基于FPGA 高清視頻圖像的光纖傳輸系統(tǒng)研究

孫風(fēng)雷，劉樹昌，劉 鵬，白雪敏，周大勇，王 雪

(長(zhǎng)春理工大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院;b.空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022)

基于FPGA 高清視頻圖像的光纖傳輸系統(tǒng)研究

孫風(fēng)雷a，劉樹昌a，劉 鵬b，白雪敏a，周大勇a，王 雪a

(長(zhǎng)春理工大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院;b.空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022)

針對(duì)傳統(tǒng)的電纜不能滿足高清視頻圖像的傳輸速率和傳輸距離要求的問題，在研究視頻圖像傳輸技術(shù)的基本原理基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一種以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA:Field Programmable Gate Array)為核心的高清視頻圖像光纖傳輸系統(tǒng)。采用高清晰度多媒體接口(HDMI:High Definition Multimedia Interface)作為高清數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)的輸入接口，利用FPGA的高速并行特性完成了高清數(shù)字視頻圖像的采集、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)流的緩存控制，并通過HDMI接口輸出高清視頻圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傳輸速率為2.5 Gbit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)300 m。該方案實(shí)現(xiàn)了高清數(shù)字視頻圖像的光纖遠(yuǎn)距離無失真?zhèn)鬏敗?/p>

高清視頻;現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件;光纖傳輸;高清晰度多媒體接口;預(yù)處理

0 引言

近年來高清數(shù)字視頻的不斷發(fā)展使得對(duì)視頻接口的傳輸速率要求越來越高。早期的模擬視頻接口由于存在易受電磁干擾、傳輸速率低、傳輸損耗大等缺點(diǎn)正在被新一代的數(shù)字視頻接口所取代。筆者以FPGA(Field Programmable Gate Array)為核心實(shí)現(xiàn)了 HDMI(High Definition Multimedia Interface)［1，2］高清數(shù)字視頻圖像的采集和預(yù)處理，并利用高速光纖傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高清數(shù)字視頻圖像的遠(yuǎn)距離無失真?zhèn)鬏敗?/p>

HDMI是高清晰多媒體接口，它已被廣泛地應(yīng)用到DVD、機(jī)頂盒及手機(jī)等設(shè)備中［3，4］。HDMI采用最小差分變換信號(hào)(TMDS:Transition Minimize Differential Signal)作為基本電氣連接，其包含3路TMDS數(shù)據(jù)通道(傳輸視頻數(shù)據(jù)、音頻及輔助控制數(shù)據(jù)等)和1路TMDS時(shí)鐘通道，點(diǎn)的傳輸速率可達(dá)10.2 Gbit/s。但由于HDMI接口的傳輸距離只有10 m，不適合長(zhǎng)距離的傳輸，因此，需要一種新的傳輸技術(shù)解決高清視頻圖像的高速遠(yuǎn)距離傳輸難題［5，6］。

1 視頻的光纖傳輸技術(shù)總體設(shè)計(jì)

視頻的光纖傳輸系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)包括光纖發(fā)送和光纖接收兩部分。

圖1 視頻的光纖傳輸系統(tǒng)原理圖Fig.1 Block diagram of optical fiber transmission system

1.1 光纖發(fā)送

以高清相機(jī)作為數(shù)據(jù)源，分辨率為1 920×1 080像素，隔行掃描，每秒60場(chǎng)30幀，帶寬為1 920×1 080×30×8 bit≈500 Mbit/s，并以HDMI接口方式輸出視頻圖像數(shù)據(jù)。HDMI電平變換單元完成高清相機(jī)和FPGA之間數(shù)據(jù)通信接口的變換。FPGA將采集到的視頻數(shù)據(jù)以乒乓方式進(jìn)行緩存，并將圖像數(shù)據(jù)以16位并行輸出，同時(shí)產(chǎn)生伴隨時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)發(fā)送給速率為2.7 Gbit/s的高速并串轉(zhuǎn)換器，在內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以差分形式送給速率為2.5 Gbit的光纖收發(fā)模塊SFP(Small Form-factor Pluggable)，SFP完成光纖通信的線路編碼后進(jìn)行傳輸。

1.2 光纖接收

視頻圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮斩薙FP模塊，再由SFP模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分電信號(hào)，送給高速串并轉(zhuǎn)換器，將差分電信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的16位數(shù)據(jù)輸出給FPGA，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的接收時(shí)鐘［7-9］。FPGA根據(jù)接收時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，獲得視頻數(shù)據(jù)信號(hào)后，將視頻圖像數(shù)據(jù)與FPGA內(nèi)部模板進(jìn)行比較和匹配，判斷是否需要預(yù)處理，最后將數(shù)據(jù)送到HDMI電平變換單元，通過HDMI接口輸出無損高清視頻圖像。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 視頻接口

