基于FPGA機載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的設(shè)計

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分量均可達到8位分辨率，即PAL視頻解碼后可達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1 600×1 200，輸出視頻場頻可達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。