影视多媒体信息处理器设计与实现

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摘要:把影视多媒体信息处理和高清LCD显示技术结合在一起，应用于摄影取景、演播室导演、导播监看、编辑等视频、音频的处理和显示．为实现智能化影视多媒体信息处理和高清监视功能，采用了高速视音频处理电路进行数据处理，实时处理影视多媒体信息并显示即时图像，实现了可调色温控制．高级特性包括屏幕标记、摄影模式、画面放大、图像翻换、单色显示设置等功能．该产品是与摄影、广播传媒等配套的一款理想的便携式轻量级设备．

关键词:影视多媒体;信息处理;高清LCD;显示技术

随着影视摄像技术的发展，人们对监视器的要求越来越高．所以，高清数字显示设备必须紧跟整个数字高清摄像监控市场发展潮流，不断创新和提升性能指标，才能不断满足日益增长的影视数字高清摄像监控技术的发展．［1］数字高清和智能技术是未来整个影视数字视频监控系统的发展方向，对于摄像后端的显示设备，数字液晶监视器的技术发展趋势是:低功耗和环保节能，超轻薄及高对比度，多功能和低成本，无闪烁、全数字高清显示、画面流畅及视角宽广．数字视频数据的插帧倍频技术、视频处理、智能运算技术、IPS的硬屏显示全视角技术，甚至采用安卓技术等，都将在方寸电路板之间得到实现．将来多功能、多元素将成为数字监控显示设备的发展方向，影视摄像市场需求也将呈现多元化、细分化．［2］本项目是把数字影视多媒体信息处理和高清LCD显示结合在一起，具有智能化影视多媒体信息处理和高清监视功能．项目产品目前在国内还没有同类产品，属国内首创．本项目的实施，不仅有效填补我国影视多媒体信息处理器的生产空白，具有典型示范作用，而且提升了产品的技术水平和档次，可以促进产业结构优化升级，满足市场发展需求，以有效推动我国电子产品产业的快速发展，从而提升企业市场竞争力和经济效益．本项目产品不仅适合于专业领域如电视台、大型电视剧、电影制片厂等摄影、导演在拍摄现场的应用，而且可以适用于摄影爱好者、婚纱影楼、广告摄影等等，特别是现在兴起的微电影．随着人们生活水平的提高，对生活质量的更高追求，摄影爱好者的队伍壮大，项目产品将越来越受到不仅是专业人士，而且是业余爱好者的欢迎．

1影视多媒体信息处理器研究和重点解决的关键技术

项目产品设计要求实现摄影取景、演播室导演、导播监看，编辑等视频、音频的处理和显示．实现的影视多媒体信息处理功能主要有:可调色温控制，高级特性包括屏幕标记、摄影模式、画面放大、图像翻换、单色显示设置等，是一款理想的便携式轻量级的取景配套监视器，可适用于摄影取景、演播室导演、导播监看、编辑等应用．本项目核心关键技术包括:(1)产品的系统控制电路采用ARM嵌入式系统进行控制，其速度快，摒弃其他电路的CPU控制相应时间慢的缺点，可提高开机速度及信号切换速度．(2)产品主要大规模IC:FPGA采用业界领先的XLINX7系列;ARM采用STM32用来做整套系统的控制;DDR3采用2颗DDR3用来保证统计高清数据所需要的流量．

