數(shù)字高清視頻處理綜合設(shè)計(jì)

熊 偉

（河南省商丘市商丘廣播電視臺(tái)，商丘 476000）

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，視頻處理手段以及設(shè)計(jì)要求相應(yīng)提高，要想取得數(shù)字高清視頻處理設(shè)計(jì)的良好效果，務(wù)必探索最新設(shè)計(jì)思路，并應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)。這不僅符合新時(shí)期社會(huì)發(fā)展要求，而且還能深化信息行業(yè)改革，為相關(guān)行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)力?？梢姡撜擃}探究具有理論補(bǔ)充、實(shí)踐指導(dǎo)作用，希望同行能夠從中有所收獲。

1 必要性分析

科技水平提高的同時(shí)，視頻發(fā)展階段日漸細(xì)化，并且視頻數(shù)字化趨勢(shì)日益顯著。現(xiàn)下，數(shù)字高清視頻功能不斷豐富，視頻處理系統(tǒng)兼容效果相應(yīng)優(yōu)化，進(jìn)而能夠滿足使用者在高清晰度、快速處理等方面的需要。簡(jiǎn)言之，數(shù)字高清視頻處理系統(tǒng)與時(shí)代發(fā)展保持同步。然而數(shù)字高清視頻處理階段，需客觀處理高數(shù)據(jù)率、深層次開發(fā)、負(fù)載清除等問題，由于處理時(shí)間有限，因此，應(yīng)積極探索滿足使用要求、迎合處理需要的綜合處理平臺(tái)。在此期間，合理設(shè)計(jì)視頻接口硬件和視頻接口軟件，掌握?qǐng)D像壓縮與處理最佳方式，確保數(shù)字高清視頻信號(hào)在多領(lǐng)域應(yīng)用?？梢姡咔逡曨l處理綜合設(shè)計(jì)工作刻不容緩，對(duì)于設(shè)計(jì)工作者來講，應(yīng)集思廣益，為視頻處理綜合設(shè)計(jì)工作提出合理化建議，并作出積極貢獻(xiàn)[1]。

2 視頻處理設(shè)計(jì)中嵌入式技術(shù)應(yīng)用的意義

視頻處理設(shè)計(jì)工作具有復(fù)雜性特點(diǎn)，為在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建視頻處理設(shè)計(jì)平臺(tái)，取得數(shù)字高清視頻處理的良好效果，有效運(yùn)用嵌入式技術(shù)是極為必要的。下文從社會(huì)趨勢(shì)、技術(shù)進(jìn)步兩方面重點(diǎn)分析嵌入式技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義，以期為技術(shù)研究者在視頻設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建方面提供思路。

2.1 迎合社會(huì)趨勢(shì)

目前，社會(huì)發(fā)展進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，在這一時(shí)代背景中，先進(jìn)技術(shù)巧妙融合，并且新型技術(shù)層出不窮。嵌入式技術(shù)屬于時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，該技術(shù)問世時(shí)間雖短，但在數(shù)字高清視頻處理綜合設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，并得到業(yè)內(nèi)人士的高度認(rèn)可。嵌入式技術(shù)之所以能夠獲得較高的社會(huì)評(píng)價(jià)，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)的實(shí)用性較強(qiáng)，加之，嵌入式技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、可拓展性、低能耗、低功率、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而能夠迎合新媒體處理需要，為數(shù)字高清視頻處理提供可靠的技術(shù)支持。

2.2 推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步

嵌入式技術(shù)運(yùn)用于數(shù)字高清視頻處理系統(tǒng)，具體體現(xiàn)在嵌入式視頻電話系統(tǒng)、嵌入式視頻系統(tǒng)、嵌入式車載娛樂系統(tǒng)、嵌入式攝像系統(tǒng)等多方面。隨著嵌入式技術(shù)自身的不斷升級(jí)和完善，其他類型嵌入式產(chǎn)品相繼問世，這無形當(dāng)中為嵌入式產(chǎn)品向數(shù)字化方向發(fā)展提供了良好條件?；谇度胧郊夹g(shù)自身來講，經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，如網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段、手持終端發(fā)展階段，間接反映出，科技進(jìn)步速度逐漸加快，科技水平大幅度提高[2]。

