基于FPGA的視頻應(yīng)用OSD設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在銀行、高速公路、樓宇等各個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，OSD(On Screen Display)技術(shù)是不可或缺的部分。OSD為用戶提供友好的人機(jī)界面，能夠使用戶獲得更多的附加信息。

　　系統(tǒng)構(gòu)成

　　本文介紹的系統(tǒng)是基于TI DSP TMS320DM6?3與FPGA的完整視頻監(jiān)控系統(tǒng)，支持1路視頻的輸入和1路視頻輸出，此外還提供網(wǎng)絡(luò)接口。

　　視頻輸入采用TI的高性價(jià)比視頻解碼器TVP5150A來(lái)實(shí)現(xiàn)，TVP5150A可實(shí)現(xiàn)兩路復(fù)合視頻輸入或一路S-video視頻信號(hào)的采集。通過I2C進(jìn)行寄存器配置，輸出數(shù)字視頻信號(hào)遵循ITU656標(biāo)準(zhǔn)。

　　TVP5150A解碼后的數(shù)字視頻信號(hào)通過DM6?3的視頻端口1傳送給DSP，由DSP進(jìn)行必要的視頻處理，由網(wǎng)絡(luò)接口輸出給遠(yuǎn)端設(shè)備。另一方面，DM6?3把從網(wǎng)絡(luò)接收的視頻數(shù)據(jù)處理后，通過視頻端口2，經(jīng)過FPGA，由SAA7105顯示輸出，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　輸出部分采用SAA7105實(shí)現(xiàn)。SAA7105是NXP公司的一款高性能視頻編碼器，可提供復(fù)合視頻輸出、VGA視頻輸出以及HDTV高清視頻信號(hào)的輸出。SAA7105的控制也通過I2C實(shí)現(xiàn)，接收復(fù)合ITU656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)。

　　視頻處理部分采用的是TI的DSP TMS320DM6 3來(lái)實(shí)現(xiàn)。DM6 3主頻可達(dá)600MHz，有2個(gè)20位的視頻端口，視頻端口支持BT.656、Y/C等數(shù)字視頻接口，DM6 3還集成了網(wǎng)絡(luò)MAC，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。

　　硬件性能的發(fā)展速度總是很難滿足軟件的需求。在視頻處理越來(lái)越復(fù)雜的應(yīng)用中，DSP承擔(dān)著繁雜的視頻處理任務(wù)，資源變得非常緊張，所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了FPGA實(shí)現(xiàn)OSD的設(shè)計(jì)，可以減輕DSP的負(fù)擔(dān)。

　　OSD實(shí)現(xiàn)部分選用的是賽靈思公司的XC3S250E。XC3S250E是賽靈思SPARTAN-3E系列的FPGA，有25萬(wàn)個(gè)邏輯門。　　

圖1：基于TMS320DM6?3與FPGA的完整視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

　　OSD實(shí)現(xiàn)

　　SAA7105無(wú)法實(shí)現(xiàn)OSD功能，而由XC3S250E來(lái)實(shí)現(xiàn)。主控芯片DM6 3只需要通知FPGA要顯示的內(nèi)容和位置，具體的工作由FPGA執(zhí)行。OSD的邏輯框圖如圖2所示。

圖2：OSD功能框圖

　　OSD FPGA通過EMIFA從DSP DM6 3接收OSD數(shù)據(jù)和控制指令，通過DSP的視頻端口1接收視頻數(shù)據(jù)，并將OSD的信息疊加到視頻數(shù)據(jù)上，輸出給視頻編碼器SAA7105。OSD的各功能模塊描述如下。

　　地址譯碼模塊的數(shù)據(jù)端口與DSP DM6 3的EMIFA低32位數(shù)據(jù)接口，接收DM6 3發(fā)出的數(shù)據(jù)與控制信息，這些數(shù)據(jù)和控制信息是DM6 3發(fā)出的原始32位數(shù)據(jù)。地址譯碼模塊將接收到的OSD數(shù)據(jù)，如OSD的內(nèi)容等，以32位數(shù)據(jù)格式放入到FPGA的內(nèi)部FIFO中。而控制信息主要是通過一組控制寄存器對(duì)OSD實(shí)現(xiàn)控制。

　　與DSP直接連接的模塊還有視頻接口模塊。視頻接口模塊與DSP的視頻端口2相連，存儲(chǔ)來(lái)自DSP視頻端口的數(shù)據(jù)與控制信息。這些控制信息被直接傳輸給OSD多路控制模塊，同時(shí)控制信息也直接控制視頻解碼器SAA7105。

