孫風雷，劉樹昌，劉 鵬，白雪敏，周大勇，王 雪

(長春理工大學a.電子信息工程學院;b.空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春130022)

基于FPGA 高清視頻圖像的光纖傳輸系統研究

孫風雷a，劉樹昌a，劉 鵬b，白雪敏a，周大勇a，王 雪a

(長春理工大學a.電子信息工程學院;b.空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春130022)

針對傳統的電纜不能滿足高清視頻圖像的傳輸速率和傳輸距離要求的問題，在研究視頻圖像傳輸技術的基本原理基礎上，實現一種以現場可編程邏輯器件(FPGA:Field Programmable Gate Array)為核心的高清視頻圖像光纖傳輸系統。采用高清晰度多媒體接口(HDMI:High Definition Multimedia Interface)作為高清數字視頻圖像數據的輸入接口，利用FPGA的高速并行特性完成了高清數字視頻圖像的采集、預處理以及數據流的緩存控制，并通過HDMI接口輸出高清視頻圖像。實驗結果表明，當傳輸速率為2.5 Gbit/s時，傳輸距離可達300 m。該方案實現了高清數字視頻圖像的光纖遠距離無失真?zhèn)鬏敗?/p>

高清視頻;現場可編程邏輯器件;光纖傳輸;高清晰度多媒體接口;預處理

0 引言

近年來高清數字視頻的不斷發(fā)展使得對視頻接口的傳輸速率要求越來越高。早期的模擬視頻接口由于存在易受電磁干擾、傳輸速率低、傳輸損耗大等缺點正在被新一代的數字視頻接口所取代。筆者以FPGA(Field Programmable Gate Array)為核心實現了 HDMI(High Definition Multimedia Interface)［1，2］高清數字視頻圖像的采集和預處理，并利用高速光纖傳輸技術實現了高清數字視頻圖像的遠距離無失真?zhèn)鬏敗?/p>

HDMI是高清晰多媒體接口，它已被廣泛地應用到DVD、機頂盒及手機等設備中［3，4］。HDMI采用最小差分變換信號(TMDS:Transition Minimize Differential Signal)作為基本電氣連接，其包含3路TMDS數據通道(傳輸視頻數據、音頻及輔助控制數據等)和1路TMDS時鐘通道，點的傳輸速率可達10.2 Gbit/s。但由于HDMI接口的傳輸距離只有10 m，不適合長距離的傳輸，因此，需要一種新的傳輸技術解決高清視頻圖像的高速遠距離傳輸難題［5，6］。

1 視頻的光纖傳輸技術總體設計

視頻的光纖傳輸系統原理如圖1所示。系統包括光纖發(fā)送和光纖接收兩部分。

圖1 視頻的光纖傳輸系統原理圖Fig.1 Block diagram of optical fiber transmission system

1.1 光纖發(fā)送

以高清相機作為數據源，分辨率為1 920×1 080像素，隔行掃描，每秒60場30幀，帶寬為1 920×1 080×30×8 bit≈500 Mbit/s，并以HDMI接口方式輸出視頻圖像數據。HDMI電平變換單元完成高清相機和FPGA之間數據通信接口的變換。FPGA將采集到的視頻數據以乒乓方式進行緩存，并將圖像數據以16位并行輸出，同時產生伴隨時鐘，將數據發(fā)送給速率為2.7 Gbit/s的高速并串轉換器，在內部對數據進行編碼，以差分形式送給速率為2.5 Gbit的光纖收發(fā)模塊SFP(Small Form-factor Pluggable)，SFP完成光纖通信的線路編碼后進行傳輸。

1.2 光纖接收

視頻圖像數據經過光纖傳輸到接收端SFP模塊，再由SFP模塊將光信號轉換成差分電信號，送給高速串并轉換器，將差分電信號轉換成并行的16位數據輸出給FPGA，同時產生相應的接收時鐘［7-9］。FPGA根據接收時鐘對數據進行采集，獲得視頻數據信號后，將視頻圖像數據與FPGA內部模板進行比較和匹配，判斷是否需要預處理，最后將數據送到HDMI電平變換單元，通過HDMI接口輸出無損高清視頻圖像。

