基于SoPC的視頻跟蹤系統(tǒng)中OSD功能的實現(xiàn)

OSD(On Screen Display)是指將系統(tǒng)的參數(shù)和狀態(tài)信息在屏幕上顯示出來，在電視機、錄像機等家電產(chǎn)品中這種技術早已廣泛應用。視頻跟蹤系統(tǒng)要求進行數(shù)字、符號、跟蹤窗的實時顯示，即具有OSD功能，包括無視頻輸入指示、鎖定指示、跟蹤狀態(tài)和性能指示、顯示脫靶量數(shù)據(jù)及其他操作參數(shù)等。

OSD的實現(xiàn)方法基本上有三種：使用專用OSD器件；選用支持OSD功能的處理器；采用PLD。在實時性要求較高的視頻跟蹤系統(tǒng)中，需要使用大規(guī)模FPGA進行并行圖像處理，并且在FPGA中實現(xiàn)SoPC設計，同時應能減小系統(tǒng)的體積和成本。如果只選用專用OSD器件或帶有OSD功能的處理器反而會增加系統(tǒng)硬件設計的復雜度，降低系統(tǒng)的可靠性。因此，有必要采用與SoPC系統(tǒng)相結合的OSD實現(xiàn)方案。

1 視頻跟蹤系統(tǒng)

基于SoPC技術的視頻跟蹤系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用Altera公司的Stratix 系列FPGA及Nios Ⅱ軟核處理器實現(xiàn)SoPC設計，將圖像處理、目標識別與跟蹤等協(xié)處理單元掛在Nios Ⅱ處理器上，并通過SPI、I2C等IP-Core實現(xiàn)對操縱桿、視頻編解碼器等設備的控制。系統(tǒng)支持PAL-D(576i25)標準輸入輸出。


2 OSD實現(xiàn)方案

2.1 SoPC系統(tǒng)的配置結構

在SoPC系統(tǒng)中，實現(xiàn)OSD功能要與如圖2所示的SoPC系統(tǒng)的配置結構相結合，系統(tǒng)采用Altera公司的MAX-II器件作為配置控制器，在系統(tǒng)啟動(boot)時負責將FPGA的配置數(shù)據(jù)從外部Flash Memory傳送到Stratix中。這里將OSD字符/圖形庫以只讀數(shù)據(jù)的形式存放在外部CFI-Flash中，CFI-Flash同時裝有FPGA的配置數(shù)據(jù)和軟件程序，配置結束后MAX-Ⅱ需要將連接CFI-Flash的全部總線置為‘Z’，這樣Nios Ⅱ處理器才能夠獲得CFI-Flash的總線使用權，以讀取程序和OSD數(shù)據(jù)。


2.2 OSD實現(xiàn)結構

OSD實現(xiàn)框圖如圖3所示。這里采用了FPGA中的一個M-RAM作為OSD緩存，其中每位與視頻中的一個像素映射。因PAL-D復合視頻信號為隔行掃描，因此，OSD緩存中的數(shù)據(jù)按奇/偶場方式存放，每場占用720×288/8=25 920B，M-RAM大小為64KB，可實現(xiàn)全視場范圍的單色OSD映射。OSD緩存被定義為雙口方式，輸出與視頻數(shù)據(jù)流同步。

OSD緩存的數(shù)據(jù)位寬可定義為2n(n=0,1,…)，但應該注意：數(shù)據(jù)位寬選得越大，NiosⅡ處理器的訪問速度就越快，而OSD的水平方向定位也越復雜；數(shù)據(jù)位寬選得越小，水平方向定位越精確，但訪問速度也會越慢，且實時性差。因此，進行折衷處理，選擇lpm_width=8。

M-RAM的讀地址要根據(jù)行、場同步信號生成，圖像原始分辨率為864×625，則水平計數(shù)器Cnt_Hor和垂直計數(shù)器Cnt_Ver為10bit寬，Cnt_Hor的異步清零端接脈沖化后的行同步信號HSYNC，Cnt_Ver的異步清零端接脈沖化后的場同步信號VSYNC。在有效圖像分辨率為720×576范圍內(nèi)，使能地址計數(shù)器Cnt_Rd_Addr、Cnt_Rd_Addr的計數(shù)時鐘為像素時鐘的8分頻，即每8個像素時鐘讀取一個數(shù)據(jù)，Cnt_Rd_Addr的異步清零端接脈沖化后的場同步信號VSYNC。

OSD緩存讀地址生成邏輯如圖4所示。圖中，1.6875MHz時鐘脈沖化后接74165的STLD(并行數(shù)據(jù)加載信號)，每隔8個像素時鐘載入一個字節(jié)的OSD數(shù)據(jù)并串行輸出。圖5為最簡單的OSD合成邏輯，圖中,bit→piexl的映射邏輯用一個8位并-串轉換器74165實現(xiàn)，使用兩個8bit的Mux2_1，如果ctrl_bit等于‘0’，則YCbCr輸出原圖像數(shù)據(jù)；如果ctrl_bit等于‘1’，則Y輸出0xEB，CbCr輸出0x10。


2.3 OSD API

OSD API的實現(xiàn)包括：創(chuàng)建API硬件接口;建立字符/圖形庫;OSD顯示驅動函數(shù)(包括字節(jié)重構、字符顯示、圖形顯示、消隱等)。

API硬件接口可以通過SoPCBuilder建立，包括16位地址OSD_ADDR、8位數(shù)據(jù)OSD_DATA、寫使能OSD_WEN和OSD緩存的異步清零信號OSD_ACLR。由于M-RAM不能設置初始數(shù)據(jù)，因此上電后首先將OSD_ACLR置位，然后對OSD緩存初始化后，再將OSD_ACLR置零，以免開機時系統(tǒng)出現(xiàn)花屏現(xiàn)象。

字符/圖形庫可以通過字模提取軟件得到，并定義到unsigned char const型數(shù)組中。打開Nios Ⅱ IDE中的System Library Properties窗口，將read-only data memory(.rodata)項設為ext_flash，即將OSD庫放在外部的CFI-Flash中。

OSD數(shù)據(jù)寫入緩存時要注意兩個關鍵問題，一是垂直方向上的隔行處理，即按照奇偶場規(guī)則寫入緩存；二是水平方向上的字節(jié)拆分與重構，因為OSD緩存是整字節(jié)(8bit)訪問的，為了實現(xiàn)字符/圖形的像素級定位，該操作是必要的。例如，為了在位置3開始疊加如圖6所示的11個bit‘1’，需要補5個bit的‘0’，并將重構后的“0x3f、0xf8”寫入OSD緩存，該操作由軟件完成。


3 結果與結論

OSD實現(xiàn)效果如圖7所示，監(jiān)視器上疊加有字符、數(shù)字和圖形，如果進一步設計，還可以實現(xiàn)彩色OSD、畫中畫以及透明效果，本文只是對這一方案進行了初步驗證。

實際應用證明，本文提出的設計方案新穎、合理，能夠有效減小視頻跟蹤系統(tǒng)的體積、降低系統(tǒng)復雜度和成本，具有極大的實用價值。