基于FPGA機載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的設(shè)計

摘要 給出了某機載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案，以XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，實現(xiàn)了對DVI及PAL等多種格式視頻信號的解碼、實時處理以及輸出。系統(tǒng)電路設(shè)計簡潔，具有較強的靈活性和擴展性。文中介紹了系統(tǒng)的硬件整體架構(gòu)，論證了視頻編解碼模塊和視頻緩存模塊的硬件設(shè)計方案。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠流暢地對1 600×1 200分辨率，60幀／s刷新率，24位真彩色的高清視頻進行處理，對1幀高清視頻的處理時間最長不超過3 ms，具有較高的實時性能。
關(guān)鍵詞 實時視頻圖形處理；嵌入式硬件設(shè)計；FPGA

    隨著科技的高速發(fā)展，飛機對機載電子系統(tǒng)提出了越來越高的要求，飛機性能的改善在很大程度上依賴于機載電子系統(tǒng)性能的提升。在飛行器機載電子系統(tǒng)中，顯示系統(tǒng)是飛機與飛行員進行人機交互的橋梁，它將各種飛行參數(shù)轉(zhuǎn)換為視覺信息，顯示在顯示器上。飛行員可以實時讀取這些信息，從而做出判斷。
    文中設(shè)計了某機載視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路部分，視頻圖形處理系統(tǒng)是機載顯示系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于在機載顯示器上顯示高像素的圖形與外部輸入視頻疊加形成的視頻信號。系統(tǒng)以Xilinx公司的Virtex-5XC5VFX70T FPGA為核心處理器，搭配多種外圍視頻處理芯片，實現(xiàn)了對高清視頻的縮放、格式轉(zhuǎn)換和疊加高像素圖形符號等多種處理功能，并且具有較高的實時性。

1 系統(tǒng)概況
1．1 系統(tǒng)需求
    機載視頻圖形處理系統(tǒng)的主要功能是接收多種格式的外部視頻信號，生成點陣式字符信號，進行視頻格式的轉(zhuǎn)換，并可輸出生成字符與外視頻疊加的視頻信號。
    系統(tǒng)接收PAL(Phase Alternating Line，逐行倒相)、DVI(Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口)制式的視頻信號和．PCI-E(Peri pheral Component Interconnect-Express，擴展外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))視頻信號，對視頻進行縮放、格式轉(zhuǎn)換等處理后，疊加上高像素的圖形，并按要求輸出合成的視頻信號。
1．2 總體方案設(shè)計
    結(jié)合系統(tǒng)需求，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計方案為：以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA為核心處理器，利用其強大邏輯資源和豐富的IP核，配以相應(yīng)的外部電路，構(gòu)建出一個靈活、簡潔、可靠的機載視頻圖形處理系統(tǒng)的嵌入式硬件模塊。利用XC5VFX707T中內(nèi)嵌的Power PC 440硬核處理器，在該處理器上移植美國風(fēng)河公司的Vxworks操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)和PCI-E等接口，并在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)相應(yīng)的圖形操作及視頻處理API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口)函數(shù)，用戶的應(yīng)用程序通過調(diào)用API函數(shù)來構(gòu)建最終的視頻輸出。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計
2．1 硬件整體架構(gòu)
    根據(jù)設(shè)計要求，選擇XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，該處理器采用65 nm工藝制造，是專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的。處理器內(nèi)置主頻550 MHz的PowerPC440內(nèi)核、PCI-E端點和以太網(wǎng)等模塊。系統(tǒng)硬件部分還包括視頻編解碼芯片，DDR2視頻緩存，PowerPC外存等外圍電路，整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

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2．2 視頻流圖
    系統(tǒng)主要用于接收、處理并發(fā)送各種視頻信號，系統(tǒng)中視頻的流圖如圖2所示。由圖中可知，系統(tǒng)能接收1路DVI視頻，4路PAL視頻和1路PCI-E視頻，視頻經(jīng)過專門的解碼器后，由FPGA對它們進行處理，然后通過相應(yīng)的視頻編碼器輸出視頻信號。

