一種視頻合成方法

摘要：為了在接口有限的CPU中傳輸多路視頻數(shù)字信號(hào)，介紹了一種視頻合成方法，通過FPGA把4路BT．656標(biāo)準(zhǔn)D1格式的視頻信號(hào)合成為1路BT．656 D1格式的視頻信號(hào)。A／D轉(zhuǎn)換以后的視頻信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)D1格式的數(shù)字視頻信號(hào)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生讀寫信號(hào)控制雙口RAM讀寫操作，先把D1格式的數(shù)字視頻信號(hào)存進(jìn)雙口RAM，然后分時(shí)地讀取4個(gè)RAM，把每路D1格式的數(shù)字視頻信號(hào)縮小為CIF格式的數(shù)字視頻信號(hào)，產(chǎn)生1個(gè)新的遵循BT．656標(biāo)準(zhǔn)的D1格式的視頻信號(hào)。實(shí)踐證明，此方法能有效地完成視頻合成，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：視頻合成；BT．656；FPGA；數(shù)字視頻

在很多視頻應(yīng)用場(chǎng)景中，需要用到多路數(shù)字視頻信號(hào)。一些視頻微處理器的輸入輸出接口有限，無法傳輸多路數(shù)字視頻信號(hào)，故對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行合成傳輸是一件十分有意義的事情，通用的做法是通過可編程邏輯器件進(jìn)行合成。鑒于此，本文利用ITU—RBT．656特有的幀結(jié)構(gòu)，論述了把4路ITU—R BT．656數(shù)字視頻信號(hào)合成為1路ITU—R BT．656數(shù)字視頻信號(hào)的方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1．1 硬件框架
本設(shè)計(jì)通過FPGA實(shí)現(xiàn)4路ITU—R BT．656 D1格式的數(shù)字視頻信號(hào)在1路視頻通道中傳輸，在視頻解碼器(SAA7113)輸出口與CPU的視頻輸入口之間增加了耦合合成邏輯，利用FPGA實(shí)現(xiàn)二者之間的耦合。硬件連接圖如圖1所示，F(xiàn)PGA與SAA7113通過雙口RAM耦合，F(xiàn)PGA控制雙口RAM的讀寫邏輯，分時(shí)地讀取4個(gè)雙口RAM中的數(shù)據(jù)，數(shù)字視頻信號(hào)在FPGA里面進(jìn)行合成。

SAA7113外部時(shí)鐘源由24．768 M的晶體提供，內(nèi)部PLL產(chǎn)生SAA7113所需要的工作時(shí)鐘，VPO輸出時(shí)鐘頻率是27 MHz。SAA7113的初始化由CPU通過兩組I2C總線完成，每組的2個(gè)SAA7113使用不同的I2C從地址(通過設(shè)置RTS0)。4路模擬CVBS信號(hào)分別輸入4片SAA7113的AI22．4片SAA7113的VPO總線分別連接到4個(gè)雙口RAM的輸入端，SAA7113的RTS0、RTS1、LLC連接到FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)視頻同步信息控制雙口RAM的讀寫時(shí)序，雙口RAM的數(shù)據(jù)輸出端以總線形式連接到FPGA。
1．2 主要器件選型
系統(tǒng)采用SAA7113作為A／D轉(zhuǎn)換器件。SAA7113是一款視頻解碼芯片，通過配置內(nèi)部寄存器可對(duì)4路模擬輸入視頻信號(hào)進(jìn)行選擇，輸入信號(hào)可為4路CVBS或2路S視頻(Y／C)信號(hào)，輸出8位總線，為標(biāo)準(zhǔn)的ITU—R BT．656 YUV 4：2：2格式視頻流，可以配置為10位模式。7113支持PAL、NTSC、SECAM多種制式，可在PAL、NTSC之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)頻(50 Hz或60 Hz)。對(duì)色度、亮度等的控制都是通過對(duì)相應(yīng)寄存器寫入不同的配置值來實(shí)現(xiàn)，寄存器的讀寫通過I2C總線進(jìn)行。
本設(shè)計(jì)利用SAA7113 LLC時(shí)鐘輸出時(shí)鐘信號(hào)27 MHz作為FPGA輸入時(shí)鐘源，利用片內(nèi)PLL對(duì)其進(jìn)行倍頻，作為FPGA全局時(shí)鐘使用，復(fù)位使用上電復(fù)位。
FPGA采用Xilinx公司的大容量、低成本、低功耗Spartan-3E系列XC3S250E。Spartan-3E家族優(yōu)勢(shì)主要是系統(tǒng)連接功能(包括物理并行I／O接口)和高帶寬所需要的協(xié)議。Spartan-3E器件I／O管腳支持全部的SelectIO。支持18種通用I／O接口標(biāo)準(zhǔn)(PCI 64／66、PCI—X 100、RSDS和mini—LVDS等)，以及普通DDR存儲(chǔ)接口。提供每秒高達(dá)91億次的乘累加(MAC)。內(nèi)置18x18嵌入式乘法器可用來實(shí)現(xiàn)緊密的DSP結(jié)構(gòu)(比如MAC引擎及自適應(yīng)、全并行FIR濾波器)。SRL16移位寄存器邏輯和分布式存儲(chǔ)器可用來實(shí)現(xiàn)高密度DSP結(jié)構(gòu)，比如濾波器。其內(nèi)核電壓為12V和2．5 V，IO電壓為3．3V。XC3S250E能提供25萬個(gè)等效邏輯門，本產(chǎn)品選擇PQ208封裝，能夠提供158個(gè)用戶可用的輸入／輸出管腳。
在本設(shè)計(jì)中，XC3S250E的配置采用Slave Serial模式(M[2：0]=“111”)，通過CPU把FPGA的配置數(shù)據(jù)通過同步串行接口寫入FPGA。CPU使用GPIO管腳來模擬FPGA的串行配置時(shí)序。
為了方便FPGA的調(diào)試，在電路板上預(yù)留JTAG配置接口。
本設(shè)計(jì)需要對(duì)4路720x576的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，每路存儲(chǔ)空間為576行x720x2字節(jié)(在4：2：2的YCbCr信號(hào)中，一個(gè)點(diǎn)實(shí)際占用2字節(jié)(用亮度色差表示))。因此每路需要800 kB左右的存儲(chǔ)空間。在設(shè)計(jì)中使用了4片1 MB容量的雙口SRAM，用于緩存4路視頻數(shù)據(jù)。
對(duì)FPGA模塊，輸入的5．0 V經(jīng)1片TPS76833轉(zhuǎn)換為3．3V，供FPGA VCCO使用。5．0V經(jīng)1片RT8011變換后輸出+2．6V／2A的電壓，一路提供給XC3S250E的VCCAUX使用：另一路由RT9183 LDO變換為+1.2V／1.5A電壓，為XC3S250E內(nèi)核供電。輸入的5．0V經(jīng)一片TPS76833轉(zhuǎn)換為3.3V，為其他器件供電。

