探析數字高清電視系統集中圖像引擎系統的設計和實現

崔 婷

（四川長虹多媒體產業公司技術研發中心平板顯示技術研究所 四川 綿陽 621000）

1 引言

近年來，隨著視頻壓縮技術的持續發展，進一步促進了數字高清電視技術的有效發展，市場上有關視頻解碼及處理方面的芯片越來越多，如264解碼等。值得注意的是，若要充分應用此類處理芯片，就需圖像引擎的支持，其在數字高清電視系統中占據著重要地位，故強化對圖像引擎系統的設計與實現就顯得尤為重要。

2 圖形引擎系統概述

針對引擎而言，其主要是指整個系統中的關鍵部分，來源于機器工業領域的一種術語，在虛擬仿真操作系統里，圖形引擎屬于重要的支撐基礎，比較常見的圖形引擎包括OpenGVS、OSG等，且已逐漸邁入了三維時代。值得注意的是，由于三維圖形引擎所包含的內容具有多樣性，除了涉及專業知識，還包括數學算法等內容，故在進行研究開發時就存在一定難度。現階段，以計算機為前提，實現的三維圖形編輯大多是使用OpecCI，但該引擎存在一定不足，即后期開發研究中處理操作場景，抑或是設計場景等存在較大難度。另外，OCRE圖形主要面向的是C++編程開發模式，具有靈活性的特點，以OpencL及Direet3D系統抽象細節為前提，且還包含了部分開放的數據接口，在進行三維場景的構建時，可使用少量代碼就可達到目的。值得注意的是，此引擎采用的程序架構可擴展，資源管理呈高新狀態，進行配置時靈活性較大，尤其適用于場景類型[1-2]。

OGRE引擎系統是通過使用C++編程開發的，是一款十分靈活的3D圖形引擎。它抽象了底層Direct3D與OpenGL系統庫的所有細節，并開放了基于實際對象的接口。開發人員可以用少量代碼就可以實現3D場景構建工作，可以更加方便、直接地開發基于三維硬件設備中的應用程序。

OGRE引擎由于采用了可以拓展的程序架構，使其具有高效與高度可配置的資源管理器，支持多種場景類型和高效的插件架構，同時可以使用高效的網格數據格式進行存儲模型數據，并且有著清晰整潔設計與更全面文檔的支持。另外，OGRE引擎屬于開源引擎，可以做到快速更新，使其功能越來越強大。它是由麻省理工學院（MIT）授權的，使用時不會產生授權費用。OGRE引擎在涉及3D圖形渲染的模擬和游戲中具有廣闊的應用前景。

整個3D場景的入口點也就是根節點，它必須最先創建，然后最后發布，它的作用是配置系統中其他對象。設置場景的渲染屬性并執行渲染操作，由渲染系統完成。場景管理器負責管理組織場景，生成和管理元素，包括燈光、攝像機、場景節點、實體和材質等。攝像機作用是觀察創建渲染后場景，并且可以通過視口將渲染后場景顯示到屏幕。燈光作用是為場景提供照明，其包括聚光源、有向光源、點光源。實體通常由網格創建，屬于場景中的幾何。材質屬于場景中幾何圖形的表面屬性。它不僅支持從圖像文件的多種格式加載紋理，并且可以具有足夠的紋理層，每層紋理都支持多種渲染特殊效果，更可以支持動畫紋理。場景管理器通過使用“場景節點”來識別實體、燈光、攝像機和其他元素的方向和位置。OGRE場景其組織的原理通過將場景劃分成多個抽象空間，這些抽象空間可以繼續分為多個子空間，而每個子空間都用一個場景節點管理。比如：實體和燈光之類的場景元素并不負責空間位置的相關行為，所有行為都移交給了場景節點管理。OGRE依據空間的劃分和層次把大量的場景節點構建成樹狀結構，以此來完成整個場景的有序組織管理[3-4]。

3 標清和數字高清電視圖形引擎系統的特點比較

3.1 標清電視的圖形引擎系統特點

由于標清電視使用的是早期的圖形引擎，早期的圖形引擎系統功能比較單一，所支持的內容也相對有限，所以只能處理單一畫面或混合顯示，并不能對復雜的動態圖像進行處理；其對色彩方面的處理也非常有限和單調，只支持8色、16色、32色3種類型。圖像分辨率無法支持高清格式，只有一般720×480顯示格式。另外，標清電視顯示的時候只能隔行顯示，這就導致顯示需求高的時候，CPU就要中斷響應，使系統效率降低。