2 系統功能模塊設計與實現

2.1 視頻接口

高清相機采用HDMI接口輸出視頻圖像。由于FPGA不能接收TMDS電平，因此，在高清相機和FPGA之間需要一個電平變換。系統輸入接口變換單元選擇Silicon Image公司的HDMI解碼芯片SiI9135，支持24/30/36位 RGB/YCbCr 4∶4∶4，16/20/24位 YCbCr 4∶2∶2以及8/10/12位 YCbCr 4∶2∶2(ITU-R BT.656)數據格式輸出，通過IIC(Inter-Integrated Circuit)總線配置。系統輸出格式設置為8位的YCbCr 4∶2∶2，并根據輸出的時鐘和行場同步信號對圖像數據進行采集。

在光纖接收端，FPGA將經過預處理的視頻圖像、行同步、場同步以及時鐘信號傳輸給Silicon Image公司的以IIC總線配置的電平變換單元SiI9134，以HDMI方式進行無損輸出［7，9］。

外部控制器選擇Atmel公司的Mega16L單片機。Mega16L是AVR系列的低功耗單片機，其IIC總線接口直接對SiI9135和SiI9134進行配置。

2.2 高速串/并轉換器

筆者選擇TI公司的TLK2711a高速串行收發(fā)器，實現16位并行數據與串行信號之間的相互轉換。在光纖發(fā)送端，TLK2711a在內部通過8b/10b編碼方式將16位的并行數據編碼成20位的并行差分數據。在光纖接收端，TLK2711a接收到串行的差分信號后進行8b/10b的解碼，恢復出16位的并行數據，并產生同步時鐘供FPGA采集。

2.3 SFP 光纖模塊

SFP是新一代的光收發(fā)器件，其體積小，支持熱插拔等功能，筆者選擇GACS-8524-MXX系列光收發(fā)模塊。采用850 nm的激光發(fā)射器，最大傳輸距離可達300 m。

2.4 FPGA 設計

筆者根據FPGA和圖像預處理算法［10］的特點及系統需求，闡述了圖像預處理算法的FPGA硬件實現，筆者實現的預處理算法包括中值濾波和直方圖均衡化。

圖像預處理算法實現模塊主要由3個子模塊組成，即3×3模板形成模塊、行列計數模塊和圖像算法處理模塊。其中3×3模板形成模塊是為了生成3×3圖像數據窗口，以供圖像算法處理模塊使用;行列計數模塊用于對輸入數據的行列計數，以確定正在處理的數據在圖像數據陣列中的位置;圖像算法處理模塊是圖像預處理算法模塊的核心，主要是用圖像預處理算法對3×3模板中的圖像數據進行處理，得出經圖像預處理算法處理后的有效圖像數據。圖像預處理算法實現的模塊如圖2所示。

圖2 圖像預處理算法實現模塊框圖Fig.2 Block diagram of image preprocessing algorithm

圖2中，RST和CLK分別為系統復位和時鐘信號，Din［7..0］為輸入的8位灰度圖像數據，Dout［7..0］為經過圖像預處理算法處理后的輸出數據，Dvalid為輸出數據有效標志，即當輸出數據為經過圖像預處理算法處理后的有效輸出數據時，Dvalid為邏輯1，相反為0。

中值濾波的基本原理是通過對一幅圖像中每個合法像素點鄰域中的像素按灰度級進行排序，然后選擇該組的中間值作為輸出像素值。它對干擾脈沖和點狀噪聲有良好的抑制作用，而對圖像邊緣又能較好地保持［11，12］。其在FPGA上的具體實現過程如下:

1)選取一個3×3的窗口;

2)對每行的像素灰度值進行排序分組，得到最大值組A3、中間值組A2和最小值組A1，它們都為標準的8位灰度圖像數據;

3)排列 A1、A2、A33 組后得到新的排列 B1、B2、B3;

4)比較B1、B2、B3的數據得到窗口的中值，其流程如圖3所示。

圖3 中值濾波流程圖Fig.3 Flow chart of median filter

直方圖均衡化是圖像增強處理的一種常用方法。其基本思想是更改原始圖像像素的灰度值，對在圖像中像素個數多的灰度級進行拓寬，而對像素個數少的灰度級進行縮減，使圖像對應的直方圖變換成均勻分布的形式，從而產生一幅灰度級分布具有均勻概率密度的圖像，達到圖像增強的效果［13，14］。

