基于可編程邏輯器件的實時視頻處理研究

引 言

實時視頻處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于高速公路，治安卡口，十字路口等監(jiān)控管理領(lǐng)域，對自動化和智能管理有著重要的作用，視頻監(jiān)控技術(shù)也正向智能化發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也在加速，對監(jiān)控裝置的實時處理的要求也越來越高，針對各種需求，一些關(guān)鍵技術(shù)也相繼問世。

目前普遍使用的監(jiān)控裝置彩色顯示，能夠清楚地顯示監(jiān)控區(qū)域并保存數(shù)據(jù)，但不能對畫面進(jìn)行實時處理。如發(fā)生突發(fā)事件只能通過事后觀看錄像來解決問題，這必然會帶來一些實質(zhì)性的后果，針對以上問題設(shè)計這種實時視頻處理裝置。該裝置不僅能夠?qū)崟r顯示，而且能夠?qū)崟r處理突發(fā)事件，特別是這種無級縮放技術(shù)可對感興趣的區(qū)域進(jìn)行無級縮放處理，并且可以任意指定感興趣的區(qū)域和縮放后的顯示區(qū)域。

目前一些監(jiān)控場合的監(jiān)控系統(tǒng)并不完善，通常只能記錄概況而得不到所需的細(xì)節(jié)。針對這一弊端，該裝置將視頻疊加技術(shù)應(yīng)用于上述場合，成功升級了監(jiān)控系統(tǒng)。該裝置不僅能夠正常顯示概況，而且可以將所需要的細(xì)節(jié)通過另一臺攝像機(jī)拍攝后疊加顯示在同一個監(jiān)視器上，即一個顯示器可以同時顯示兩路視頻信號，一路正常輸出，另一路縮小一定比例后顯示在某個區(qū)域，并且可以切換兩路輸入信號。

原 理

實時視頻處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。實時視頻處理裝置主要構(gòu)成部分為視頻解碼芯片，視頻編碼芯片，可編程邏輯器件，RAM存儲器，控制器，電源模塊和一些邏輯芯片。其中控制器通過I2C總線對視頻編碼芯片和解碼芯片進(jìn)行初始化以確定其工作狀態(tài)。視頻解碼芯片將CVBS格式的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為YUV 4：2：2格式的數(shù)字視頻信號并送至可編程邏輯器件，可編程邏輯器件通過外部按鍵信息來實現(xiàn)無級縮放或者視頻疊加功能。對活動視頻進(jìn)行無級縮放處理時，可編程邏輯器件將需要處理部分的數(shù)字信號寫入RAM存儲器并根據(jù)縮放倍數(shù)從RAM存儲器中重復(fù)讀取并抽樣，再與原畫面疊加；對兩路視頻信號進(jìn)行視頻疊加處理時，可編程邏輯器件控制存儲器對其中一路視頻信號進(jìn)行抽樣，1／3抽樣過程如圖2所示。再與另一路視頻信號進(jìn)行疊加。處理后的數(shù)字視頻信號通過視頻編碼芯片轉(zhuǎn)化為CVBS格式的模擬視頻信號并輸出。電源模塊負(fù)責(zé)提供多路電源信號。

活動視頻的無級縮放，即有理數(shù)倍縮放，是指可將感興趣區(qū)域的大小任意倍數(shù)地縮放。如對圖像進(jìn)行M／N倍縮放，M，N都為整數(shù)，先做M倍放大，再做1／N抽樣。假設(shè)感興趣區(qū)域大小為80×60，縮放倍數(shù)為3／2，則先經(jīng)過3倍放大，即先將每個點重復(fù)讀取三次再對每一行讀取三次，然后再對行和列分別做1／2抽樣，這樣輸出圖像的大小為120×90，YUV 4：2：2格式數(shù)據(jù)的縮放過程示意圖見圖3，放大兩倍時序仿真圖如圖4所示。

