陳紹祥,劉星月，歐小凡
（成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610106）
摘要：基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載HDMI視頻信號(hào)處理系統(tǒng)具備多種視頻預(yù)處理功能，有利于提高視頻質(zhì)量。與采用H.264標(biāo)準(zhǔn)的視頻處理系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的頻壓縮效率顯著提高，降低了機(jī)載HDMI視頻對(duì)存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的要求，便于機(jī)載視頻的存儲(chǔ)和無線傳輸。
關(guān)鍵詞：H.265標(biāo)準(zhǔn)；HDMI；機(jī)載視頻；視頻預(yù)處理
0引言
飛機(jī)在飛行過程中，機(jī)載儀表、顯示終端的相關(guān)圖表、數(shù)據(jù)以及機(jī)艙內(nèi)部的視頻圖像場(chǎng)景需要通過機(jī)載視頻處理系統(tǒng)進(jìn)行記錄或及時(shí)回傳到地面，以便于事后分析或?qū)崟r(shí)導(dǎo)航。為了提高飛行的安全性和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航，要求視頻圖像具有更高的清晰度，由于高清視頻的數(shù)據(jù)量非常巨大，對(duì)存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的需求增大，因而要求機(jī)載圖像處理系統(tǒng)在不大幅犧牲圖像質(zhì)量的前提下盡可能地對(duì)海量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以便節(jié)省存儲(chǔ)空間或降低對(duì)傳輸圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖帶寬的要求［1］。
機(jī)載視頻圖像的壓縮經(jīng)歷了從MPEG1、MPEG2、MPEG4到目前廣泛應(yīng)用的H.264的演進(jìn)歷程，H.265是繼H.264之后的最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年4月13日正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是，相比H.264/AVCHP(HighProfile)的圖像質(zhì)量，碼率降低50% ［23］。
高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）作為一種先進(jìn)的高清多媒體視頻接口，被廣泛用作機(jī)載儀表、顯示終端及其機(jī)載視頻采集設(shè)備（如攝像機(jī)等）的視頻輸出接口［4］。本文介紹了一種基于H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)載HDMI視頻圖像進(jìn)行壓縮的視頻處理系統(tǒng)，從硬件設(shè)計(jì)原理的角度介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要完成對(duì)機(jī)載HDMI視頻源的采集和壓縮處理，因此本系統(tǒng)主要由HDMI接口模塊、壓縮及控制模塊和電源變換模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本系統(tǒng)通過HDMI接口模塊接收由機(jī)載儀表、顯示終端及其機(jī)載視頻采集設(shè)備（如攝像機(jī)等）輸出的HDMI視頻信號(hào)，完成HDMI視頻信號(hào)的解碼，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的BT1120并行視頻數(shù)據(jù)流輸入到壓縮及控制模塊。在壓縮及控制模塊內(nèi)部，針對(duì)機(jī)載視頻圖像的特點(diǎn)對(duì)視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理之后按照H.265標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)流通過機(jī)載無線發(fā)送設(shè)備傳輸?shù)降孛骘w行控制中心，也可以通過機(jī)載存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
2HDMI視頻接口模塊的設(shè)計(jì)
HDMI是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，可同時(shí)傳送音頻和影像信號(hào)，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為2.25 GB/s，可以支持1080P的分辨率，兼容數(shù)字視頻接口（Digital Visual Interface，DVI）［5］。在本系統(tǒng)中，選用ADI公司的ADV7610作為HDMI視頻接口芯片，完成HDMI視頻信號(hào)的接收和解碼。ADV7610是一款高質(zhì)量、單輸入HDMI接收器，支持HDMI 1.4規(guī)范規(guī)定的所有強(qiáng)制性3D電視格式，最高可達(dá)1 600×1 200 60 Hz、8位的分辨率。它集成一個(gè)CEC（Consumer Electronics Control）控制器，支持能力發(fā)現(xiàn)和控制(CDC)特性。內(nèi)置一個(gè)主分量處理器(CP)，提供的功能包括：對(duì)比度、亮度和飽和度調(diào)整，以及同步對(duì)準(zhǔn)控制等。
機(jī)載HDMI視頻輸出接口與ADV7610之間通過3對(duì)最小差分變換信號(hào)（Transition Minimized Differential Signaling，TMDS）RXA_0±、RXA_1±、RXA_2±來傳遞三基色（紅R、藍(lán)G、綠B）通道信號(hào)，采用一對(duì)TMDS信號(hào)RXA_C±來傳遞參考時(shí)鐘信號(hào)。通過DDCA_SCL和DDCA_SDA串行接口可以實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(Highbandwidth Digital Content Protection，HDCP)功能，從而可以接收全部格式的高清HDMI視頻信號(hào)。RXA_5V用于HDMI接口連接檢測(cè)，HPA_A用于對(duì)外部HDMI接口設(shè)備的連接指示，以支持熱拔插檢測(cè)和指示功能。
在本系統(tǒng)中，為了增強(qiáng)接口的靜電放電（ElectroStatic Discharge，ESD）保護(hù)能力，在機(jī)載視頻源和HDMI接口芯片ADV7610之間采用TPD12S520進(jìn)行隔離。TPD12S520是TI公司推出的專用于HDMI接口的單片ESD保護(hù)芯片，支持HDMI 1.3數(shù)據(jù)速率，0.8 pF的超低I/O電容，TMDS間0.05 pF的匹配電容，±8 kV的接觸放電。