圖4為Matlab仿真結果。圖4a為原始圖像的直方圖，圖4b為增強處理后圖像的直方圖。從仿真結果可以看出，灰度的概率分布在增強處理后更加分散，對比度明顯得到提高。

圖4 Matlab仿真結果Fig.4 Matlab simulation result

3 系統的調試與仿真

筆者采用Altera公司［15］的CYCLONEⅢ系列芯片EP3C25Q240C8作為控制與處理的核心。在系統設計時需要注意的問題:1)在PCB設計電路板時需要考慮高速信號的等長布線;2)在光纖發(fā)送端的每幀和每行視頻數據開始之前需要加上定時信號，接收端根據數據流中的定時信號判斷一幀圖像和一行圖像的開始。

設計中使用QuartusII對光纖發(fā)送和接收模塊進行波形仿真。圖5為發(fā)送模塊的波形仿真圖。rdata為預發(fā)送的8位圖像數據，tdata為FPGA發(fā)送給TLK2711a的16位并行數據。在程序中將兩個8位的圖像數據組合成一個16位的數據發(fā)送給TLK2711a，tclk為伴隨時鐘，TLK2711a在時鐘的上升沿對數據進行鎖存。圖6為接收模塊的波形仿真圖。r_data為TLK2711a輸出的16位并行數據，r_clk為接收時鐘。FPGA根據接收時鐘對16位并行數據進行采集，并將16位并行數據還原成兩個8位的圖像數據。

圖5 發(fā)送仿真波形圖Fig.5 Transmitting simulation waveform

圖6 接收仿真波形圖Fig.6 Receiving simulation waveform

圖7為光纖接收端未經處理和處理后的圖像對比。其中圖7a為光纖接收端未經處理輸出的圖像，圖7b為經過處理后輸出的圖像?？煽闯觯涍^FPGA處理后圖像的噪聲基本被濾除了，而且圖像的細節(jié)依然可以清晰分辨。

圖7 光纖接收端的圖像Fig.7 Received pictures

4 結語

筆者以光纖作為傳輸媒介傳送信號，由于光纖具有傳輸速率高和抗干擾能力強等優(yōu)點，使本系統具有了很好的傳輸特性。實驗測試結果表明，當傳輸速率為2.5 Gbit/s時，傳輸距離可達300 m。同時筆者充分利用了FPGA的并行處理能力與處理速度，實現了高清數字視頻圖像的采集和預處理，并且高速鎖相環(huán)和內部存儲器進一步提高了圖像處理的性能，減小了圖像數據在采集和傳輸過程中帶來的噪聲，提高了圖像的質量。實驗表明，該系統實現了高清視頻圖像的遠距離無失真?zhèn)鬏敗?/p>

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(責任編輯:張潔)

High-Definition Video Image Fiber Transmission System Based on FPGA

SUN Fengleia，LIU Shuchanga，LIU Pengb，BAI Xuemina，ZHOU Dayonga，WANG Xuea
(a.College of Electrical and Information Engineering;b.Fundammontal Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

The traditional cable can not meet the high-definition video image transmission rate and transmission distance requirements. Therefor， a high-definition video optical fiber transmission with FPGA (Field Programmable Gate Array)as its core，on the basis of video image transmission technology is proposed.Using HDMI(High Definition Multimedia Interface)as the high-definition digital video image data input interface，the high-definition digital video image acquisition，preprocessing and data stream cache control is realized，using the high-speed parallel FPGA features.According to the experiment，when the transmission rate is 2.5 Gbit/s，the transmission distance can reach 300 m.The program implements high-definition digital video fiber optic distant transmission without distortion.

high-definition video;field programmable gate array(FPGA);fiber transmission;high definition multimedia interface(HDMI);preprocessing

TN919.85

A

1671-5896(2014)02-0125-06

2013-11-19

總裝備部靶場測試基金資助項目

孫風雷(1990— )，男，重慶人，長春理工大學碩士研究生，主要從事通信研究和智能圖像處理研究，(Tel)86-18004429225(E-mail)fenglei_sun@126.com;劉樹昌(1955— )，女，長春人，長春理工大學教授，碩士生導師，主要從事檢測與處理技術研究，(Tel)86-13009126387(E-mail)lscjlcc@126.com。