摘 要: 介紹一種基于SoPC技術的視頻跟蹤系統" title="跟蹤系統">跟蹤系統中OSD功能的實現方案" title="實現方案">實現方案。首先在FPGA上實現SoPC設計，然后用一個M-RAM作為OSD緩存，并通過Nios Ⅱ處理器和自定義的API函數對OSD緩存中的內容進行刷新，最后通過OSD合成邏輯將字符/圖形疊加到PAL-D視頻信號中。
關鍵詞: OSD SoPC 視頻跟蹤" title="視頻跟蹤">視頻跟蹤 FPGA
OSD(On Screen Display)是指將系統的參數和狀態信息在屏幕上顯示出來，在電視機、錄像機等家電產品中這種技術早已廣泛應用。視頻跟蹤系統要求進行數字、符號、跟蹤窗的實時顯示，即具有OSD功能，包括無視頻輸入指示、鎖定指示、跟蹤狀態和性能指示、顯示脫靶量數據及其他操作參數等。
OSD的實現方法基本上有三種：使用專用OSD器件；選用支持OSD功能的處理器；采用PLD。在實時性要求較高的視頻跟蹤系統中，需要使用大規模FPGA進行并行圖像處理，并且在FPGA中實現SoPC設計，同時應能減小系統的體積和成本。如果只選用專用OSD器件或帶有OSD功能的處理器反而會增加系統硬件設計的復雜度，降低系統的可靠性。因此，有必要采用與SoPC系統相結合的OSD實現方案。
1 視頻跟蹤系統
基于SoPC技術的視頻跟蹤系統框圖如圖1所示。系統采用Altera公司的Stratix 系列FPGA及Nios Ⅱ軟核處理器實現SoPC設計，將圖像處理、目標識別與跟蹤等協處理單元掛在Nios Ⅱ處理器上，并通過SPI、I2C等IP-Core實現對操縱桿、視頻編解碼器等設備的控制。系統支持PAL-D(576i25)標準輸入輸出。
2 OSD實現方案
2.1 SoPC系統的配置結構
在SoPC系統中，實現OSD功能要與如圖2所示的SoPC系統的配置結構相結合，系統采用Altera公司的MAX-II器件作為配置控制器，在系統啟動(boot)時負責將FPGA的配置數據從外部Flash Memory傳送到Stratix中。這里將OSD字符/圖形庫以只讀數據的形式存放在外部CFI-Flash中，CFI-Flash同時裝有FPGA的配置數據和軟件程序，配置結束后MAX-Ⅱ需要將連接CFI-Flash的全部總線置為‘Z’，這樣Nios Ⅱ處理器才能夠獲得CFI-Flash的總線使用權，以讀取程序和OSD數據。
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2.2 OSD實現結構
OSD實現框圖如圖3所示。這里采用了FPGA中的一個M-RAM作為OSD緩存，其中每位與視頻中的一個像素映射。因PAL-D復合視頻信號為隔行掃描，因此，OSD緩存中的數據按奇/偶場方式存放，每場占用720×288/8=25 920B，M-RAM大小為64KB，可實現全視場范圍的單色OSD映射。OSD緩存被定義為雙口方式，輸出與視頻數據流同步。
OSD緩存的數據位寬可定義為2n(n=0,1,…)，但應該注意：數據位寬選得越大，NiosⅡ" title="NiosⅡ">NiosⅡ處理器的訪問速度就越快，而OSD的水平方向定位也越復雜；數據位寬選得越小，水平方向定位越精確，但訪問速度也會越慢，且實時性差。因此，進行折衷處理，選擇lpm_width=8。
M-RAM的讀地址要根據行、場同步信號" title="同步信號">同步信號生成，圖像原始分辨率為864×625，則水平計數器Cnt_Hor和垂直計數器Cnt_Ver為10bit寬，Cnt_Hor的異步清零端接脈沖化后的行同步信號HSYNC，Cnt_Ver的異步清零端接脈沖化后的場同步信號VSYNC。在有效圖像分辨率為720×576范圍內，使能地址計數器Cnt_Rd_Addr、Cnt_Rd_Addr的計數時鐘為像素時鐘的8分頻，即每8個像素時鐘讀取一個數據，Cnt_Rd_Addr的異步清零端接脈沖化后的場同步信號VSYNC。
OSD緩存讀地址生成邏輯如圖4所示。圖中，1.6875MHz時鐘脈沖化后接74165的STLD(并行數據加載信號)，每隔8個像素時鐘載入一個字節的OSD數據并串行輸出。圖5為最簡單的OSD合成邏輯，圖中,bit→piexl的映射邏輯用一個8位并-串轉換器74165實現，使用兩個8bit的Mux2_1，如果ctrl_bit等于‘0’，則YCbCr輸出原圖像數據；如果ctrl_bit等于‘1’，則Y輸出0xEB，CbCr輸出0x10。
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2.3 OSD API
OSD API的實現包括：創建API硬件接口;建立字符/圖形庫;OSD顯示驅動函數(包括字節重構、字符顯示、圖形顯示、消隱等)。
API硬件接口可以通過SoPCBuilder建立，包括16位地址OSD_ADDR、8位數據OSD_DATA、寫使能OSD_WEN和OSD緩存的異步清零信號OSD_ACLR。由于M-RAM不能設置初始數據，因此上電后首先將OSD_ACLR置位，然后對OSD緩存初始化后，再將OSD_ACLR置零，以免開機時系統出現花屏現象。
字符/圖形庫可以通過字模提取軟件得到，并定義到unsigned char const型數組中。打開Nios Ⅱ IDE中的System Library Properties窗口，將read-only data memory(.rodata)項設為ext_flash，即將OSD庫放在外部的CFI-Flash中。
OSD數據寫入緩存時要注意兩個關鍵問題，一是垂直方向上的隔行處理，即按照奇偶場規則寫入緩存；二是水平方向上的字節拆分與重構，因為OSD緩存是整字節(8bit)訪問的，為了實現字符/圖形的像素級定位，該操作是必要的。例如，為了在位置3開始疊加如圖6所示的11個bit‘1’，需要補5個bit的‘0’，并將重構后的“0x3f、0xf8”寫入OSD緩存，該操作由軟件完成。
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3 結果與結論
OSD實現效果如圖7所示，監視器上疊加有字符、數字和圖形，如果進一步設計，還可以實現彩色OSD、畫中畫以及透明效果，本文只是對這一方案進行了初步驗證。
實際應用證明，本文提出的設計方案新穎、合理，能夠有效減小視頻跟蹤系統的體積、降低系統復雜度和成本，具有極大的實用價值。
參考文獻
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