機載視頻疊加單元的設計與實現

趙維娜，劉智朋

（1.中國移動通信集團陜西有限公司西安分公司 陜西 西安 710075；2.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

視頻疊加技術因其高集成度，低成本、可重復使用和高機動等諸多優勢，已被廣泛應用于軍事、民用、科學研究等領域。視頻顯示技術是航空電子系統最基本的功能之一，早期的航空電子系統一般包括監控視頻顯示界面、導航地圖顯示畫面、飛行速度顯示儀表、飛行高度顯示儀表等組成，視頻顯示畫面較多而且監控顯示器眾多，無法使駕駛員方便快捷地獲取到外界視頻顯示信息。

隨著顯示集成度的提高，航空電子系統監控視頻顯示界面、導航地圖顯示畫面、飛行速度和高度、電源電量、發動機引擎等信息的顯示全部由視頻監視器顯示，視頻疊加技術是實現電子綜合顯示系統圖像混合的關鍵技術之一。對于航空電子產品，能源就意味著生命，而傳統地利用純DSP硬件架構進行復雜圖像處理時，圖像處理運算量大而且功耗大，當航空電子系統存在多路外視頻源時，不同源視頻之間的顯示切換，使得系統實時性較差，不能夠精確顯示監測畫面。故本設計對傳統視頻處理硬件平臺進行了相應的改進，利用DSP+FPGA實現視頻信號的疊加處理，雖然FPGA+DSP的方案增加了設計成本，但是降低了系統的開發難度，FPGA與DSP模塊功能劃分明確，數據采集與數據處理相互獨立，非常利用后續電路系統升級，在此硬件架構上，只需要更換相應處理軟件及邏輯，就可將本設計應用于工業監控、軍事系統、醫療衛生以及民用生活等領域。

傳統的基于DSP視頻疊加技術耗時較長，因此難以滿足高速航空電子系統對于視頻顯示的實時性要求。

本文利用高性能FPGA并行執行指令的特點，多路外視頻并行采集，數據采集和數據處理相互獨立，大大提高了視頻信號顯示的實時性，縮短了視頻信號預處理、后處理的消耗時間。

1 無人機紅外圖像處理系統方案

本設計視頻疊加技術硬件平臺是基于某型號任務管理計算機視頻處理模塊，為了滿足航空電子監視系統全方位無盲角監控，視頻處理模塊外部包含4路PAL攝像頭，分別監控前后左右四個方向，由SAA7113負責完成PAL視頻的模數轉換，FPGA完成視頻采集數據的預處理，以及后期的視頻疊加顯示處理，DM648負責完成視頻信號的增強去霧等；本設計FPGA采用Xilinx公司的XC5VLX330T芯片，它具有11664Kb Block RAM/FIFO，51840 Slices，331776 邏輯單元，邏輯量相當大，具有192個DSP48E，而且每個DSP48E包含一個25×18乘法器、一個加法器和一個累加器，足以滿足本設計視頻圖像的預處理以及顯示處理；視頻圖像增強去霧處理器采用TI公司的DM648，DM648是一款專用視頻處理芯片，具有 5 個可配置視頻端口（VP0，VP1，VP2，VP3，VP4），支持多種解決方法和視頻標準，這五個視頻端口是可配置的，并能提供視頻捕獲和/或視頻顯示模式，非常方便數字視頻之間的相互通信；本設計機載視頻系統框圖如圖1所示[2]。

圖1 機載視頻系統框圖Fig.1 Airborne video system diagram

2 視頻數據處理

視頻采集為符合ITU-R BT.656標準碼流結構[3]，8bit并行數據，其每行總采樣點數為864點，行有效點數為720點，總行數625行，有效行數為576行，采集數據經過FPGA內部雙FIFO乒乓緩存于數據緩沖區，為了準確的采集視頻數據，系統采用行和列計數器的方式，并且行場嚴格同步；本設計外部具有4路外視頻源，4路采集視頻數據經過FPGA預處理，最后以疊加復合的形式展現在監視器上，視頻疊加復合可實現4路外視頻的同時同步顯示[3]。

2.1 視頻疊加需求

為了實時顯示航空電子系統的動力顯示數據，比如飛機油量數據，導航地圖、發動機引擎等裝置監測數據，航空電子系統需要將兩幅甚至更多視頻源疊加到一起，即需要進行視頻疊加處理；任務管理計算要求機載視頻采集模塊支持不同格式不同分辨率的疊加，疊加子圖和疊加底圖格式支持PAL-D和VESA格式，疊加子圖分辨率支持360x288、720x288、720x576等，疊加底圖分辨率支持640x480、720x576等。疊加方式可以實現覆蓋疊加、半透明疊加等；在隱藏疊加底圖時，在VGA顯示器上單獨顯示疊加子圖，也可對疊加子圖進行切換以顯示各個疊加子圖；FPGA中邏輯疊加框圖如圖 2所示[4]。

圖2 視頻疊加框圖Fig.2 Video overlay diagram

2.1.1 視頻數據采集

由圖2知，視頻數據的疊加是在視頻有效數據預處理之后進行的，數字視頻預處理是完成后期視頻縮放復合疊加的前提；視頻信號預處理最核心的就是視頻同步信息的提取，對于BT656數字視頻，其同步信息隱藏于8bit數字視頻信息中，同步信息包含SAV和EAV，SAV之后為數字有效行視頻數據段，EAV放在數字有效行的結束后，SAV和EAV分別共4個字節，它們以十六進制表示為FF0000XY[5]，頭三個字是FF、00、00固定前綴，供定時基準識別用，第四個字節定義了場的奇偶標識、行場消隱期和行場正程期狀態信息以及校驗位。同步頭信息FF0000XY的提取框圖如圖3所示。

