影視多媒體信息處理器設計與實現

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摘要:把影視多媒體信息處理和高清LCD顯示技術結合在一起，應用于攝影取景、演播室導演、導播監看、編輯等視頻、音頻的處理和顯示．為實現智能化影視多媒體信息處理和高清監視功能，采用了高速視音頻處理電路進行數據處理，實時處理影視多媒體信息并顯示即時圖像，實現了可調色溫控制．高級特性包括屏幕標記、攝影模式、畫面放大、圖像翻換、單色顯示設置等功能．該產品是與攝影、廣播傳媒等配套的一款理想的便攜式輕量級設備．

關鍵詞:影視多媒體;信息處理;高清LCD;顯示技術

隨著影視攝像技術的發展，人們對監視器的要求越來越高．所以，高清數字顯示設備必須緊跟整個數字高清攝像監控市場發展潮流，不斷創新和提升性能指標，才能不斷滿足日益增長的影視數字高清攝像監控技術的發展．［1］數字高清和智能技術是未來整個影視數字視頻監控系統的發展方向，對于攝像后端的顯示設備，數字液晶監視器的技術發展趨勢是:低功耗和環保節能，超輕薄及高對比度，多功能和低成本，無閃爍、全數字高清顯示、畫面流暢及視角寬廣．數字視頻數據的插幀倍頻技術、視頻處理、智能運算技術、IPS的硬屏顯示全視角技術，甚至采用安卓技術等，都將在方寸電路板之間得到實現．將來多功能、多元素將成為數字監控顯示設備的發展方向，影視攝像市場需求也將呈現多元化、細分化．［2］本項目是把數字影視多媒體信息處理和高清LCD顯示結合在一起，具有智能化影視多媒體信息處理和高清監視功能．項目產品目前在國內還沒有同類產品，屬國內首創．本項目的實施，不僅有效填補我國影視多媒體信息處理器的生產空白，具有典型示范作用，而且提升了產品的技術水平和檔次，可以促進產業結構優化升級，滿足市場發展需求，以有效推動我國電子產品產業的快速發展，從而提升企業市場競爭力和經濟效益．本項目產品不僅適合于專業領域如電視臺、大型電視劇、電影制片廠等攝影、導演在拍攝現場的應用，而且可以適用于攝影愛好者、婚紗影樓、廣告攝影等等，特別是現在興起的微電影．隨著人們生活水平的提高，對生活質量的更高追求，攝影愛好者的隊伍壯大，項目產品將越來越受到不僅是專業人士，而且是業余愛好者的歡迎．

1影視多媒體信息處理器研究和重點解決的關鍵技術

項目產品設計要求實現攝影取景、演播室導演、導播監看，編輯等視頻、音頻的處理和顯示．實現的影視多媒體信息處理功能主要有:可調色溫控制，高級特性包括屏幕標記、攝影模式、畫面放大、圖像翻換、單色顯示設置等，是一款理想的便攜式輕量級的取景配套監視器，可適用于攝影取景、演播室導演、導播監看、編輯等應用．本項目核心關鍵技術包括:(1)產品的系統控制電路采用ARM嵌入式系統進行控制，其速度快，摒棄其他電路的CPU控制相應時間慢的缺點，可提高開機速度及信號切換速度．(2)產品主要大規模IC:FPGA采用業界領先的XLINX7系列;ARM采用STM32用來做整套系統的控制;DDR3采用2顆DDR3用來保證統計高清數據所需要的流量．