2．3 DVI視頻編解碼模塊設(shè)計
    系統(tǒng)的DVI視頻解碼采用TI公司的DVI解碼芯片TFP401實現(xiàn)，該芯片滿足DVI1．0規(guī)范，最高支持1 600×1 200分辨率，支持24位真彩色視頻。另外考慮到機載視頻信號源與DVI接收器之間距離較遠(yuǎn)，長線傳輸時信號的高頻分量比低頻分量衰減得更多，因此在DVI輸入信號解碼前加入均衡器以實現(xiàn)頻譜的均衡化，減小信號失真。系統(tǒng)采用美國國家半導(dǎo)體公司的DS16EV5110實現(xiàn)DVI視頻信號的頻譜均衡化，該芯片可以對DVI視頻信號的每一數(shù)據(jù)通道設(shè)定不同的均衡增益，具有高度的靈活性，可以有效減小信號的碼間串?dāng)_。
    系統(tǒng)的DVI視頻輸出功能采用TI公司的DVI編碼芯片TFP410實現(xiàn)，該芯片滿足DVI1．0規(guī)范，最高支持1 600×1 200分辨率，支持24位真彩色視頻。
2．4 PAL視頻編解碼模塊設(shè)計
    為便于PAL視頻信號的長線傳輸，系統(tǒng)采用差分信號傳輸PAL視頻。由于標(biāo)準(zhǔn)的PAL信號為單端信號，因此系統(tǒng)在PAL信號接收端采用美國AD公司的差分接收放大器AD8130來實現(xiàn)差分PAL信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)單端PAL信號，而在PAL信號發(fā)送端則采用AD公司的高速差分驅(qū)動器AD8131實現(xiàn)單端PAL信號轉(zhuǎn)換成差分信號。
    系統(tǒng)采用AD公司的PAL解碼芯片ADV7184對單端PAL視頻信號進行解碼，該芯片具有12個模擬輸入通道，內(nèi)置4個10位ADC，實際解碼后視頻信號支持ITU-R BT．656標(biāo)準(zhǔn)(YCrCb 4：2：2)，經(jīng)色彩空間轉(zhuǎn)換后R、G、B分量均可達(dá)到8位分辨率，即PAL視頻解碼后可達(dá)24位真彩色。
    系統(tǒng)采用AD公司的PAL編碼芯片ADV7179來實現(xiàn)PAL視頻信號的輸出，該芯片支持ITU-RBT．656標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻輸入，與PAL解碼芯片ADV7184實現(xiàn)了很好的兼容，使得系統(tǒng)對PAL信號進行處理較為方便。ADV7179內(nèi)置3個10位DAC，編碼后輸出視頻支持24位真彩色。
2．5 DDR2視頻緩存模塊設(shè)計
    由于系統(tǒng)中需要對輸入的視頻進行疊加字符及幀速率轉(zhuǎn)換等處理，因此需要對輸入的視頻數(shù)據(jù)進行緩存。選擇美國Mierosemi公司的DD R2 SDRAM芯片W3H32M72E-400作為視頻緩存，該芯片存儲容量為256 MByte，傳輸速率為50 MByte·s-1。
    系統(tǒng)中需要處理的視頻最高分辨率為1 600×1 200，因此一幀視頻數(shù)據(jù)包含1 920 000個數(shù)據(jù)點，即大約2×106個數(shù)據(jù)點，而每個數(shù)據(jù)點占2 Byte存儲空間，即一幀視頻約占4 MByte存儲空間。一片視頻緩存芯片最少可存儲64幀視頻數(shù)據(jù)，滿足一般的幀速率轉(zhuǎn)換算法的存儲空間需求。系統(tǒng)所選DDR2芯片的傳輸速率為50 MByte·s-1，因此視頻最高傳輸速率為50×64／4=800幀·s-1。而系統(tǒng)中視頻的最高刷新率為60 Hz，視頻的最高傳輸速率已遠(yuǎn)大于輸出視頻的最高顯示幀速率，符合系統(tǒng)的實時性要求。

3 測試結(jié)果及分析
    在系統(tǒng)運行試驗中，XC5VFX70T選取時鐘頻率200 MHz，屏幕分辨率為1 600×1 200，系統(tǒng)分別對圖形生成和視頻處理等功能進行了測試，并進行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。
    在圖形生成測試中，測試結(jié)果圖如圖3所示，圖中分別顯示了反走樣直線、圓弧、圓和天地球，天地球上顯示了一個直立字符和一個旋轉(zhuǎn)字符，生成該幅畫面共耗時984．6 μs，其中讀寫DDR2耗時862．7μs。當(dāng)屏幕刷新率為60 Hz時，一幅畫面允許的生成時間為16．7 ms，圖形生成滿足系統(tǒng)的實時性要求。

    在視頻解碼、處理、編碼測試過程中，一幀視頻的處理時間最長不超過3 ms，肉眼觀察各種格式的視頻輸出時無明顯時延，符合系統(tǒng)的實時性要求。在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，系統(tǒng)能輸出疊加各種高像素符號圖形的高清視頻，輸出分辨率可達(dá)1 600×1 200，輸出視頻場頻可達(dá)60幀·s-1，輸出視頻質(zhì)量高而流暢，無明顯的干擾和延遲。

4 結(jié)束語
    文中給出了基于FPGA的某機載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路總體設(shè)計方案，并詳細(xì)論證了系統(tǒng)中DVI視頻編解碼模塊，PAL視頻編解碼模塊以及DDR2視頻緩存模塊的硬件實現(xiàn)方法。系統(tǒng)選用了多種新型芯片，構(gòu)建了一個靈活、簡潔、可靠的硬件平臺，實現(xiàn)了對DVI、PAL等多種制式的視頻的解碼，實時處理和編碼輸出，并且具有較強的擴展性。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)支持1 600×1 200分辨率，60幀·s-1刷
新率，24位真彩色高清視頻的流暢處理，對1幀視頻的處理時間最長不超過3 ms，能夠有效提高機載視頻圖形的處理速度，具有良好的應(yīng)用價值。