視頻解碼芯片采用Philips公司的SAA7113，它可以切換輸入4路CVBS視頻信號或2路S-Video視頻信號，輸出為8位“VPO”總線，數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)的ITU656，YUV 4：2：2格式。SAA7113內(nèi)部具有一系列寄存器，可以配置為不同的參數(shù)，對色度、亮度等的控制通過對相應(yīng)寄存器改寫不同的值，寄存器的讀寫通過I2C總線進(jìn)行。該芯片初始化后將視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻流、行場同步信號、視頻格式信號(RTCO)和點時鐘信號。

視頻編碼芯片采用Philips公司的SAA7121。SAA7121內(nèi)部具有一系列寄存器，可以配置為不同的參數(shù)，所有的控制都是通過對相應(yīng)寄存器改寫不同的值，寄存器的讀寫需要通過I2C總線進(jìn)行。SAA7121通過8位數(shù)據(jù)總線接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，再由內(nèi)置編碼器將數(shù)字亮度信號與色度信號同時編碼成模擬的CVBS和S-Video視頻信號。

可編程邏輯器件采用Altera公司的CPLD(EPM1270)，EPM1270共有1 270個宏單元。EPMl270通過讀取外部按鍵信息來確定實現(xiàn)無級縮放或視頻疊加功能，上述兩種功能均通過CPLD控制RAM存儲器實現(xiàn)。整個裝置運行需要520個宏單元，占EPM1270的41％，考慮到二次開發(fā)時功能擴(kuò)展后的額外開銷，故選用此款CPLD。

實時視頻處理裝置不僅能夠清晰地實時顯示監(jiān)控區(qū)域，而且能夠?qū)崟r處理突發(fā)事件，總延時小于20 ns，實時性好。特別是這種無級縮放技術(shù)能對感興趣區(qū)域進(jìn)行實時無級縮放處理，并且可以任意指定感興趣區(qū)域和縮放后顯示區(qū)域，平滑效果好。實時視頻處理裝置還可將兩路視頻信號疊加顯示在一個顯示器上，并且可以切換兩路信號。圖5是本設(shè)備實際效果圖。

2 結(jié) 語

實時視頻處理技術(shù)一方面廣泛應(yīng)用于高速公路，治安卡口，十字路口等監(jiān)控管理領(lǐng)域，對自動化和智能管理有著重要的作用；另一方面，隨著機(jī)頂盒的問世和數(shù)字電視的推廣，實時視頻處理技術(shù)在該領(lǐng)域中也扮演了相當(dāng)重要的角色。實時視頻處理技術(shù)還可與計算機(jī)，因特網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，能夠滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程醫(yī)療等要求，使其應(yīng)用更加廣泛，因而具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場容量。

傳統(tǒng)的監(jiān)控裝置功能單一，只能實時顯示而不能實時處理，如發(fā)生突發(fā)事件只能通過事后處理視頻錄像來解決問題。實施視頻處理裝置解決了以上問題，視頻圖像局部實時無級縮放技術(shù)可對感興趣的區(qū)域?qū)崟r地進(jìn)行無級縮放處理并顯示，并且可以通過外部控制來指定感興趣區(qū)域和縮放后的顯示區(qū)域，這對反恐、刑偵、安防工作等都帶來了極大的幫助。

數(shù)字電視在全國范圍內(nèi)的推廣，促進(jìn)了數(shù)字視頻處理技術(shù)的進(jìn)步，實時視頻處理裝置可以實時地對電視節(jié)目的局部進(jìn)行無級縮放處理，用戶可以任意指定感興趣的區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)觀察，使得電視更加人性化，該技術(shù)通過獨立外部設(shè)備或者內(nèi)嵌在電視機(jī)控制電路中實現(xiàn)。

實時視頻處理裝置能夠較好的升級現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)，并且已經(jīng)申報國家發(fā)明專利，其中一項已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利，專利公開號：CN101500093。（姚賽杰，袁杰 南京大學(xué)）

[1].SAA7113datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SAA7113_596303.html.
[2].SAA7121datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SAA7121_595945.html.
[3].EPM1270datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EPM1270_301014.html.
[4].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.