高清相機(jī)采用HDMI接口輸出視頻圖像。由于FPGA不能接收TMDS電平，因此，在高清相機(jī)和FPGA之間需要一個(gè)電平變換。系統(tǒng)輸入接口變換單元選擇Silicon Image公司的HDMI解碼芯片SiI9135，支持24/30/36位 RGB/YCbCr 4∶4∶4，16/20/24位 YCbCr 4∶2∶2以及8/10/12位 YCbCr 4∶2∶2(ITU-R BT.656)數(shù)據(jù)格式輸出，通過IIC(Inter-Integrated Circuit)總線配置。系統(tǒng)輸出格式設(shè)置為8位的YCbCr 4∶2∶2，并根據(jù)輸出的時(shí)鐘和行場(chǎng)同步信號(hào)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

在光纖接收端，F(xiàn)PGA將經(jīng)過預(yù)處理的視頻圖像、行同步、場(chǎng)同步以及時(shí)鐘信號(hào)傳輸給Silicon Image公司的以IIC總線配置的電平變換單元SiI9134，以HDMI方式進(jìn)行無損輸出［7，9］。

外部控制器選擇Atmel公司的Mega16L單片機(jī)。Mega16L是AVR系列的低功耗單片機(jī)，其IIC總線接口直接對(duì)SiI9135和SiI9134進(jìn)行配置。

2.2 高速串/并轉(zhuǎn)換器

筆者選擇TI公司的TLK2711a高速串行收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)16位并行數(shù)據(jù)與串行信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。在光纖發(fā)送端，TLK2711a在內(nèi)部通過8b/10b編碼方式將16位的并行數(shù)據(jù)編碼成20位的并行差分?jǐn)?shù)據(jù)。在光纖接收端，TLK2711a接收到串行的差分信號(hào)后進(jìn)行8b/10b的解碼，恢復(fù)出16位的并行數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生同步時(shí)鐘供FPGA采集。

2.3 SFP 光纖模塊

SFP是新一代的光收發(fā)器件，其體積小，支持熱插拔等功能，筆者選擇GACS-8524-MXX系列光收發(fā)模塊。采用850 nm的激光發(fā)射器，最大傳輸距離可達(dá)300 m。

2.4 FPGA 設(shè)計(jì)

筆者根據(jù)FPGA和圖像預(yù)處理算法［10］的特點(diǎn)及系統(tǒng)需求，闡述了圖像預(yù)處理算法的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，筆者實(shí)現(xiàn)的預(yù)處理算法包括中值濾波和直方圖均衡化。

圖像預(yù)處理算法實(shí)現(xiàn)模塊主要由3個(gè)子模塊組成，即3×3模板形成模塊、行列計(jì)數(shù)模塊和圖像算法處理模塊。其中3×3模板形成模塊是為了生成3×3圖像數(shù)據(jù)窗口，以供圖像算法處理模塊使用;行列計(jì)數(shù)模塊用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)的行列計(jì)數(shù)，以確定正在處理的數(shù)據(jù)在圖像數(shù)據(jù)陣列中的位置;圖像算法處理模塊是圖像預(yù)處理算法模塊的核心，主要是用圖像預(yù)處理算法對(duì)3×3模板中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出經(jīng)圖像預(yù)處理算法處理后的有效圖像數(shù)據(jù)。圖像預(yù)處理算法實(shí)現(xiàn)的模塊如圖2所示。

圖2 圖像預(yù)處理算法實(shí)現(xiàn)模塊框圖Fig.2 Block diagram of image preprocessing algorithm

圖2中，RST和CLK分別為系統(tǒng)復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)，Din［7..0］為輸入的8位灰度圖像數(shù)據(jù)，Dout［7..0］為經(jīng)過圖像預(yù)處理算法處理后的輸出數(shù)據(jù)，Dvalid為輸出數(shù)據(jù)有效標(biāo)志，即當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為經(jīng)過圖像預(yù)處理算法處理后的有效輸出數(shù)據(jù)時(shí)，Dvalid為邏輯1，相反為0。

中值濾波的基本原理是通過對(duì)一幅圖像中每個(gè)合法像素點(diǎn)鄰域中的像素按灰度級(jí)進(jìn)行排序，然后選擇該組的中間值作為輸出像素值。它對(duì)干擾脈沖和點(diǎn)狀噪聲有良好的抑制作用，而對(duì)圖像邊緣又能較好地保持［11，12］。其在FPGA上的具體實(shí)現(xiàn)過程如下:

1)選取一個(gè)3×3的窗口;

2)對(duì)每行的像素灰度值進(jìn)行排序分組，得到最大值組A3、中間值組A2和最小值組A1，它們都為標(biāo)準(zhǔn)的8位灰度圖像數(shù)據(jù);

3)排列 A1、A2、A33 組后得到新的排列 B1、B2、B3;

4)比較B1、B2、B3的數(shù)據(jù)得到窗口的中值，其流程如圖3所示。

圖3 中值濾波流程圖Fig.3 Flow chart of median filter

直方圖均衡化是圖像增強(qiáng)處理的一種常用方法。其基本思想是更改原始圖像像素的灰度值，對(duì)在圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度級(jí)進(jìn)行拓寬，而對(duì)像素個(gè)數(shù)少的灰度級(jí)進(jìn)行縮減，使圖像對(duì)應(yīng)的直方圖變換成均勻分布的形式，從而產(chǎn)生一幅灰度級(jí)分布具有均勻概率密度的圖像，達(dá)到圖像增強(qiáng)的效果［13，14］。

