基于FPGA的高清視頻鍵控器的設(shè)計(jì)

汪清 楊廠鋒 徐晶

摘? 要：隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高清數(shù)字電視因其優(yōu)質(zhì)的視音頻效果已被廣泛推廣應(yīng)用。在電視播出系統(tǒng)中，視頻鍵控技術(shù)為增強(qiáng)數(shù)字電視播出時(shí)的多樣性提供了支持。由于數(shù)字化系統(tǒng)具備開(kāi)發(fā)難度低、系統(tǒng)穩(wěn)定和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的模擬視頻鍵控設(shè)備也將轉(zhuǎn)變成數(shù)字化的設(shè)備。本文深入研究了一種高清視頻鍵控方案，提出了一種使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)主視頻信號(hào)和臺(tái)標(biāo)信號(hào)的鍵控的方案。

關(guān)鍵詞：高清視頻;鍵控;FPGA

中圖分類(lèi)號(hào)：TN791;TN949.197? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0046-03

0? 引? 言

隨著數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，高清及極清數(shù)字電視已經(jīng)進(jìn)入人們的生活，它給人們帶來(lái)了高清的畫(huà)面質(zhì)量和身臨其境的感染力，而高清晰度電視（HDTV）也因此成為數(shù)字電視發(fā)展的首選。為了實(shí)現(xiàn)播出節(jié)目的多樣性和增加電視節(jié)目播出的觀賞性，這就需要一個(gè)高清視頻鍵控器來(lái)完成臺(tái)標(biāo)、腳標(biāo)等信號(hào)與主電視視頻信號(hào)的混合，給觀眾以全新的視覺(jué)享受。

目前隨著可編程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，使用可編程邏輯器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)可大大提高開(kāi)發(fā)效率，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。本文就是基于一款Xilinx公司的FPGA芯片XC6SLX75T來(lái)進(jìn)行高清視頻鍵控器的開(kāi)發(fā)，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便快捷。

1? 鍵控技術(shù)的基本原理

“鍵控”（Key）即摳像，是一種分割屏幕的特技，在電視節(jié)目的制作中應(yīng)用極為普遍。它的本質(zhì)就是“摳”和“填”?！皳浮本褪抢们熬拔矬w輪廓作為遮擋，將背景畫(huà)面的顏色沿該輪廓線摳掉;“填”就是將所要顯示的高清視頻信號(hào)填到被摳掉的區(qū)域，而最終形成前景與背景相合成的圖像。以B表示背景信號(hào)，F(xiàn)表示前景信號(hào)，V表示輸出信號(hào)，K表示鍵信號(hào)，則鍵控技術(shù)可用式（1）來(lái)表示：

V=F*K+（1-K）*B? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

鍵控可分為兩類(lèi)：硬鍵和軟鍵。本文采用硬鍵方式。

（1）硬鍵：鍵信號(hào)：Key為0或者1，當(dāng)鍵信號(hào)K為0輸出背景信號(hào)，當(dāng)K為1時(shí)輸出前景信號(hào)。在硬鍵中，鍵信號(hào)K為1時(shí)視頻開(kāi)關(guān)接通，前景圖像完全覆蓋其后的背景圖像，鍵信號(hào)K為0時(shí)視頻開(kāi)關(guān)切斷，完全顯示背景圖像。因?yàn)殒I信號(hào)的波形是矩形脈沖信號(hào)，用硬鍵方式合成的視頻圖像，前景和背景的分界處有抖動(dòng)和突變現(xiàn)象，還存在分界處彩色閃爍和有幕布色鑲邊等現(xiàn)象，所以硬鍵技術(shù)常常出現(xiàn)失真的情況。

（2）軟鍵：即K的值在0-1之間變化，輸出V按照上面的公式計(jì)算而來(lái)。軟鍵技術(shù)中的鍵信號(hào)波形圖是與前景信號(hào)透明度相關(guān)聯(lián)的梯形信號(hào)，鍵信號(hào)的上升和下降都有一定的坡度，很大程度上解決了硬鍵的缺點(diǎn)。目前，在軟鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上又提出了線性鍵控技術(shù)。線性鍵控技術(shù)是解決半透明物體的摳像最有效的技術(shù)。線性鍵的數(shù)學(xué)模型也可用上式表示。為了方便設(shè)計(jì)本文采用硬鍵的方式。

2? 高清視頻鍵控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高清視頻鍵控系統(tǒng)主要由HD-SDI接收模塊、視頻混合模塊、HD-SDI發(fā)送驅(qū)動(dòng)模塊組成，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

（1）HD-SDI接收模塊：其主要功能是先將經(jīng)過(guò)同軸電纜的HD-SDI信號(hào)進(jìn)行電纜均衡以補(bǔ)償信號(hào)的衰減和相移，然后解碼解擾，最后將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成20位并行視頻數(shù)據(jù)，并提取視頻時(shí)鐘后將數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸出給視頻混合模塊。

（2）HD-SDI發(fā)送模塊：是接收模塊的一個(gè)逆過(guò)程。主要完成并行視頻數(shù)據(jù)的加碼加擾，并串轉(zhuǎn)換功能。

（3）視頻混合模塊：其主要功能是接收經(jīng)過(guò)處理的外來(lái)20位的并行主視頻數(shù)據(jù)，并接收DDR2存儲(chǔ)器里的20位臺(tái)標(biāo)視頻數(shù)據(jù)，然后將主視頻數(shù)據(jù)和臺(tái)標(biāo)數(shù)據(jù)混合輸出。輸出的視頻數(shù)據(jù)與主視頻時(shí)鐘同步。該模塊主要由Xilinx公司的XC6SLX75T系列的FPGA完成。

