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采用FPGA通過BT.656接口實現傳輸4路視頻流的方法
采用FPGA通過BT.656接口實現傳輸4路視頻流的方法
 更新時間:2010-1-5 13:59:00  點擊數:0
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引言

ITU-R BT.656定義了一個并行的硬件接口用來傳送一路4:2:2的YCbCr的數字視頻流。視頻流的分辨率為720×576像素的D1格式。我們需要發送的視頻數據源通常是經過MPEG2壓縮的,分辨率為352×288像素的CIF格式。在輸出到顯示終端前,處理器需要對CIF格式的圖像數據插值為D1(720×576像素)格式,然后再通過ITU-R BT.656并行的硬件接口輸出給視頻編碼器。在這種前提下,可以利用一個ITU-R BT.656的硬件接口傳輸4路不同的CIF格式的視頻數據流,然后在接收側通過FPGA(現場可編程門陣列)將4路視頻數據流分離、插值生成D1格式的數據輸出給視頻編碼器。通過該方式,可以克服某些視頻處理器輸出端口的限制,使視頻輸出端口擴展為原來的4倍。同時,由于使用FPGA進行插值運算,分擔了一部分視頻處理器的工作量。

1 硬件連接

圖1展示了一個BT.656并行硬件接口用來連接一個視頻處理器和視頻編碼器的情況。該硬件接口由8根數據信號和1根時鐘信號組成。

圖2所示是通過FPGA擴展4路視頻的連接方式。FPGA通過BT.656接口接收視頻處理器發出的數據信號,然后將4路視頻信號分離、插值后通過4路BT.656并行硬件接口輸出到4個視頻編碼器,實現視頻處理器一個視頻輸出端口同時輸出4路視頻信號。

2 數據結構

2.1 標準BT.656并行數據結構

BT.656并行接口除了傳輸4:2:2的YCbCr視頻數據流外,還有行、列同步所用的控制信號。如圖3所示,一幀圖像數據由一個625行、每行1 728字節的數據塊組成。其中,23~311行是偶數場視頻數據,336~624行是奇數場視頻數據,其余為垂直控制信號。

BT.656每行的數據結構如圖4所示。

圖4中,每行數據包含水平控制信號和YCbCr。視頻數據信號。視頻數據信號排列順序為Cb-Y-Cr-Y。每行開始的288字節為行控制信號,開始的4字節為EAV信號(有效視頻結束),緊接著280個固定填充數據,最后是4字節的SAV信號(有效視頻起始)。

SAV和EAV信號有3字節的前導:FF、FF、00;最后1字節XY表示該行位于整個數據幀的位置及如何區分SAV、EAV。XY字節各比特位含義見圖5。

圖5中,最高位bit7為固定數據1;F=0表示偶數場,F=1表示奇數場;V=0表示該行為有效視頻數據,V=1表示該行沒有有效視頻數據;H=0表示為SAV信號,H=1表示為EAV信號;P3~P0為保護信號,由F、V、H信號計算生成;P3=V異或H;P2=F異或H;P1=F異或V;P0=F異或V異或H。

2.2 使用BT.656并行接口傳輸4路CIF格式視頻的數據結構

視頻處理器的輸出是靈活多變的,可以改變處理器的輸出數據結構來同時傳送4路252×288像素的視頻信號。BT.656并行接口傳輸的有效視頻數據流為720×586,正好可以分割為4個360×288像素的空間來傳輸4路352×288像素的視頻數據。多余的空間用固定數據“8010”進行填充。

修改后的數據結構如圖6所示。

原來存放第1場的數據的位置用來存放第1、第2路視頻數據;原來存放第2場的數據的位置用來存放第3、第4路視頻數據。

3 FPGA實現的功能

FPGA主要用來完成4路352×288像素視頻流的分離,以及將視頻流插值到標準BT.656接口所需的720×586像素的分辨率。同時,該FPGA還要重新生成SAV、EAV幀控制信號,結合插值后的4路視頻流產生新的符合BT.656結構的數據幀傳送給視頻編碼設備。其功能框圖如圖7所示。

首先,4路352×288像素的視頻流從BT.656結構的幀結構中分離出來,分別存儲到各自的存儲空間。然后,352×288像素的視頻流被讀取、插值為704×288像素,然后再填充為720×288像素的視頻流。在成幀的模塊中,產生BT.656的幀結構所需的SAV、EAV信號;將插值生成的720×288像素的數據作為偶數場的數據填入BT.656的幀結構中,奇數場的數據復制偶數場的數據。最后,將生成的BT.656標準視頻流發送給視頻編碼器輸出到顯示終端上。

3.1 存儲器選擇

由于需要同時存儲4路352×288的視頻流,需要的存儲空間為4路×288行×352×2字節(視頻流為4:2:2的YCbCr信號,一個點通過亮度信號和色差信號來表示,所以圖像的一個點實際占用2字節)。計算可得需要800 kB左右的空間。低成本的FPGA內部很難提供如此多的存儲空間,可以外掛一片1MB容量的SRAM用于存儲視頻數據。

BT.656接口定義的時鐘頻率為27 MHz。SRAM要能提供1路8 bit×27 MHz數據寫入,4路8bit×27 MHz讀出,總共1Gbit/s以上的數據帶寬?梢赃x擇位寬為16 bit、工作時鐘頻率100 MHz、帶寬為1.6Gbit/s的SRAM。

3.2 插值算法

將352×288像素的原始視頻流變換為714×288像素的視頻流就需要進行插值。該插值運算是一維的,也就是說只需要加倍每行的點數而行數不變。插值運算前,應該先將Y、Cb、Cr信號分離,然后分別對Y、Cb、Cr信號進行插值。簡單的插值法有最近鄰域法和線性插值法等。最近鄰域法是插入點的值簡單復制鄰近點的值;線性插值法是插入點相鄰的兩個數據取算術平均值,得到插入值。應用更加復雜的插值算法可以改善圖像質量。在本文設計中,實現這兩種簡單的插值方法就已經滿足需求。

4 結束語

本文提出一種利用一個BT.656接口傳輸4路視頻流的方法。該方法利用FPGA接收4路CIF格式的視頻數據,然后分離、插值為4路D1格式視頻流后,重新生成BT.656的數據幀發送給視頻編碼芯片,從而實現視頻處理器的一個硬件接口傳輸4路視頻圖像。通過該方法可以克服視頻處理器芯片輸出端口的限制,增加了其擴展性。在實際測試和應用中,取得了滿意的效果。

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