圖4為Matlab仿真結(jié)果。圖4a為原始圖像的直方圖，圖4b為增強(qiáng)處理后圖像的直方圖。從仿真結(jié)果可以看出，灰度的概率分布在增強(qiáng)處理后更加分散，對(duì)比度明顯得到提高。

圖4 Matlab仿真結(jié)果Fig.4 Matlab simulation result

3 系統(tǒng)的調(diào)試與仿真

筆者采用Altera公司［15］的CYCLONEⅢ系列芯片EP3C25Q240C8作為控制與處理的核心。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題:1)在PCB設(shè)計(jì)電路板時(shí)需要考慮高速信號(hào)的等長(zhǎng)布線;2)在光纖發(fā)送端的每幀和每行視頻數(shù)據(jù)開始之前需要加上定時(shí)信號(hào)，接收端根據(jù)數(shù)據(jù)流中的定時(shí)信號(hào)判斷一幀圖像和一行圖像的開始。

設(shè)計(jì)中使用QuartusII對(duì)光纖發(fā)送和接收模塊進(jìn)行波形仿真。圖5為發(fā)送模塊的波形仿真圖。rdata為預(yù)發(fā)送的8位圖像數(shù)據(jù)，tdata為FPGA發(fā)送給TLK2711a的16位并行數(shù)據(jù)。在程序中將兩個(gè)8位的圖像數(shù)據(jù)組合成一個(gè)16位的數(shù)據(jù)發(fā)送給TLK2711a，tclk為伴隨時(shí)鐘，TLK2711a在時(shí)鐘的上升沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。圖6為接收模塊的波形仿真圖。r_data為TLK2711a輸出的16位并行數(shù)據(jù)，r_clk為接收時(shí)鐘。FPGA根據(jù)接收時(shí)鐘對(duì)16位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將16位并行數(shù)據(jù)還原成兩個(gè)8位的圖像數(shù)據(jù)。

圖5 發(fā)送仿真波形圖Fig.5 Transmitting simulation waveform

圖6 接收仿真波形圖Fig.6 Receiving simulation waveform

圖7為光纖接收端未經(jīng)處理和處理后的圖像對(duì)比。其中圖7a為光纖接收端未經(jīng)處理輸出的圖像，圖7b為經(jīng)過處理后輸出的圖像?？煽闯觯?jīng)過FPGA處理后圖像的噪聲基本被濾除了，而且圖像的細(xì)節(jié)依然可以清晰分辨。

圖7 光纖接收端的圖像Fig.7 Received pictures

4 結(jié)語

筆者以光纖作為傳輸媒介傳送信號(hào)，由于光纖具有傳輸速率高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使本系統(tǒng)具有了很好的傳輸特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)傳輸速率為2.5 Gbit/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)300 m。同時(shí)筆者充分利用了FPGA的并行處理能力與處理速度，實(shí)現(xiàn)了高清數(shù)字視頻圖像的采集和預(yù)處理，并且高速鎖相環(huán)和內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)一步提高了圖像處理的性能，減小了圖像數(shù)據(jù)在采集和傳輸過程中帶來的噪聲，提高了圖像的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高清視頻圖像的遠(yuǎn)距離無失真?zhèn)鬏敗?/p>

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(責(zé)任編輯:張潔)

High-Definition Video Image Fiber Transmission System Based on FPGA

SUN Fengleia，LIU Shuchanga，LIU Pengb，BAI Xuemina，ZHOU Dayonga，WANG Xuea
(a.College of Electrical and Information Engineering;b.Fundammontal Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

The traditional cable can not meet the high-definition video image transmission rate and transmission distance requirements. Therefor， a high-definition video optical fiber transmission with FPGA (Field Programmable Gate Array)as its core，on the basis of video image transmission technology is proposed.Using HDMI(High Definition Multimedia Interface)as the high-definition digital video image data input interface，the high-definition digital video image acquisition，preprocessing and data stream cache control is realized，using the high-speed parallel FPGA features.According to the experiment，when the transmission rate is 2.5 Gbit/s，the transmission distance can reach 300 m.The program implements high-definition digital video fiber optic distant transmission without distortion.

high-definition video;field programmable gate array(FPGA);fiber transmission;high definition multimedia interface(HDMI);preprocessing

TN919.85

A

1671-5896(2014)02-0125-06

2013-11-19

總裝備部靶場(chǎng)測(cè)試基金資助項(xiàng)目

孫風(fēng)雷(1990— )，男，重慶人，長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士研究生，主要從事通信研究和智能圖像處理研究，(Tel)86-18004429225(E-mail)fenglei_sun@126.com;劉樹昌(1955— )，女，長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事檢測(cè)與處理技術(shù)研究，(Tel)86-13009126387(E-mail)lscjlcc@126.com。