3 新時(shí)期數(shù)字高清視頻處理綜合設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)字高清視頻處理綜合設(shè)計(jì)，主要圍繞視頻接口硬件、視頻接口軟件、圖像壓縮與處理這三方面詳細(xì)設(shè)計(jì)，并針對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐分析，以此檢驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性，并為設(shè)計(jì)實(shí)踐提供切實(shí)可行的指導(dǎo)。

3.1 視頻接口硬件

視頻圖像綜合處理的過程中，主要借助DSP 處理器模塊和FPGA 接口模塊完成綜合處理目標(biāo)。設(shè)計(jì)工作開展前，應(yīng)具體掌握硬件功能，如視頻數(shù)字化模擬、高清視頻圖像緩存及預(yù)處理、數(shù)字圖像系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，確保硬件設(shè)計(jì)工作在系統(tǒng)方案的指導(dǎo)下有序開展，從而提高視頻接口硬件的實(shí)效性。設(shè)計(jì)活動(dòng)組織時(shí)，借助視頻解碼芯片ADV7188完成PAL 制式解碼任務(wù)，優(yōu)選適合的輸入模式，將數(shù)字視頻信號(hào)、控制信號(hào)有序置于FPGA；針對(duì)視頻信號(hào)處理時(shí)，為合理控制數(shù)據(jù)速率，應(yīng)借助LMH0341對(duì)其進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，最終成功設(shè)計(jì)HD-SDI 接口，確保數(shù)字高清視頻信號(hào)常規(guī)處理。

DSP 處理器模塊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)明確該處理器處理對(duì)象—高清圖像，并了解DSP 處理器運(yùn)行特點(diǎn)，根據(jù)數(shù)字高清視頻處理系統(tǒng)使用需要，優(yōu)選高性能DSP 處理器—TMS320C6416T-1000。FPGA 接口模塊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理控制接口數(shù)量，并根據(jù)信號(hào)及數(shù)據(jù)處理需要，適當(dāng)配置RAM 資源。最后統(tǒng)一整理上述視頻接口硬件設(shè)計(jì)資料，有依據(jù)的制作綜合處理模塊硬件框圖。

3.2 視頻接口軟件

現(xiàn)下，數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)不斷細(xì)分，較常見的視頻標(biāo)準(zhǔn)主要有BT601、BT656、SMPTE259、SMPTE292、SMPTE274 等，不同標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)要求各異，這在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段應(yīng)格外注意。

數(shù)字高清視頻接口軟件設(shè)計(jì)的過程中，為實(shí)現(xiàn)視頻圖像有效數(shù)據(jù)獲取這一目標(biāo)，遵循串并轉(zhuǎn)換→干擾碼清除→狀態(tài)機(jī)識(shí)別→圖像數(shù)據(jù)提取這一流程。其中，高速收發(fā)器作為模塊化通信技術(shù)的一種，支持多種搭配形式，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)議信號(hào)收發(fā)、數(shù)據(jù)還原、信號(hào)恢復(fù)等目標(biāo)。當(dāng)前，F(xiàn)PGA 具備高速收發(fā)器硬核集成功能。有效數(shù)據(jù)抽取方案制定的過程中，SMPTE292、SMPTE274在其中起到重要的輔助作用，通過解擾碼和解串行等針對(duì)性處理，來獲取有效圖像數(shù)據(jù)，并保證數(shù)字高清視頻處理系統(tǒng)性能。抽取狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)遵循高清圖像有效數(shù)據(jù)抽取流程，根據(jù)行/場(chǎng)狀態(tài)機(jī)判定結(jié)果最終順利抽取有效圖像數(shù)據(jù)，在此期間，行/場(chǎng)狀態(tài)機(jī)應(yīng)協(xié)調(diào)配合，直到完成HD-SDI 數(shù)據(jù)流時(shí)序調(diào)整，以及有效圖像數(shù)據(jù)抽取目的。為檢測(cè)上述數(shù)字高清圖像獲取結(jié)果，通過串并轉(zhuǎn)換、FPGA 校驗(yàn)，最終獲取灰度圖像數(shù)據(jù)，在這一過程中，圖像獲取速率與圖像源速率應(yīng)保持同步狀態(tài)，均為25幀/s[3]。