2影視多媒體信息處理的設計與實現

本項目開發的重點技術是基于XILINX7系FPGA的強大的邏輯運算能力，比普通FPGA高出2．5倍，將視音頻處理功能與監視器功能集于其內部處理，極大地提高了音視頻數字處理速度及對圖片的數據讀取速度．可處理16．7M色8位RGB輸入信號，且具有低功耗、高容量、小體積、低成本的優點，解決了行業技術中存在的功耗大、體積大、高成本、運算速度慢等問題．項目根據影視多媒體信息處理的需要、智能化影視多媒體信息處理和高清監視功能的要求進行產品總體設計，采用單片FPGA為核心元件+ARM處理器，利用FPGA的強大并行運算能力，對信號輸入選擇、硬件圖形處理、并行數據處理體系、單通道超寬帶數據容量、全模塊化結構設計、實現高速音視頻處理電路進行數據處理，實現實時處理影視多媒體信息并顯示即時圖像．其硬件電路組成由HDMI環路處理電路、圖像/音頻/數據/處理電路、輔助功能處理、音頻處理、數據存儲、TFT－LCD液晶顯示屏等組成．所設計的電路圖如圖1所示．實現的影視多媒體信息處理功能有:峰值輔助對焦、偽色彩、音頻柱、九宮格局部放大、亮度直方圖、RGB直方圖、曝光提示、波形圖、單色顯示(紅/綠/藍/黑白)、過掃描/欠掃描、矢量圖、中心標記、框型標、輔助對焦、鏡像模式(U/D，L/R)、點對點模式、色溫調整、5DII相機模式等．根據所實現的功能要求，編制相應的控制軟件．［3］項目設計采用了一種基于ARM+FPGA的高速數字圖像數據采集傳輸系統，所選用的ARM體系結構是32位嵌入式RISC微處理器結構，該微處理器擁有豐富的指令集，并且軟件編程靈活;FPGA在速度和并行運算方面具有很大優勢，適合數字音視頻處理的實時性要求，使項目產品在使用性能和整機價格上，與行業的同類產品比較更具競爭力．［4］2．1音視頻信息處理在讀取圖片的輸入信號后，將圖片的亮度、對比度、色度音頻等數據，轉換為數學模式，在FPGA內部進行數學統計，并與視頻數字信號比較計算后，轉換為OSD，嵌入數字視頻信號中，然后在屏幕上顯示出來，從而實現本項目產品的附加功能．2．2采用ARMCortexM3架構微處理器的系統控制的實現ARMCortex－M系列是為那些對開發費用敏感同時對性能要求不斷增加的嵌入式應用(如微控制器、汽車車身控制系統和各種大型家電)所設計的，主要面向單片機領域．本項目將其移植為本機的系統控制器．［5］(1)ARMCortexM3為32位處理器，具備指令與數據共用信號總線和存儲器，因為指令和數據可以同時從存儲器進行讀取，所以處理器可以對多個操作并行處理和執行，提高了應用程序的執行速度．而監視器的使用，會因為現場的使用環境的變化而需要對一些模擬量進行變動，ARMCortexM3系統則根據面板按鍵的操作及視頻信號的變量，同時做出執行，與FPGA配合，加快了影視多媒體信息處理器的開機速度和操作速度．開機時間一般可做到在3s以內．而ARMCortexM3系統的擴展使用，還可以外接LAN網絡端口，實現監視器的遠程模擬量控制．［6］(2)ARMCortexM3系統還可以在人機對話中(按鍵面板操作中)，將其中的四個按鍵設置為客戶可自定義鍵，客戶可以根據各自的使用習慣，將自己喜愛的功能操作進行自定義設置，在面板按鍵直接操作，而不必進入OSD進行，提高了操作的快捷性．(3)ARMCortexM3系統在開機界面上可以靈活地應用，將來甚至可以開發出動畫開機界面，滿足不同客戶的需求，提高產品的附加值．2．3系統控制電路的實現本項目產品的系統控制電路采用ARM嵌入式系統進行控制，其速度快，可提高開機速度及信號切換速度．項目產品采用的主要大規模IC:FPGA采用業界領先的XLINX7系列;ARM采用STM32用來做整套系統的控制;DDR3采用2顆DDR3用來保證統計高清數據所需要的流量．［7］在現實的采集與顯示過程中，視頻轉換接口功能的實現通過以下步驟來完成:(1)對接收到的ITU－RBT．ITU656數據流解交織處理;(2)對解交織處理后的數據流進行色彩空間轉換處理;(3)將轉換處理后的每個像素的RGB值寫入存儲器中;(4)從存儲器中讀出像素的RGB值，并將其轉換處理成TMDS碼元序列;(5)從存儲器中讀出像素的LVDS值，并將其傳送到LCD顯示屏進行圖像顯示．［8］

3結語

本項目根據攝影取景、演播室導演、導播監看、編輯等的影視多媒體信息處理的需要，應用智能化影視多媒體信息處理和高清監視功能技術進行產品總體設計．項目產品采用單片FPGA為核心元件+ARM處理器，利用FPGA的強大并行運算能力，對信號輸入選擇、硬件圖形處理、并行數據處理體系、單通道超寬帶數據容量、全模塊化結構設計、實現高速音視頻處理電路進行數據處理，實現實時處理影視多媒體信息并顯示即時圖像．并且進行項目產品的軟硬件調試，最后進行外殼設計，完成項目產品研制．該項目2017年列入福建省項目成果轉化資金項目(閩發改投資【2017】253號)．產品經漳州市計量所檢驗合格．產品填補了國內此類產品研究和生產的技術空白，具有技術首創性和較好的技術意義，也具有較高的國內外市場潛力．

［參考文獻］

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［8］趙東方，李雄，于心亮，等．基于FPGA的數字視頻轉換接口的設計與實現［J］．電子產品世界，2007(10):160－161．

作者:張建國 單位:漳州職業技術學院