雙路視頻動態(tài)特效顯示設(shè)計

俞瑾珂

摘 要：課題研究是基于DSP的雙路視頻動態(tài)顯示系統(tǒng)，通過串行口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與電腦主機(jī)的交互。雙路視頻動態(tài)顯示系統(tǒng)包括單路畫面顯示、組合顯示、畫中畫顯示、混合縮放和alpha混合顯示，以雙路視頻分別采集的兩幀圖像作為設(shè)計對象進(jìn)行特效算法的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。電腦主機(jī)可以通過串行口控制DSP系統(tǒng)的特效顯示動態(tài)切換。實(shí)驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性，它在多路視頻監(jiān)控、視覺特效顯示等領(lǐng)域具有比較高的使用價值。

關(guān)鍵詞：雙路視頻；特效顯示；混合顯示；多路視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.069

現(xiàn)如今，不管是安防系統(tǒng)，還是各種需要實(shí)時檢測目標(biāo)狀態(tài)的領(lǐng)域，多路視頻的采集及其按照用戶的各種需求控制視頻顯示方式十分常見。各個行業(yè)的技術(shù)水平在不斷提高，人們對多路視頻的要求也越來越高，以滿足不同情況下的需求。多路視頻采集及其特效混合顯示是安防、舞臺轉(zhuǎn)播、新聞轉(zhuǎn)播等方面的重要組成部分，是一種高效實(shí)用的綜合性系統(tǒng)。當(dāng)然，因為多路視頻的特效混合顯示能夠?qū)Χ嗦穲D像進(jìn)行多樣的實(shí)時處理，所以，在多種場合都會應(yīng)用它。隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，圖像處理與數(shù)字信息傳輸技術(shù)也不斷發(fā)展，多路視頻的采集及其混合特效顯示也隨之發(fā)展，并且在視頻顯示模式上應(yīng)用了許多圖像處理的算法，提高了圖像質(zhì)量，使視覺效果越來越好。

現(xiàn)今，多路視頻采集與顯示活躍在各個領(lǐng)域，比如鋼鐵冶煉，利用視頻監(jiān)控來代替人工監(jiān)控，有效避免了工人在高溫環(huán)境下的作業(yè)危險；在農(nóng)業(yè)中，則利用雙路視頻實(shí)時記錄農(nóng)作物的生長情況，以便更詳細(xì)地了解農(nóng)作物的生長；在日常生活中，多路視頻的運(yùn)用更是數(shù)不勝數(shù)，包括各種生活的實(shí)際需要、娛樂需要和監(jiān)控需要等。

在視頻、圖像處理中，每一幀圖片都是由分辨率所對應(yīng)數(shù)量的像素組成的，每個像素的表示則是由幾個不同的顏色通道組成，而顏色通道則對應(yīng)著色彩空間，即用若干維度的變量來表示某一色彩。在色彩空間中，同樣有著如同幾何空間一樣的三維描述方式，它一般會用3種相對獨(dú)立的通道來表述顏色，但從不同的角度來描述就會有不同的色彩空間，它們從不同的角度去衡量對象時有不同的側(cè)重點(diǎn)。常見的色彩空間有RGB、HSV和YUV等。

本文主要提出了一種基于DSP高速計算系統(tǒng)的實(shí)時雙路視頻動態(tài)特效顯示設(shè)計方案，實(shí)驗結(jié)果驗證了包括組合特效、混合特效、alpha混合等特效效果設(shè)計的正確性。

1 雙路視頻動態(tài)特效顯示系統(tǒng)與特效設(shè)計

1.1 雙路視頻動態(tài)特效顯示系統(tǒng)