　　OSD控制邏輯把從控制寄存器組得到的控制信息輸出到OSD的各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)OSD的控制。寄存器組主要分為兩個(gè)部分：一是異步寄存器組，向OSD發(fā)送如復(fù)位、OSD使能和選擇數(shù)據(jù)寬度的控制信息；另一個(gè)是同步寄存器組，主要控制OSD的位置信息。

　　OSD解碼模塊根據(jù)控制邏輯的控制信息，從FIFO中取出要顯示的數(shù)據(jù)，以與視頻數(shù)據(jù)同步的方式輸出到OSD CLUT模塊。從FIFO中獲得的數(shù)據(jù)是原始的DSP 32位數(shù)據(jù)，而OSD CLUT模塊需要的數(shù)據(jù)是8/16位的，所以O(shè)SD解包模塊需要以一定的規(guī)則將32位數(shù)據(jù)解包，以視頻端口的頻率將32位數(shù)據(jù)以8/16的寬度傳輸給OSD CLUT模塊。

　　FIFO模塊的另外一個(gè)功能是向DMA事件發(fā)生器模塊傳遞FIFO的狀態(tài)信息，如FIFO滿或FIFO空。DMA事件發(fā)生器監(jiān)控這些事件，如果發(fā)生，則以中斷的模式發(fā)送給DM6?3，以實(shí)現(xiàn)對(duì)FIFO的正確讀寫操作。

　　OSD CLUT模塊為從OSD解包模塊接收的每個(gè)象素的數(shù)據(jù)查找YCbCr的對(duì)應(yīng)值，并控制這些OSD CLUT數(shù)據(jù)的輸出順序。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系是由DSP通過24位的數(shù)據(jù)端口傳送過來(lái)的。OSD CLUT模塊的數(shù)據(jù)直接輸出給OSD多路控制器模塊。

　　OSD多路控制模塊根據(jù)從OSD CLUT模塊接收到的Alpha控制位確定輸出視頻數(shù)據(jù)，如果當(dāng)前為OSD信息，即Alpha控制位有效，則輸出OSD數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。否則，輸出從視頻接口模塊接收的原始視頻數(shù)據(jù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)OSD功能。

　　OSD多路控制器輸出的數(shù)據(jù)并沒有直接送給視頻解碼器，而是通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)具體的應(yīng)用條件，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。由SAA7105的接口時(shí)序可知，當(dāng)SAA7105配置為復(fù)合視頻輸出時(shí)，其要求的數(shù)據(jù)為單時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊不作任何工作，將從OSD多路控制模塊接收的數(shù)據(jù)原封不動(dòng)地傳輸給SAA7105；如果SAA7105配置為VGA或HDTV輸出模式時(shí)，需要雙時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將從OSD控制器接收到的單時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雙時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)，輸出給視頻解碼器SAA7105。

　　由此可見，F(xiàn)PGA完成了OSD的所有工作。如果要顯示OSD內(nèi)容，DM6 3只需要通過EMFIA口向FPGA發(fā)送控制指令即可，這些指令當(dāng)然包括OSD的內(nèi)容及位置信息。

　　OSD控制

　　由XC3S250E實(shí)現(xiàn)的OSD設(shè)計(jì)根據(jù)接收到的OSD位置及內(nèi)容信息進(jìn)行OSD顯示，對(duì)OSD顯示的內(nèi)容沒有任何限制，非常靈活方便。下面以O(shè)SD漢字顯示為例說明OSD的控制操作。

　　要正確的顯示漢字，就必須將輸入的漢字內(nèi)碼轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的區(qū)位碼。這一功能我們通過函數(shù)Uint32 Code_Converse(unsigned char *CodeNPointer)，其輸入為指針，指向要轉(zhuǎn)換漢字。返回值為該漢字對(duì)應(yīng)的區(qū)位碼。OSD的顯示由函數(shù)OSDHZ?isplay實(shí)現(xiàn)：

　　void OSDHZ_ Display{

　　Uint8 *pFrame

　　Uint32 pitch

　　OSDUTIL_Point* loc

　　Uint32 CodeQ

　　OSDHZ?ont *font

　　Uint8 fgColor

　　Uint8 bgColor

　　}

　　其中，Uint8 *pFrame為OSD輸出的Buffer緩沖區(qū)；Uint32 pitch為每行顯示的象素值；OSDUTIL_Point *loc為第一個(gè)字符的顯示位置；Uint32 CodeQ為要顯示漢字的區(qū)位碼；OSDHZ?ont *font為顯示漢字所用的字體；Uint8 fgColor顯示漢字的前景色；Uint8 bgColor顯示漢字的背景色。

　　所以，如果需要顯示漢字，只需要將漢字進(jìn)行必要的碼制轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的區(qū)位碼，給出顯示的位置，輸出給OSD FPGA即可。當(dāng)然要顯示漢字，漢字字庫(kù)是必不可少的。