2C總線來(lái)配置編碼器，編碼器采用24位單邊輸入模式，單邊輸入時(shí)鐘，下降沿觸發(fā)。采用I2C總線可以快捷地在線調(diào)整參數(shù)配置，對(duì)編碼器高速輸入信號(hào)的時(shí)鐘沿進(jìn)行調(diào)整，有效減少圖像噪聲和串?dāng)_。