本系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖2所示。主要分為三個(gè)模塊：HD-SDI收發(fā)模塊、視頻混合模塊、電源模塊。

HD-SDI接收模塊由GS2984和GS2970組成，主要完成電纜均衡、時(shí)鐘提取，HD-SDI的解擾解碼解串等處理;GS2972完成HD-SDI的發(fā)送以及輸出驅(qū)動(dòng)功能;視頻混合模塊主要由FPGA芯片XC6SLX75T完成;臺(tái)標(biāo)的存儲(chǔ)由DDR2芯片MT47H64M16HR-25E來(lái)完成。電源模塊主要提供+3.3V、+1.8V、+1.2V的供電電路。

3? 高清視頻鍵控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)FPGA設(shè)計(jì)中自上向下的設(shè)計(jì)原則，先確定頂層模塊，再具體模塊化，使用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)還包括專(zhuān)用芯片的配置。專(zhuān)用芯片GS2970，GS2972的配置都是通過(guò)STM32平臺(tái)進(jìn)行配置的。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高清視頻PAL制式和NTSC制式兼容的幀同步。軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

（1）行場(chǎng)提取模塊：檢測(cè)外來(lái)視頻流，提取外來(lái)視頻的行、場(chǎng)信息以生成臺(tái)標(biāo)信號(hào)。同時(shí)生成控制信號(hào)將臺(tái)標(biāo)寫(xiě)入DDR2存儲(chǔ)器中。

（2）視頻混合模塊：接收外來(lái)視頻和從DDR2存儲(chǔ)器中讀取的臺(tái)標(biāo)信號(hào)，將2路信號(hào)混合。

（3）DDR2控制器模塊：用來(lái)控制對(duì)DDR2存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的臺(tái)標(biāo)信號(hào)的讀寫(xiě)操作。

4? 系統(tǒng)測(cè)試

為了說(shuō)明一個(gè)系統(tǒng)是否完善，測(cè)試是不可或缺的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)測(cè)試是對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行檢測(cè)，保證設(shè)計(jì)能符合標(biāo)準(zhǔn)要求及功能需求。針對(duì)高清視頻鍵控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和測(cè)試。本系統(tǒng)采用FPGA內(nèi)部嵌入式邏輯分析儀采集數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)是否正確，進(jìn)行在線測(cè)試。除了理論數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證外，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的正確性還要靠實(shí)際顯示效果來(lái)判斷，因此本設(shè)計(jì)還根據(jù)要求搭建了測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

圖4? 高清視頻收發(fā)器測(cè)試平臺(tái)

整個(gè)測(cè)試平臺(tái)由HD-SDI高清信號(hào)收發(fā)器、高清視頻鍵控系統(tǒng)、HDMI轉(zhuǎn)換器以及顯示器組成。FPGA的程序通過(guò)JTAG下載線下載到FPGA中的配置芯片中。外來(lái)HD-SDI視頻信號(hào)進(jìn)入高清視頻鍵控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)和臺(tái)標(biāo)信號(hào)的混合處理后輸出，然后通過(guò)HDMI轉(zhuǎn)換器把HD-SDI信號(hào)轉(zhuǎn)為HDMI信號(hào)，再接到高清LED電視上顯示出來(lái)。通過(guò)觀察視頻圖像的穩(wěn)定性和鑒定聲音的效果來(lái)判斷視頻流經(jīng)過(guò)鍵控混合后是否能夠正確恢復(fù)，并判斷有沒(méi)有丟失音頻信號(hào)。

使用FPGA內(nèi)部嵌入式邏輯分析儀進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，用ISE自帶的嵌入式邏輯分析儀chipscope從FPGA的JTAG口采集內(nèi)部數(shù)據(jù)來(lái)便捷地進(jìn)行觀察分析，如圖5和圖6所示。其中/syshecheng/back表示主視頻信號(hào)，/syshecheng/front表示臺(tái)標(biāo)信號(hào)，/syshecheng/sdiout表示合成后輸出的視頻信號(hào)。圖五中臺(tái)標(biāo)信號(hào)front為4C7F8時(shí)表示該區(qū)域?yàn)榧t色臺(tái)標(biāo)區(qū)域，此時(shí)K為1，合成時(shí)輸出視頻取臺(tái)標(biāo)信號(hào)的值。圖6中無(wú)臺(tái)標(biāo)信號(hào)即K全為0，此時(shí)輸出視頻取背景信號(hào)的值。

5? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于FPGA的高清視頻鍵控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了硬件及軟件設(shè)計(jì)，運(yùn)用了Xilinx公司提供的設(shè)計(jì)軟件ISE，重點(diǎn)介紹了各個(gè)模塊的功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的聯(lián)合測(cè)試和對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文設(shè)計(jì)的高清視頻鍵控功能順利實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果正確，可應(yīng)用于相關(guān)高清視頻處理系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：汪清（1987-），男，漢族，安徽桐城人，科員，助理工程師，碩士，研究方向：高清音視頻處理。