試析高清混合視頻矩陣的研究及FPGA實(shí)現(xiàn)

季正勃

（中國人民解放軍東部戰(zhàn)區(qū)信息通信團(tuán)，南京 210000）

隨著視頻技術(shù)以及相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，視頻矩陣的需求日益高漲。目前在一些視頻應(yīng)用中需要運(yùn)用到幾個(gè)或者多個(gè)屏幕來對相應(yīng)的視頻信號進(jìn)行顯示。但是，實(shí)際上，視頻信號在顯示過程中會受到品目尺寸的限制，屏幕的尺寸無法無限制的進(jìn)行延伸和擴(kuò)張，因此目前的時(shí)間共享視頻顯示至關(guān)重要。視頻矩陣應(yīng)用之后能夠依據(jù)不同的信號源將視頻的格式轉(zhuǎn)化成VGA、AV、DVI以及HDMI。視頻矩陣的切換器不同，對應(yīng)的信號源也有所區(qū)別。然而實(shí)際應(yīng)用中，視頻源種類是極為豐富的，在這種情況下，假如僅僅運(yùn)用單一的視頻矩陣，那么就必須使用中央控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其實(shí)現(xiàn)必要的功能，然而如果使用了中央控制系統(tǒng)，那么就必然會擴(kuò)展項(xiàng)目的進(jìn)度，使得項(xiàng)目的費(fèi)用有所提升。如果擁有具備模擬、數(shù)字、高精細(xì)、明確的視頻信號的各種形式的輸入視頻信號接口，那么在應(yīng)用中就能夠?qū)崿F(xiàn)不同的視頻格式信號的訪問，可以滿足各種項(xiàng)目以及視頻源信號的需求。這個(gè)視頻矩陣稱為混合視頻矩陣。與此同時(shí)，人們生活水平的不斷提升，對于視頻要求也在不斷提升，原本的視頻形式已經(jīng)無法滿足人們的實(shí)際需求。在這種情況下高清視頻發(fā)展成為一種必然趨勢。

1 視頻矩陣的工作原理

視頻矩陣的基本工作原理是將m路視頻信號任意輸出至n路監(jiān)看設(shè)備上的電子裝置。視頻切換矩陣的概念是對線性代數(shù)概念的引用，從而構(gòu)成如下圖1所示的矩陣結(jié)構(gòu)，并最終達(dá)成對視頻信號的傳輸及切換效果。

圖1 視頻矩陣的基本結(jié)構(gòu)

視頻矩陣的基本結(jié)構(gòu)如上圖1所示，由IN1、IN2…INm總共m個(gè)輸入和OUT1、OUT2…OUTn這n個(gè)輸出組成的一個(gè)mxn路的矩陣。

每個(gè)輸入和全部輸出都存在交點(diǎn)。這就表明在這一點(diǎn)上，連接著輸入和輸出。隨著輸入/輸出的增加，輸入/輸出間的交叉點(diǎn)數(shù)在指數(shù)函數(shù)上呈現(xiàn)遞增趨勢。現(xiàn)在，視頻矩陣的規(guī)模逐漸擴(kuò)展，輸入帶寬和輸出帶寬的要求也在不斷提升。同時(shí)，視頻矩陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和放熱性能等相關(guān)要求都有所提升。

監(jiān)視的普及和拓展，造成監(jiān)視點(diǎn)數(shù)量和規(guī)模逐漸增大，前段照相機(jī)的數(shù)量以及其它類別監(jiān)視設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛實(shí)際應(yīng)用中，大規(guī)模的監(jiān)視系統(tǒng)，前端的照相機(jī)可能達(dá)到上千個(gè)。目前大規(guī)模的電視系統(tǒng)通?？梢赃_(dá)到256輸入或更多的輸入。因此，具有更高適應(yīng)性的視頻矩陣正在變得越來越關(guān)鍵。

圖2 混合視頻矩陣的結(jié)構(gòu)模式圖

上圖2是混合視頻矩陣結(jié)構(gòu)模式示意圖，由該圖我們能夠得知，混合視頻矩陣結(jié)構(gòu)涉及到5各組成部分，分別為：輸入模塊，視頻數(shù)據(jù)切換交換模塊，輸出模塊，控制模塊以及電源模塊。