圖3 同步信息提取Fig.3 Synchronization information extraction

2.1.2 視頻信號復合

設計要求多路視頻最后混合顯示于同一塊PAL屏上，對于不同的PAL視頻源，必須對外視頻源信息進行相應的縮放處理才可以將多路外視頻以復合方式展現于監視器上。視頻采集模塊要求4路PAL視頻最終以復合的形式顯示于PAL監視器上，且視頻復合要求4副圖像分辨分別為720*288、180*288、180*288、180*288， 而 PAL視頻解碼后分辨率為720*576，故必須進行縮放拼接處理。系統要求分辨率與原始圖像分辨率都是整數倍關系，因此只要實現像素抽取即可，即向輸出目的地址寫入數據時，判斷該像素是否需要寫入，如果不需要寫入，則直接拋棄即可。

2.2 視頻疊加FPGA邏輯算法

系統采用α疊加[6]，alpha疊加是alpha混合（alpha mixing）技術的一種應用，即一幅圖像或視頻源覆蓋到另一種視頻信號上。alpha疊加中的在疊加系數為0.5時稱為 “半透明疊加”，其中透明指使圖像中部分顏色不可見。一般使疊加子圖的部分背景顏色透明，以使疊加底圖可以顯示需要的部分，這樣兩幅圖疊加后看起來更像一幅完整的圖。

圖4 視頻縮小邏輯框圖Fig.4 Video narrow logic diagram

假設疊加子圖與底圖的像素點為P1和P2，子圖疊加系數為α，底圖疊加系數為β，而疊加后新圖像像素為PN。則疊加算法描述如下：

式（1）中為α疊加系數。α越接近0，子圖越透明。反之，當α=1時，子圖完全覆蓋底圖，此時阿爾法疊加等同于覆蓋疊加，其中 β=1-α。

當算法處理圖像為RGB彩色圖像時，公式（2-1）可推廣為以下形式：

式（2）中 PNR，PNG，PNB為新圖像像素 PN的 RGB像素。 同理，P1R，P1G，P1B為子圖像素 P1的 RGB像素 P2R，P2G，P2B為底圖像素P2的RGB像素。圖5表示了疊加子圖和疊加底圖中R像素疊加的示意，G像素和B像素的疊加同R像素疊加。

圖5 α疊加示意圖Fig.5 αSchematic superposition

在 FPGA 中具體實現為 PAL*α＋PAL*（1－α）。 視頻疊加時，對于路PAL輸入的信號，解碼后先經過一個FPGA內的雙口行緩沖區傳輸到SRAM中，讀出時將YCbCr視頻格式變換RGB視頻信號并緩存于同步FIFO中，然后在FIFO右端以27M的時鐘將數據讀出并進行α乘法運算，此時數據變化為 PAL*α，最后對 PAL*（1－α）和 PAL*α 進行加法運算得出疊加后的數據，并以720*576*50采樣時鐘27M將疊加數據送往PAL顯示器。

圖6 視頻疊加邏輯框圖Fig.6 Video overlay logic diagram

3 視頻疊加實現

視頻信號的疊加顯示包括視頻信號復合以及視頻信號疊加。視頻的復合多路PAL視頻同時以不同的分辨率顯示于PAL監視器上；而視頻的疊加則是不同的視頻信息以某種方式混合顯示于監視器上。實驗室環境下，硬件測試視頻復合時利用視頻多路復用器將外部一路PAL信號分為4路視頻信號，來代替硬件上的4路PAL攝像頭來實現視頻復合顯示。視頻的疊加則是將一路PAL視頻以VESA格式送出，在VGA顯示器上完成，其中疊加底圖顯示器界面，疊加子圖為視頻攝像頭外部景象。圖7為視頻復合顯示圖像，圖8為視頻疊加顯示圖像。

圖7 多路視頻復合顯示Fig.7 Multiple video composite display

圖8 視頻疊加效果圖Fig.8 Video overlay effect diagram

由上圖知，視頻疊加復合效果畫面清晰無抖動，完全滿足設計要求。實驗室環境下測試下，快速移動外部攝像頭，視頻畫面清晰流暢，各路視頻之間的切換顯示抖動微小，畫面與畫面之間的切換延遲非常小，4路外視頻源信息任何一路均可進行顯示位置上的調整，邏輯可操作性方便，非常方便系統硬件升級以及應用環境移植；從顯示畫面知，本設計視頻疊加符合系統要求，滿足設計指標求。

4 結 論

本設計首先對傳統視頻處理硬件架構進行分析，在傳統純DSP硬件架構的基礎上進行硬件升級，構造出本設計外視頻采集與視頻處理相互獨立的視頻疊加硬件架構；其次接著對視頻采集進行了詳細分析，并對視頻疊加流程進行了詳盡闡述，利用FPGA動態實現視頻疊加是本設計的創新點與難點，本設計采用α疊加實現多路視頻的混合顯示，采用縮放技術實現多路視頻的復合顯示，大大節省了航空電子系統的空間資源，更大大有效地提高了航空駕駛員對外視頻監控信息的獲?。蛔詈蠼o出了本設計視頻復合疊加的實現結果，疊加結果畫面清晰，抖動微小，滿足設計要求，非常具有使用價值，應用者只需修改相應的硬件邏輯就可將本設計硬件平臺應用不同的工作環境以及工作場合，應用前景非常寬泛。

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[5]Keith Jack.視頻技術手冊[M].楊征，張杰良，等譯.人民郵電出版社，2009.

[6]Clive Max Maxfield FPGAs World Class Designs[M].POSTS&TELECOM PRESS，2012.