ADV7610視頻解碼輸出格式可以由視頻壓縮及控制模塊通過I2C總線（SCL和SDATA）來進(jìn)行配置，根據(jù)配置不同，可以選擇支持8/12 bit ITUR BT.656 4:2:2 YCrCb、16/24 bit ITUR BT.11520 4:2:2 YCrCb或24 bit 4:4:4 RGB格式，定時(shí)和同步型號(hào)可以內(nèi)嵌編碼中，也可以單獨(dú)輸出HS、 VS 、FIELD等信號(hào)。解碼后的并行數(shù)據(jù)和定時(shí)信號(hào)送到壓縮及控制單元進(jìn)行壓縮,音頻信號(hào)通過I2S接口送到壓縮及控制單元進(jìn)行壓縮。
3壓縮及控制模塊的設(shè)計(jì)
HDMI視頻信號(hào)源經(jīng)過視頻接口模塊解碼進(jìn)入壓縮及控制模塊，該模塊主要完成按照H.265標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的壓縮工作，同時(shí)，該模塊也負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、管理和控制。
在本系統(tǒng)中，選用Hi3516A作為壓縮及控制模塊的核心芯片。Hi3516A是海思公司推出的基于H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處理器。Hi3516A處理器采用海思先進(jìn)的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)固有的圖像振鈴效應(yīng)，極大減少了大運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的拖尾現(xiàn)象和塊效應(yīng)［5］。支持H.264 BP/MP/HP、H.265 Main Profile、MJPEG/JPEG Baseline 編碼。
Hi3516A的視頻捕獲單元 VICAP（Video Capture）通過 BT656/601、 BT1120 接口接收HDMI視頻接口單元輸出的并行視頻數(shù)據(jù)。VICAP支持內(nèi)嵌圖像信號(hào)處理(Image Signal Processing，ISP)單元，針對(duì)機(jī)載視頻的特點(diǎn)，可以對(duì)視頻圖像進(jìn)行白平衡調(diào)節(jié)、降噪、強(qiáng)光抑制、背光補(bǔ)償、色彩增強(qiáng)、壞點(diǎn)校正、數(shù)字防抖、去霧等視頻預(yù)處理功能，以提高視頻質(zhì)量。經(jīng)過預(yù)處理后的視頻數(shù)據(jù)存入輸入圖像緩沖區(qū)，作為后續(xù)進(jìn)行H.265視頻壓縮的數(shù)據(jù)源。
Hi3516A完成H.265的壓縮是由內(nèi)部的VEDU（Video Encode Decode Unit）單元來完成的，VEDU是一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的支持 H.265 視頻標(biāo)準(zhǔn)的編碼器。VEDU 編碼實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)估計(jì)/幀間預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)、變換/量化、反量化/反變換、 CABAC 編碼及碼流生成、 de-blocking 濾波、 SAO 等協(xié)議/算法處理。Hi3516A內(nèi)嵌CotexA7@600 MHz處理器，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用軟件可以完成碼率控制和中斷處理等編碼控制處理。編碼壓縮后的視頻碼流存儲(chǔ)在碼流緩沖區(qū)內(nèi)。
在本系統(tǒng)中，經(jīng)過Hi3516A壓縮處理后的視頻流通過SPI(Serial Peripheral Interface)接口傳送到機(jī)載無線設(shè)備，以便地面控制中心接收。也可以通過USB接口連接存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)。為了便于調(diào)試或測(cè)試，壓縮視頻流也可以通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)絇C進(jìn)行H.265解壓，恢復(fù)原始視頻。在本方案中，選用RTL8211作為以太網(wǎng)PHY接口芯片，它通過RGMII接口與Hi3516A連接，提供10 MB/100 MB/1 000 MB以太網(wǎng)絡(luò)接口。
在本系統(tǒng)中，選用兩片H5TC4G63AFR（DDR3SDRAM）提供8 GB存儲(chǔ)空間，以滿足H.265壓縮對(duì)于數(shù)據(jù)緩存空間以及處理器運(yùn)行對(duì)于緩存數(shù)據(jù)空間的需求。采用256 MB存儲(chǔ)空間的SPI Flash芯片MX25L25635和128 GB存儲(chǔ)空間的NAND Flash芯片MT29F64G08CFABAWP來存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。
4電源變換模塊設(shè)計(jì)
由于機(jī)載設(shè)備大多采用DC 24 V供電，因此，本系統(tǒng)接收外部提供DC 24 V電源(可接收9~36 V范圍內(nèi)變化的直流電源輸入)，經(jīng)電源變換模塊轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部需要的3.3 V、1.8 V、1.5 V和1.1 V電源。為避免IO在上電時(shí)電流過大，要求3.3 V先于1.1 V上電。電源變換模塊原理框圖如圖3所示。
5測(cè)試結(jié)果與總結(jié)
通過錄制6 min的HDMI視頻對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。如果采用H.264的壓縮方式，其文件大小為305 MB，而采用本文所設(shè)計(jì)的基于H.265的視頻處理系統(tǒng)來進(jìn)行錄制，其文件大小為75.6 MB，是前者的四分之一，且視頻效果相當(dāng)甚至略好。采用本系統(tǒng)所具備的視頻預(yù)處理功能能有效地改善機(jī)載圖像的質(zhì)量。
將本文所述的基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載HDMI視頻處理系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)載HDMI視頻信號(hào)的處理和壓縮，可以達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)空間、減少傳輸帶寬的目標(biāo)。該系統(tǒng)支持圖像增強(qiáng)、降噪、去霧和感興趣區(qū)域編碼的能力，使得視頻、圖像更加清晰逼真，便于地面飛行控制中心進(jìn)行事后分析或?qū)崟r(shí)導(dǎo)航，提高了飛機(jī)飛行的安全性能。
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