2 高清混合視頻矩陣功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

輸入部分：

輸入部是由輸入卡構(gòu)成的，根據(jù)性能需求的不同，輸入卡數(shù)量由一到多不等。這些輸入卡在對視頻輸入實(shí)現(xiàn)解碼之后會收集并傳送到交換背板?，F(xiàn)在，隨著技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，視頻格式解碼芯片的中誒非常多，相關(guān)的視頻格式都能夠從市場中直接購置解碼芯片來對其進(jìn)行完成解碼，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)解碼的高速化，并且其具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。在此過程中，需要解碼的視頻數(shù)據(jù)會按照既定的流程傳輸?shù)浇粨Q背板。鑒于輸入影像的分辨率支持1920×1200，因此為了實(shí)時(shí)傳輸這樣的大規(guī)模數(shù)據(jù)，那么久需要傳輸速度高且輸入量大的設(shè)備元器件。在視頻數(shù)據(jù)傳輸速度超過3Gb/s的情況下，1920×1200的分辨率是恢復(fù)頻率為60Hz，所以必須選擇能夠?qū)崟r(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)的總線模式。

交換背板部分：該部分最重要的功能就是完成視頻數(shù)據(jù)的復(fù)制以及高速開關(guān)。輸入視頻數(shù)據(jù)可以被映射到輸出通道中的任何一個(gè)，以消除視頻開關(guān)以及切換功能。

輸出部分：

輸出部主要接收從交換背板發(fā)送到的視頻數(shù)據(jù)，之后要對其實(shí)施有效處理。完成之后要輸出為高清分辨率。另外，處理的數(shù)據(jù)被編碼芯片進(jìn)行編碼，然后經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)的視頻電纜將其發(fā)送到監(jiān)視裝置完成輸出流程。

控制部分：

控制部由兩個(gè)部分構(gòu)成，一個(gè)是主機(jī)計(jì)算機(jī)的軟件控制，該部分主要用在電腦上，使用通信接口開發(fā)工具控制設(shè)備的軟件和控制。另一個(gè)是面板控制，該結(jié)構(gòu)主要通過面板按鈕和液晶顯示器來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。

3 輸入部分FPGA的實(shí)現(xiàn)

輸入FPGA最為核心的性能就是把接收到的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)一格式，然后把這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的交換背板。鑒于輸入分辨率為1920×1080，因此這個(gè)分辨率的像素時(shí)鐘達(dá)到了160兆。實(shí)際工作中，為了實(shí)現(xiàn)對這一分辨率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，其傳輸速度要保持在3Gbit/s以上。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇使用FPGA的主時(shí)鐘頻率是125MHz。背板的FPGA主要涉及到兩大功能。一是實(shí)現(xiàn)同步信號的發(fā)送；二是對各個(gè)背板的電順序以及時(shí)間間隔進(jìn)行有效控制。背板FPGA的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)示意圖如圖3所示。SPI通信總線通過MCU實(shí)現(xiàn)寄存器狀態(tài)讀寫。

4 背板FPGA的實(shí)現(xiàn)

圖3 背板FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖

5 縮放算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

因?yàn)檩敵鲆曨l信號都是高清分辨率視頻信號，并且還需要能夠調(diào)整輸出分辨率。有鑒于此，在系統(tǒng)中就必須要選擇使用定標(biāo)算法?，F(xiàn)代的補(bǔ)充算法涵蓋線性和非線形互補(bǔ)、合理的補(bǔ)充間、表面再構(gòu)成、適應(yīng)區(qū)域補(bǔ)充等，然而大部分的算法都是集中在硬件上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，這一過程太過復(fù)雜。硬件上一般使用的算法包括互補(bǔ)算法、雙線形補(bǔ)充算法、BICBIC補(bǔ)充算法等。最鄰近插值實(shí)現(xiàn)簡單，然而其對圖像的處理效果并不好。雙線性插值法計(jì)算量比最鄰近插值比較大，然而處理的圖像的輪廓會稍微模糊。這是因?yàn)殡p線插值算法設(shè)置了低通濾波器，因此高頻成分會損壞。本設(shè)計(jì)采用了雙三次插值算法，但為了改善計(jì)算效率而對其實(shí)施離散化處理，把實(shí)數(shù)運(yùn)算改為整數(shù)運(yùn)算。有效地克服該算法中存在的問題。

6 結(jié)束語

綜上所述，高清混合視頻矩陣的應(yīng)用對于現(xiàn)代視頻行業(yè)的發(fā)展具有極大的推動(dòng)作用，加強(qiáng)對其進(jìn)行研究具有重要意義。