2影视多媒体信息处理的设计与实现

本项目开发的重点技术是基于XILINX7系FPGA的强大的逻辑运算能力，比普通FPGA高出2．5倍，将视音频处理功能与监视器功能集于其内部处理，极大地提高了音视频数字处理速度及对图片的数据读取速度．可处理16．7M色8位RGB输入信号，且具有低功耗、高容量、小体积、低成本的优点，解决了行业技术中存在的功耗大、体积大、高成本、运算速度慢等问题．项目根据影视多媒体信息处理的需要、智能化影视多媒体信息处理和高清监视功能的要求进行产品总体设计，采用单片FPGA为核心元件+ARM处理器，利用FPGA的强大并行运算能力，对信号输入选择、硬件图形处理、并行数据处理体系、单通道超宽带数据容量、全模块化结构设计、实现高速音视频处理电路进行数据处理，实现实时处理影视多媒体信息并显示即时图像．其硬件电路组成由HDMI环路处理电路、图像/音频/数据/处理电路、辅助功能处理、音频处理、数据存储、TFT－LCD液晶显示屏等组成．所设计的电路图如图1所示．实现的影视多媒体信息处理功能有:峰值辅助对焦、伪色彩、音频柱、九宫格局部放大、亮度直方图、RGB直方图、曝光提示、波形图、单色显示(红/绿/蓝/黑白)、过扫描/欠扫描、矢量图、中心标记、框型标、辅助对焦、镜像模式(U/D，L/R)、点对点模式、色温调整、5DII相机模式等．根据所实现的功能要求，编制相应的控制软件．［3］项目设计采用了一种基于ARM+FPGA的高速数字图像数据采集传输系统，所选用的ARM体系结构是32位嵌入式RISC微处理器结构，该微处理器拥有丰富的指令集，并且软件编程灵活;FPGA在速度和并行运算方面具有很大优势，适合数字音视频处理的实时性要求，使项目产品在使用性能和整机价格上，与行业的同类产品比较更具竞争力．［4］2．1音视频信息处理在读取图片的输入信号后，将图片的亮度、对比度、色度音频等数据，转换为数学模式，在FPGA内部进行数学统计，并与视频数字信号比较计算后，转换为OSD，嵌入数字视频信号中，然后在屏幕上显示出来，从而实现本项目产品的附加功能．2．2采用ARMCortexM3架构微处理器的系统控制的实现ARMCortex－M系列是为那些对开发费用敏感同时对性能要求不断增加的嵌入式应用(如微控制器、汽车车身控制系统和各种大型家电)所设计的，主要面向单片机领域．本项目将其移植为本机的系统控制器．［5］(1)ARMCortexM3为32位处理器，具备指令与数据共用信号总线和存储器，因为指令和数据可以同时从存储器进行读取，所以处理器可以对多个操作并行处理和执行，提高了应用程序的执行速度．而监视器的使用，会因为现场的使用环境的变化而需要对一些模拟量进行变动，ARMCortexM3系统则根据面板按键的操作及视频信号的变量，同时做出执行，与FPGA配合，加快了影视多媒体信息处理器的开机速度和操作速度．开机时间一般可做到在3s以内．而ARMCortexM3系统的扩展使用，还可以外接LAN网络端口，实现监视器的远程模拟量控制．［6］(2)ARMCortexM3系统还可以在人机对话中(按键面板操作中)，将其中的四个按键设置为客户可自定义键，客户可以根据各自的使用习惯，将自己喜爱的功能操作进行自定义设置，在面板按键直接操作，而不必进入OSD进行，提高了操作的快捷性．(3)ARMCortexM3系统在开机界面上可以灵活地应用，将来甚至可以开发出动画开机界面，满足不同客户的需求，提高产品的附加值．2．3系统控制电路的实现本项目产品的系统控制电路采用ARM嵌入式系统进行控制，其速度快，可提高开机速度及信号切换速度．项目产品采用的主要大规模IC:FPGA采用业界领先的XLINX7系列;ARM采用STM32用来做整套系统的控制;DDR3采用2颗DDR3用来保证统计高清数据所需要的流量．［7］在现实的采集与显示过程中，视频转换接口功能的实现通过以下步骤来完成:(1)对接收到的ITU－RBT．ITU656数据流解交织处理;(2)对解交织处理后的数据流进行色彩空间转换处理;(3)将转换处理后的每个像素的RGB值写入存储器中;(4)从存储器中读出像素的RGB值，并将其转换处理成TMDS码元序列;(5)从存储器中读出像素的LVDS值，并将其传送到LCD显示屏进行图像显示．［8］

3结语

本项目根据摄影取景、演播室导演、导播监看、编辑等的影视多媒体信息处理的需要，应用智能化影视多媒体信息处理和高清监视功能技术进行产品总体设计．项目产品采用单片FPGA为核心元件+ARM处理器，利用FPGA的强大并行运算能力，对信号输入选择、硬件图形处理、并行数据处理体系、单通道超宽带数据容量、全模块化结构设计、实现高速音视频处理电路进行数据处理，实现实时处理影视多媒体信息并显示即时图像．并且进行项目产品的软硬件调试，最后进行外壳设计，完成项目产品研制．该项目2017年列入福建省项目成果转化资金项目(闽发改投资【2017】253号)．产品经漳州市计量所检验合格．产品填补了国内此类产品研究和生产的技术空白，具有技术首创性和较好的技术意义，也具有较高的国内外市场潜力．

［参考文献］

［1］张蒙，黄韶华，彭少昆．高清视频监控网络工程传输解决方案［J］．邮电设计技术，2018(9):86－89．

［2］王帅辉．基于ARM图像采集传输系统研究［D］．北京:北方工业大学，2017．

［3］李聪，李春梅，周志群，等．基于STM32数据传输转换接口器的设计与实现［J］．计算机工程与设计，2014，35(10):3416－3421．

［4］邓月．基于FPGA+ARM的高速图像数据采集板的设计［J］．电子世界，2013(23):119－120．

［5］丁兆威．中国智能高清视频监控市场调查之显示设备［J］．中国公共安全，2013(11):48－50，52，54－56．

［6］路后兵．XilinxFPGA的嵌入式系统开发过程［J］．单片机与嵌入式系统应用，2012，12(11):32－34．

［7］王立峰，邓祎，胡善清，等．基于FPGA的多数据交换系统设计与实现［J］．微计算机信息，2010，26(29):4－6．

［8］赵东方，李雄，于心亮，等．基于FPGA的数字视频转换接口的设计与实现［J］．电子产品世界，2007(10):160－161．

作者:张建国 单位:漳州职业技术学院