本設(shè)計以雙路視頻信號采集、處理和顯示為內(nèi)容，基于DSP硬件平臺，利用視頻解碼芯片和2個捕獲視頻端口VPO、VP1組成了既互相獨(dú)立又互相聯(lián)系的雙通道視頻捕獲系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對輸入視頻的雙通道實(shí)時采集。這樣做的目的是設(shè)計一種基于DSP的雙路視頻信號實(shí)時動態(tài)顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種雙路視頻交互功能，包括單獨(dú)顯示、組合顯示、畫中畫顯示和畫面縮放，并支持混合特效顯示，以滿足多種情況下的顯示需求。這是一種低成本的視頻信號特效顯示系統(tǒng)方案。

1.2 雙路視頻動態(tài)特效設(shè)計

1.2.1 畫中畫特效設(shè)計

畫中畫指的是在一段視頻中的一個小面積區(qū)域上播放另外一段視頻，而本設(shè)計中還添加了畫中畫區(qū)域的放大、縮小、移動。它的實(shí)現(xiàn)方式是，在576×720分辨率的幀圖片下，利用攝像頭采集到的兩路視頻幀，通過輸出到特定緩存區(qū)來改變不同像素的色彩空間值，從而達(dá)到畫中畫的顯示效果，繼而再通過主機(jī)與DSP的串行通信，實(shí)現(xiàn)對畫中畫區(qū)域大小、移動等操作。具體操作就是將capFrameBuf_1根據(jù)指定的范圍縮小，capFrameBuf_2不變，分別賦值給disFrameBuf的不同區(qū)域。畫中畫分為背景與景中畫，所以，需要定義景中畫的范圍，其余的則都是背景。本設(shè)計中利用景中畫起始坐標(biāo)、大小來確定景中畫位置，并且通過串口來控制起始坐標(biāo)、大小，從而實(shí)現(xiàn)對畫中畫整體效果的控制。

1.2.2 混合縮放特效設(shè)計

圖像縮放是數(shù)字圖像處理中經(jīng)常用到的，因為設(shè)計中需要將某個尺寸的圖片放大或縮小到另一個尺寸，所以，本設(shè)計使用了消耗資源最少的最近鄰插值。最近鄰插值是一種比較方便、簡單的縮放方式，縮放方案就是將像素指標(biāo)設(shè)置為相距其最短的像素指標(biāo)，如圖1所示。在縮小的過程中，如果2∶1縮小，在最近鄰插值中，實(shí)際上是簡化4個像素為1個，即直接將左上角的像素指標(biāo)作為縮小后的像素指標(biāo)。在放大的過程中，如果1∶2放大，在最近鄰插值中，實(shí)際上是將1個像素擴(kuò)張為4個，即直接以左上角的像素指標(biāo)作為放大后圖像的4個像素指標(biāo)。最近鄰插值的優(yōu)點(diǎn)是方便、簡單、計算量很小、消耗資源少，直接賦值即可，很適合實(shí)時性的處理，缺點(diǎn)就是產(chǎn)生的圖像局部有塊狀。

1.2.3 alpha混合特效設(shè)計

alpha混合在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，目的就是實(shí)現(xiàn)2幀圖片的可調(diào)節(jié)的半透明混合顯示。在實(shí)現(xiàn)過程中，對于2幀圖片的對應(yīng)像素，可將其RGB分量按權(quán)重相加得到新的像素RGB

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*[基金項目]上海市科委科技支撐項目支持（編號：16441905302）

分量，從而得到alpha混合的初步效果。在alpha混合處理中，它能夠達(dá)到2幀圖片的任意比例透明混合，也可以在圖像上添加透明的視覺特效，比如光源、煙霧和火光等。

在alpha混合中，有一個特別需要注意的地方，就是防止色彩的失真。alpha混合算法是在RGB空間進(jìn)行處理的，所以，對于那些原本不是用RGB色彩空間表示的，就需要轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式為：

公式中有許多浮點(diǎn)數(shù)的計算，并且參數(shù)經(jīng)過一定的近似，會在空間轉(zhuǎn)化過程中造成色彩的失真，并且在alpha混合計算時的乘除法也會造成色彩的失真。因此，在DSP系統(tǒng)的處理過程中，需要控制參數(shù)的精度，使程序運(yùn)行的速度在達(dá)到要求的情況下盡量削弱色彩的失真度。當(dāng)然，最好的方式就是只通過位運(yùn)算，避免乘除運(yùn)算。