3.3 圖像壓縮與處理

圖像壓縮、處理的過程中，既要分析圖像大小、類型、緩存、分辨率，又要具體掌握視頻幀速率。在此期間，準(zhǔn)確計(jì)算數(shù)字高清圖像數(shù)據(jù)速率，根據(jù)數(shù)據(jù)源、總線接口數(shù)據(jù)率合理制定乒乓緩存方案，確保設(shè)計(jì)完成的乒乓緩沖區(qū)具有高速率、大容量等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，具體規(guī)定灰度圖像、真彩圖像的幀容量。圖像數(shù)據(jù)緩存后，DSP 針對(duì)圖像數(shù)據(jù)有序讀取、高效處理，并借助庫函數(shù)完成單幀圖像類型劃分任務(wù)，直觀展示各單幀圖像參數(shù)。圖像壓縮方式不盡相同，一般來講，圖像壓縮方式細(xì)分圖像格式、有損/無損壓縮、圖像壓縮質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)等多種類型。這要求設(shè)計(jì)者全面掌握、動(dòng)態(tài)更新圖像不同壓縮方式的內(nèi)涵，以便為DSP 實(shí)現(xiàn)方案制定提供理論依據(jù)，從而優(yōu)化圖像壓縮處理流程。

圖像處理方式細(xì)分多種，常見的圖像處理技術(shù)主要有圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像特征提取、圖像壓縮編碼等，不同圖像處理技術(shù)存在顯著差異，因此，應(yīng)根據(jù)圖像處理需要，選用適合的處理技術(shù)。其中，圖像復(fù)原技術(shù)適用于模型矯正，該技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)滿足圖像真實(shí)面貌還原需要；圖像壓縮編碼技術(shù)在不改變圖像信息內(nèi)容、保證圖像真實(shí)性的基礎(chǔ)上，通過圖像信息編碼的方式來提高圖像傳輸效率。對(duì)于圖像處理DSP 實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方法包括三種，方法一即圖像正交變換，即借助庫函數(shù)充分發(fā)揮離散余弦變換DCT 在圖像編碼變換中的作用，通過減少編碼量來完成圖像處理任務(wù)。方法二即圖像中值濾波，它即屬于非線性圖像處理技術(shù)，又屬于圖像增強(qiáng)技術(shù)，這一方法具有操作便捷、噪聲高效掃描等優(yōu)點(diǎn)。但圖像中值濾波技術(shù)在細(xì)線條圖像、多尖角等圖像處理中的使用效果較差。方法三即圖像銳化，該處理技術(shù)能夠使圖像輪廓清晰顯示，通過物理邊界劃分的方式完成圖像內(nèi)部物體分離任務(wù)[4]。

4 結(jié)束語

信息技術(shù)時(shí)代發(fā)展的過程中，數(shù)字高清視頻處理綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)有效構(gòu)建，該平臺(tái)既支持HD-SDI 接口視頻有效圖像數(shù)據(jù)抽取，又能為圖像綜合處理提供可靠的技術(shù)支持。這對(duì)數(shù)字高清視頻處理綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)用性發(fā)揮有促進(jìn)意義，同時(shí)，能為數(shù)字高清視頻處理系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展給與可靠的技術(shù)保障。因此，視頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維，確保視頻處理設(shè)計(jì)平臺(tái)與時(shí)俱進(jìn)的優(yōu)化。