3.2 數字高清電視的圖形引擎系統特點

數字高清電視在標清電視的基礎上有了巨大進步，可以支持所有像素的操作，并支持動態圖形，內容豐富且無限制，在分辨率上也有大的改善，可以支持1920×1080格式。在顯示上支持隔行和逐行顯示，從而CPU效率的運用也有了很大的提高。基于此，就數字高清電視的圖形引擎系統對比標清電視的圖形引擎系統，所有功能上都有了極大的進步和改善。

4 數字高清電視系統集中式圖像引擎的主要設計

4.1 系統整體的硬件設計架構

數字高清電視系統圖像引擎的組成部分包含BLT及CDU，前者的功能主要體現于對圖形、圖像的各種編輯操作，后者則可實現圖像的顯示，也能對圖形進行處理及混合圖形前的整合。此系統的硬件整體設計架構主要以Host IF相關寄存器為前提，通過相應操作指令及地址的提供，由系統總線讀取一些信息后，再經BLT、CDU模塊處理，以達到順利輸出信號的目的。

4.2 對于BLT圖形的引擎核心處理模塊設計

通常來講，該模塊是系統處理部分的核心，可以實現矩形切割，邏輯運算、雙圖源操作等，加之CDU相關功能可促進整體圖形引擎操作功能的提高，故在一定程度上擴大了適用范圍。在處理圖形源1、2的數據時，BLT支持格式較多，包含了8bpp、32bpp、YCbCr格式等，但必須注意32bpp和YCbCr格式是需要對應的機制進行轉換才能實現。另外，BLT模塊還可以同時操作處理兩幅圖，這歸因于內部算數邏輯運算單元，其可以支持對兩個圖像源執行相應的邏輯運算、包含運算、非運算等，并且可以將兩個圖像彼此集成。該模塊也可以以透明效果覆蓋或顯示[5]。

對于彩色鍵功能模塊，其主要功能是對某些像素進行操作，通常是處理特定范圍內的像素。當它停留在特定的像素范圍內時，可以有選擇地提取或替換它。此功能主要基于色度功能，并且對于提取圖形中的特定對象效果尤為明顯。另外，關于矩形切割模塊功能，可以在主要圖形中隨意選擇矩形區域進行操作，且對于一系列點或直線也可以進行操縱，特別是對于像素點集中在二維圖形處理方面，Color Key模塊可以充分發揮其優勢。當模塊充滿顏色時，將替換由圖像源2生成的連續固定顏色值。此時，可以基于矩形裁剪功能來填充單色像素。

4.3 CDU結構設計部分

CDU結構的功能主要體現在對一層視頻層及三層圖形層進行疊加操作處理，通過存儲器實現對圖形層的提取，并在視頻處理模塊中獲得視頻層。需要注意疊加操作主要的順序是視頻層、圖層第1層、第2層和第3層。視頻層模式輸入常以隔行或逐行輸入，通常格式為YCbCr4:2:2。第1層和第2層圖層的顯示分辨率為1920×1080，都具有放大2倍的功能。此時，圖形層3的分辨率顯示為32×32，功能主要為光標層。圖層間的混合通常使用BLT中的ɑ混合模式混合，首先將圖層1與視頻層進行混合，混合后與圖層2進行混合，最后再與圖層3進行混合，就可以獲得覆蓋或者是半透明等不同的差異效果。數字高清電視系統中圖像引擎系統的亮點是在CDU中的兩個放大模塊，其內部使用更加先進的邊緣檢測插值算法，能夠插值處理亮度、色度兩方面的信號，可實現對圖形邊緣特性的保護[6-7]。

5 系統的實現解析

通常來講，數字高清電視系統的集中式圖像引擎是以HDTV源SoC平臺作為支點，主要是通過視頻處理的SoC芯片和利用高清電視系統MPEG-2解碼實現。在HDTV SoC系統的前提下，主要包含了CPU、系統總線、存儲控制、視頻處理等。MEPG-2作用是對整個電視信號進行解碼和處理，然后在圖形引擎模塊和3層圖形層中完成合成并輸出。對于芯片系統型號類型，主要包含了控制及數據信號，均需通過MPEG-2的解碼，CPU的主要功能是發出控制信號，之后通過系統總線寫到具有音頻解碼功能的Host IF寄存器上，其接收的數據信號在通過系統總線存儲在存儲器中，達到SDRAM，之后與圖形層同時被輸出[8]。

6 結語

綜上所述，對于數字電視系統集中圖像引擎系統的設計來講，其主要集成在HDTV SoC芯片的內部，在處理圖形層方面充分發揮著協助作用，與視頻層合成后，就可以系統的形式達到輸出的目的，在進一步分析了圖形引擎硬件結果后，具體的參數經過了BLT、CDU模塊的設計，實現了HDTV SoC系統的圖形層支持功能提供。