2 視頻合成描述
本文描述針對(duì)PAL制式，視頻合成的具體實(shí)現(xiàn)思路為：4通道數(shù)據(jù)分別在水平方向／垂直方向各縮小1／2(由D1格式縮小為CIF格式)：將4個(gè)CIF格式的數(shù)字視頻流拼接成1個(gè)ITU—R BT．656數(shù)字視頻流，和CPU(DSP)的視頻口連接。通過FPGA對(duì)4路SAA7113輸入數(shù)據(jù)的合成，可以同時(shí)傳送4路352x288像素的視頻信號(hào)。
模擬CVBS信號(hào)輸入以后，經(jīng)過相關(guān)處理(鉗位、幅度放大、抗混疊濾波、A／D轉(zhuǎn)換、YUV分離)電路之后，轉(zhuǎn)換為BT．656 D的頻數(shù)據(jù)流，從SAA7113輸出的視頻數(shù)據(jù)源是分辨率為720x576 D1格式的視頻源。分辨率為720x576，每幀625行，每行1728個(gè)像素點(diǎn)。正好可以分割為4路252x288像素的視頻源，多余空間通過數(shù)據(jù)8010來填充。
首先配置SAA7113相關(guān)寄存器，把RTS0、RTS1配置為HS、VS，F(xiàn)PGA根據(jù)HS、VS的時(shí)序關(guān)系并利用片內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)BT656數(shù)據(jù)流進(jìn)行幀同步檢測(cè)，找到準(zhǔn)確的同步信息，確定定時(shí)信息。然后啟動(dòng)雙口RAM寫操作(寫RAM地址與BT656的行場(chǎng)時(shí)序嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，約定一種映射關(guān)系，方便讀操
作)，再根據(jù)定時(shí)信息控制雙口RAM讀時(shí)序，把4路雙口RAM讀出端的數(shù)據(jù)線以總線方式連接在一起，F(xiàn)PGA分時(shí)地讀取不同的RAM模塊。4個(gè)RAM輸給FPGA的數(shù)據(jù)是連續(xù)的，它們分時(shí)地來自不同的模塊，填充到對(duì)應(yīng)的區(qū)域，原來存放第一場(chǎng)數(shù)據(jù)的位置用來存放第1、第2路視頻源，原來存放第二場(chǎng)數(shù)據(jù)的位置用來存放第3、第4路視頻源，同時(shí)插入ITU—R BT．656幀格式的同步信息，其他位置插入固定數(shù)據(jù)8010，產(chǎn)生一路符合ITU—R BT．656標(biāo)準(zhǔn)的D1格式的數(shù)字視頻流。
經(jīng)過合成處理以后，F(xiàn)PGA可以為CPU提供1路符合ITU—R BT．656 D1格式的視頻數(shù)據(jù)流。

3 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)語
對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了較為完備的測(cè)試，通過視頻編碼器對(duì)輸入合成視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。為了測(cè)試設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)定要求，選用了多種視頻輸入源進(jìn)行測(cè)試，有測(cè)試運(yùn)動(dòng)快慢及劇烈程度的畫面，有測(cè)試黑白圖像效果的全黑與全白，還有測(cè)試亮度等級(jí)的階梯圖案等等。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在4路D1圖像輸入時(shí)，平均信躁比達(dá)到33 dB以上，能實(shí)時(shí)地進(jìn)行編碼，解碼圖像畫面清晰流暢，沒有馬賽克以及動(dòng)畫現(xiàn)象，色彩鮮艷，亮度分明。
本文論述了一種4路D1視頻流合成1路D1格式視頻流的方法，此設(shè)計(jì)完全能滿足特定條件下的多路視頻數(shù)據(jù)傳輸，符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。