2 動態(tài)特效顯示實(shí)驗結(jié)果

2.1 畫中畫組合特效顯示

圖2是畫中畫效果的畫面記錄。圖2（a）為初始化景中畫大小的畫面，圖2（b）和圖2（c）為通過串口來控制景中畫大小和位置之后的畫面。圖2（b）是改變大小后的效果，圖2（c）是改變位置后的效果。經(jīng)實(shí)驗測試，畫中畫效果程序周期大概在20幀/s，測試方案是：在程序中添加變量frame記錄處理幀數(shù)，運(yùn)行程序，經(jīng)過一段時間后暫停程序，記錄frame，再繼續(xù)運(yùn)行程序，經(jīng)過10 s，暫停程序，記錄frame。2個frame相減除以10就是每秒處理的平均幀數(shù)。

2.2 混合縮放特效顯示

圖3為混合縮放效果的實(shí)驗記錄，圖3（a）左上角縮小圖為視頻1，整體為視頻2。圖3（b）和圖3（c）是視頻1和視頻2的轉(zhuǎn)換過程。圖3（d）右上角為視頻2，整體為視頻1?；旌峡s放實(shí)現(xiàn)的是類似各種直播場合切換分會場與主會場的效果。當(dāng)畫面1為主顯示畫面時，將畫面2縮小置于主畫面的左上角；同理，當(dāng)畫面2為主顯示畫面時，將畫面1縮小后顯示于主畫面右上角。本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了兩路視頻的顯示切換，同時，保留非主顯示畫面的縮小畫面。

2.3 alpha混合特效顯示

圖4為alpha混合效果的實(shí)驗記錄圖，它表現(xiàn)了2幀在不同alpha值下的混合效果。其中，下半部分的圖像沒有處理，是一路原圖像，將上下2幅圖作對比，上半部分圖像的alpha混合效果更為明顯。圖4（a）到圖4（d）分別是alpha值從小到大的一組圖片，圖4（a）視頻1比例最大，圖4（d）視頻2比例最大。文中已經(jīng)提到，由于視頻數(shù)據(jù)采集緩存區(qū)capFrameBuf里的數(shù)據(jù)是YUV格式，而alpha混合算法需要的是RGB格式，因此，在轉(zhuǎn)換過程中，計算誤差等原因會導(dǎo)致色彩失真。圖4中，書架比較亮的地方就出現(xiàn)了色彩失真的情況。在實(shí)驗設(shè)計中，嘗試對高亮度區(qū)域進(jìn)行限制處理。這樣做，雖然在一定程度上緩解了失真程度，但還是殘留著一些失真的像素。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了一個在電腦主機(jī)上通過串口控制的雙路視頻特效顯示系統(tǒng)設(shè)計方案，它能夠根據(jù)用戶需求對兩路圖像進(jìn)行切換單獨(dú)顯示、組合顯示、畫中畫顯示、畫面縮放和alpha顯示等，并在每個顯示特效中控制各種參數(shù)的變化，比如畫中畫的畫面大小，支持添加用戶可選的圖像增強(qiáng)算法，以適應(yīng)不同的拍攝環(huán)境。實(shí)驗結(jié)果表明，畫中畫組合特效、縮放特效、alpha混合特效滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求，在多種圖像顯示系統(tǒng)中具有比較強(qiáng)的使用性。

致謝：筆者在暑期項目實(shí)踐和文中所述研究工作的設(shè)計中，得到了上海大學(xué)圖像處理實(shí)驗室陸小鋒老師和張偉特同學(xué)的大力支持。感謝為該設(shè)計工作提供實(shí)驗條件和儀器設(shè)備的所有朋友。

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〔編輯：白潔〕