李宇

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所 江蘇省連云港市 222061）

1 概述

在工程應(yīng)用中，為了快速全面地給指揮人員提供信息，需要將雷達(dá)和電視視頻進(jìn)行實時處理，與計算機生成的圖形按照一定的層次疊加顯示在同一個屏幕的不同窗口中，通過數(shù)據(jù)整合的方式獲得更加全面、精確的信息[1]。以往多采用的DSP 和FPGA 結(jié)合的實現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于未來的系統(tǒng)升級和移植，為滿足未來更高效、小型化的系統(tǒng)需求，本文針對視頻疊加顯示系統(tǒng)開展了進(jìn)一步研究。

近年來國產(chǎn)圖形處理器發(fā)展迅速，其應(yīng)用由單純的圖形圖像處理逐步向并行計算、信號處理、VR 顯示、AI 計算等方向發(fā)展，并在雷達(dá)探測、光電探測、云計算、人工智能等多個領(lǐng)域開始得到應(yīng)用[2]。本交充分利用了國產(chǎn)圖形處理器JARI G12 的優(yōu)勢，基于該圖形處理器的特點設(shè)計一種視頻疊加顯示系統(tǒng)，兼顧高效性、實時性和小型化，為視頻疊加顯示處理提供了一種新的硬件設(shè)計方案，擴展了國產(chǎn)圖形處理器的應(yīng)用方向。

2 視頻疊加顯示系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

JARI G12 是一款國產(chǎn)圖形處理器[3]，支持4 個獨立的顯示控制接口單元，每個顯示控制接口單元都支持圖形視頻的疊加顯示。同時JARI G12 提供了4 路獨立的數(shù)字視頻輸入端口，支持視頻的高效輸入，基于以上特點，本文設(shè)計了一種視頻疊加顯示系統(tǒng)，具體思路為將雷達(dá)、電視視頻通過FPGA 進(jìn)行預(yù)處理，然后通過圖形處理器的視頻輸入端口直接送入圖形處理器內(nèi)部，在圖形處理器內(nèi)部完成視頻疊加處理，最后通過圖形處理器的視頻輸出端口進(jìn)行顯示輸出。該系統(tǒng)最多可支持4 路雷達(dá)或電視視頻的同時處理，在實時處理效率上具有顯著優(yōu)勢。

2.2 核心元件選型

該系統(tǒng)的核心元件主要有國產(chǎn)圖形處理器、FPGA、內(nèi)存模塊和電源管理單元等，其中采用的國產(chǎn)圖形處理器JARI G12 是由中國船舶集團(tuán)第七一六研究所研發(fā)的一款高性能圖形處理器，其功能特點如下：

（1）支持 OpenCL2.0，提供1.5TFlops 峰值單精度浮點計算能力；

（2）支持 OpenGL4.5，且兼容 OpenGLES3.0；

（3）支持2 路H.264、H.265 編解碼，每路解碼通道支持3840×2160@60Hz，每路編碼通道支持3840×2160@30Hz；

（4）支持4 路數(shù)字輸出，每路數(shù)字通道顯示分辨率可達(dá)3840x2160@60Hz；

（5）支持PCIe3.0/2.0/1.0 標(biāo)準(zhǔn)，支持x16、x8、x4、x1 鏈路；

（6）支持DP、eDP、HDMI、DVI 等顯示接口；

（7）支持國產(chǎn)x86、龍芯、飛騰等國產(chǎn)處理器，支持銀河麒麟、中標(biāo)麒麟、Jari-Works 等國產(chǎn)操作系統(tǒng)；

（8）對外提供4 路獨立數(shù)字視頻輸入。

該系統(tǒng)的FPGA 擬選用Xilinx 公司的XC7K325T-2FFG900I，利用其豐富的邏輯資源來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換[5]。JARI G12圖形處理器共有3 個內(nèi)存通道，每通道可控制4 片內(nèi)存顆粒，所以

圖1：視頻疊加顯示系統(tǒng)印制板結(jié)構(gòu)圖

圖2：視頻信號流走向圖

圖3：JARI G12 視頻疊加信號流分析圖

內(nèi)存模塊擬選用12 片DDR4 SDRAM 內(nèi)存顆粒，電源管理單元則選用了3 個JCER4630 和2 個JCER4644 電源集成芯片來實現(xiàn)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)在設(shè)計時遵循通用化、系列化和模塊化的設(shè)計要求，并參考有關(guān)規(guī)定的6U CPEX[6]結(jié)構(gòu)以及下列要求進(jìn)行設(shè)計：

（1）GPU 芯片放置于PCB 板中間；

（2）DDR4 內(nèi)存顆粒放置在GPU 芯片旁邊，且在PCB 板正反面對貼放置；

（3）視需求情況放置FPGA、電源等器件。

該視頻疊加顯示系統(tǒng)的布局如圖1 所示。

3 視頻信號流分析

該系統(tǒng)支持4 路雷達(dá)或電視視頻的同時輸入，以一路雷達(dá)或者電視視頻為例分析該系統(tǒng)的主要信號流走向。如圖2 所示，外部的雷達(dá)或電視視頻以差分對的形式通過PCIe 總線傳輸?shù)紽PGA，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后通過圖形處理器的視頻輸入端口直接送入圖形處理器內(nèi)部，存儲在顯存中。視頻輸入端口還包括2 路I2C 總線，用于與圖形處理器的外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

JARI G12 圖形處理器內(nèi)部包含了4 個獨立的顯示控制接口單元，每個顯示控制接口單元包含多個子單元，如圖3 所示，以一個顯示控制接口單元為例分析圖形處理器內(nèi)部視頻疊加處理過程的信號走向。顯示控制接口單元是通過顯存接口子單元從顯存中抓取圖形和視頻數(shù)據(jù)等信息，再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)放大和彩色空間轉(zhuǎn)換子單元，然后以任意指定次序互相疊加在一起。某些特定應(yīng)用對圖形數(shù)據(jù)窗口尺寸有固定的大小要求，為了適應(yīng)不同的顯示器分辨率，疊加完成后的圖形和視頻數(shù)據(jù)可以通過顯示尺寸放大子單元一起放大到顯示器滿屏幕。最后，疊加后的圖形、視頻數(shù)據(jù)編碼成HDMI 或DP等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流，通過PCIe 總線送達(dá)傳輸接口，送到顯示器進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)放大子單元的作用是將數(shù)據(jù)窗口尺寸任意放大，直至滿屏幕，彩色空間轉(zhuǎn)換子單元的作用則是將RGB 數(shù)據(jù)和YUV（YCbCr）數(shù)據(jù)互相轉(zhuǎn)換[4]，以適應(yīng)后續(xù)數(shù)據(jù)處理或顯示需要。每個顯示接口控制單元都含有獨立的時序控制子單元，產(chǎn)生顯示器的掃描、同步時序，并協(xié)調(diào)其它子模塊進(jìn)行顯存讀寫和顯示器的同步機制。

4 總結(jié)

本文介紹了一種基于國產(chǎn)圖形處理器的視頻疊加顯示系統(tǒng)設(shè)計，基于國產(chǎn)圖形處理器 JARI G12 的功能特點實現(xiàn)雷達(dá)或電視視頻的高效疊加顯示，該系統(tǒng)能夠滿足海軍特色應(yīng)用需求，且視頻傳輸快捷高效，同時拓展了國產(chǎn)圖形處理器的應(yīng)用方向，應(yīng)用前景十分廣闊。疊加效果圖如圖4 所示。

圖4：疊加效果圖