摘 要：針對(duì)當(dāng)前基于專用ASIC的視頻顯示OSD方法不能滿足機(jī)載環(huán)境和特殊功能要求的難題，提出一種基于FP—GA的視頻OSD實(shí)現(xiàn)方法。新方法將前端輸入的原始視頻數(shù)據(jù)和當(dāng)前模塊的OSD數(shù)據(jù)分層處理，然后在顯示終端再混合，能夠?qū)崿F(xiàn)OSD對(duì)象的可控透明顯示和特殊符號(hào)定制。實(shí)驗(yàn)證明該方法不僅占用FPGA片上資源少，顯示效果非常好，而且完全滿足機(jī)載環(huán)境要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)載；視頻；OSD；FPGA

中圖分類號(hào)：TN873.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004—373X(2008)04—137—02

1 引 言

視頻OSD(on Screen Display，在屏顯示)一般采用ASIC方法，OSD芯片內(nèi)嵌常用字符和位圖，首先將所需的符號(hào)從專用OSD芯片內(nèi)讀出，然后在屏幕指定位置寫入上述數(shù)據(jù)。但是OSD芯片通常為商業(yè)級(jí)別，不能滿足機(jī)載環(huán)境要求；而且內(nèi)部固化好的字符和位圖無法提供機(jī)載系統(tǒng)需要定制的某些特種符號(hào)。

針對(duì)基于ASIC的視頻OSD方法不能滿足機(jī)載環(huán)境和特殊功能的難題，本文提出一種基于FPGA的視頻OSD實(shí)現(xiàn)方法。新方法將原始視頻數(shù)據(jù)和OSD數(shù)據(jù)分層處理，能夠?qū)崿F(xiàn)0SD對(duì)象的透明顯示和符號(hào)定制。由于采用工業(yè)級(jí)以上FPGA芯片實(shí)現(xiàn)OSD，不僅易于實(shí)現(xiàn)定制的特殊圖形對(duì)象，而且占用資源少，顯示效果非常好。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)載視頻OSD實(shí)現(xiàn)方法是機(jī)載視頻系統(tǒng)的重要部分，完成特征信息疊加功能，圖1為機(jī)載視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖。攝像頭采集的CVBS信號(hào)送入視頻解碼芯片，產(chǎn)生BT656格式的YCrCb4:2:2視頻數(shù)據(jù)和同步信號(hào)，通過串行方式送入FPGA的視頻轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行分辨率與幀率等轉(zhuǎn)換，生成800×600／60 Hz的RGB信號(hào)，并送給視頻處理模塊。視頻處理模塊通過視頻識(shí)別算法鎖定目標(biāo)對(duì)象，將其起始位置(x₁，y₁)和結(jié)束位置(z₂，y₂)，即某行點(diǎn)象素時(shí)鐘計(jì)數(shù)值和行同步信號(hào)計(jì)數(shù)值發(fā)送給OSD模塊，用于確定疊加目標(biāo)的鎖定矩形框的位置和大小。其中，SDRAM用于存儲(chǔ)視頻轉(zhuǎn)換和視頻處理模塊中緩存的大量視頻數(shù)據(jù)，各路傳感器將飛機(jī)狀態(tài)經(jīng)過放大和A／D轉(zhuǎn)換后。送給FPGA的OSD模塊進(jìn)行疊加。片上ROM存儲(chǔ)用于OSD疊加的字符和位圖；視頻處理模塊輸出的數(shù)據(jù)和OSD模塊數(shù)據(jù)融合后輸出到LCD。

如圖2所示，OSD模塊的各種數(shù)據(jù)采用分層方法：LO層為視頻處理輸出RGB數(shù)據(jù)；u層為OSD字符和位圖數(shù)據(jù)，字符用來表示飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度、速度、座艙溫度等信息，位圖用來表示亮度和對(duì)比度調(diào)整的示意信息；L2層為矩形框，用來表示鎖定目標(biāo)的大小和位置，由于攝像頭和目標(biāo)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，顯示目標(biāo)大小是不斷變化的，因此需要跟蹤的矩形框也隨著改變大小。在機(jī)載視頻顯示系統(tǒng)中，需要將和鎖定目標(biāo)的矩形框等疊加在攝像機(jī)輸入視頻流上，然后融合輸出給LCD屏；在混合器里通過可調(diào)系數(shù)Alpha改變疊加信息的透明度。用戶通過矩陣鍵盤控制OSD符號(hào)的亮度、對(duì)比度、位置、透明度和開關(guān)功能。

3 OSD疊加方法

3.1符號(hào)的產(chǎn)生與存儲(chǔ)方法

字符位圖的存儲(chǔ)采用FPGA的片上空間，將16進(jìn)制字符和位圖數(shù)據(jù)合并生成一個(gè).mif文件，將.mif文件導(dǎo)入LPM_ROM中。由于本系統(tǒng)所需符號(hào)較少，F(xiàn)PGA片上空間有限，只需將重要字符和位圖存儲(chǔ)進(jìn)ROM空間。字符大小定為16×16象素，位圖大小定為64×64象素，每個(gè)字符在RGB空間占32 B，每個(gè)位圖占256 B，RGB每個(gè)分量都開辟這樣的空間，就可以實(shí)現(xiàn)彩色顯示。字符包括中英文字符和數(shù)字符號(hào)，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 2312—80表，找出所需字符的16進(jìn)制區(qū)位碼，而LCD輸出顯示的是機(jī)內(nèi)碼，可以通過公式進(jìn)行區(qū)位碼和機(jī)內(nèi)碼的轉(zhuǎn)換：

(16進(jìn)制區(qū)位碼)+16’hAOAO=機(jī)內(nèi)碼

位圖可以用PC機(jī)圖像編輯工具將所需位圖編輯為64×64大小的bmp圖，生成.mif文件有2種方法：一種是將字符和位圖的16進(jìn)制數(shù)據(jù)拷進(jìn).mif表中；還有一種是用Matlab工具按照字符和位圖的排布順序編程生成.mif文件。顯然第一種方法效率太低，這里采用第二種方法，按照mif文件格式，將字符和位圖數(shù)據(jù)用Matlab工具組織起來。

Mif文件生成后，還需開辟一個(gè)存放字符與位圖OSD區(qū)域位置分配的RAM空間表，將字符位圖的顯示位置和在ROM空間里面的存放位置形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖3為單個(gè)漢字字符顯示位置分配、組織結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)空間結(jié)構(gòu)示意圖。

3.2 圖形產(chǎn)生與顯示方法

視頻目標(biāo)跟蹤矩形框由視頻信號(hào)點(diǎn)時(shí)鐘CLOCK、行同步信號(hào)HS、場(chǎng)同步信號(hào)VS和目標(biāo)起始位置(x₁，y₁)、結(jié)束位置(x₂，y₂)決定。在OSD模塊L2層的視頻一場(chǎng)中，當(dāng)行同步信號(hào)計(jì)數(shù)器HCount=x₁或x₂，且點(diǎn)象素時(shí)鐘計(jì)數(shù)器y₁≤CCount≤y₂時(shí)，輸出1；或者當(dāng)點(diǎn)象素時(shí)鐘計(jì)數(shù)器CCount＝y(tǒng)₁或y₂，且行同步信號(hào)計(jì)數(shù)器X₁≤HCount≤X₂時(shí)，輸出1；其他都輸出0。場(chǎng)同步信號(hào)用來給行同步信號(hào)計(jì)數(shù)器HCount和點(diǎn)象素時(shí)鐘計(jì)數(shù)器CCount清零。

3.3透明效果控制方法

在機(jī)載視頻顯示系統(tǒng)中，有時(shí)需要查看目標(biāo)，有時(shí)需要查看重要參數(shù)，可在OSD控制模塊中設(shè)置一個(gè)Alpha(0(Alpha(1)參數(shù)，控制視頻疊加的透明度，規(guī)定Alpha＝0時(shí)，L2層信息完全覆蓋L1層對(duì)應(yīng)位置，L1層信息完全覆蓋L0層對(duì)應(yīng)位置；Alpha=1時(shí)，L2層信息完全透明L1層對(duì)應(yīng)位置，L1層信息完全透明L0層對(duì)應(yīng)位置。定義LO層數(shù)據(jù)為VDataL0，L1層數(shù)據(jù)為VDataLl，L2層數(shù)據(jù)為VDataL2，L0層與L1層疊加后數(shù)據(jù)為VDataLO_L1，疊加后的L1層與L2層疊加后數(shù)據(jù)為VDataL0_LI_L2，即：VDataL0_L1=VDataL0*Alpha+VDataLl*(1-Alpha)VDataL0_LI_L2=VDataL0_IA*Alpha+VDataL2*(1-Al-pha)

在對(duì)FPGA編程設(shè)計(jì)時(shí)，小數(shù)的運(yùn)算可以先記住小數(shù)點(diǎn)的位置，將小數(shù)左移n位變?yōu)檎麛?shù)，最后得出結(jié)果后再相應(yīng)的右移n位，小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)舍掉。為了突出FPGA速度快的優(yōu)勢(shì)，對(duì)3層數(shù)據(jù)和R，G，B三個(gè)分量同時(shí)采用并行運(yùn)算，這樣就實(shí)現(xiàn)了視頻融合的同步顯示。

3.4 亮度與對(duì)比度調(diào)整方法

在機(jī)載環(huán)境下，受外在光線影響特別大，要想得到好的顯示效果，必須注重亮度與對(duì)比度控制。以RGB888為例，每個(gè)分量的值的范圍為0～255，共256種色深。將輸入色深作為2維坐標(biāo)系橫坐標(biāo)，將輸出色深作為縱坐標(biāo)，以(0，0)為原點(diǎn)，則可得到一個(gè)直線方程：y＝A×X+B。X為輸入色深；y為輸出色深；A為對(duì)比度；B為亮度。對(duì)比度和亮度要分別對(duì)待，不能因?yàn)楦淖儗?duì)比度而改變亮度，將直線方程進(jìn)行修改，把(127，127)這一點(diǎn)映射成坐標(biāo)系的原點(diǎn)，那么直線方程將變?yōu)椋簓＝(X－127)×A+B+127。A表示對(duì)比度，B表示亮度增量÷視頻的3個(gè)分量的變換公式為：

N_Red＝(O_Red一127)×A+127+B

N_Green＝(0一Green--127)×A+127+B

N_Blue＝(O_Blue--127)×A+127+B

通過矩陣鍵盤可以控制A，B值，從而實(shí)現(xiàn)亮度和對(duì)比度的調(diào)整。

4 仿真實(shí)驗(yàn)和分析

機(jī)載視頻OSD系統(tǒng)采用Altera公司的EP2C35為主控芯片，外加各路傳感器、視頻解碼器、LCD和矩陣鍵盤，LCD采用6.4″的工業(yè)級(jí)SHARP屏。通過仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)OSD融合顯示模塊共耗費(fèi)2 396個(gè)LE、92 460位RAM。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法不僅完全滿足高低溫環(huán)境要求，而且實(shí)現(xiàn)定制圖案，占用片上資源少，實(shí)現(xiàn)效果好。