基于SMPTE 274M標準的高清視頻發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)

姜忠兵

（重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400030）

近年來，隨著科技的發(fā)展和人民生活的提高，人們對于精神生活的需求越來越高，在視頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)低清晰度的視頻質(zhì)量遠遠不能滿足人們對于視頻質(zhì)量的要求，高清視頻在各行業(yè)都亟需得到發(fā)展和應(yīng)用。SMPTE是美國電影電視工程師協(xié)會，該協(xié)會制定了1080P等各種高清視頻定義，包括SMPTE 274M、SMPTE 270M、SMPTE 295M等多種高清接口標準定義[1-2]，在實現(xiàn)形式上同 BT．1120 相似[3-6]。SMPTE 274M 標準定義了一系列1080P高清視頻傳輸標準接口，包括1080P 60 fps，1080I 60 fps，1080P 30 fps，1080I 30 fps 等多種方式，支持RGB、YPBPR、YCBCR等顏色空間視頻傳輸，其應(yīng)用廣泛。本課題利用Altera公司Cyclone IVE系列FPGA成功產(chǎn)生基于SMPTE 274M視頻標準的1080P視頻信號，并用于某視頻處理系統(tǒng)中。

1 SMPTE 274M視頻標準

1.1 數(shù)字行圖像存放格式

SMPTE 274M標準中，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的存放格式（1920×1080/60/P）及其數(shù)據(jù)定時關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)字行圖像數(shù)據(jù)及定時關(guān)系Fig．1 Video data of digital line and timing

圖1中，T為亮度像素取樣時鐘周期，例如，傳輸1920×1080/60/P視頻時，該時鐘周期即為1/148．5 ms，即亮度取樣頻率的倒數(shù)。由圖1可知，一行圖像數(shù)據(jù)由圖像定時基準碼EAV/SAV，數(shù)字行消隱區(qū)和圖像有效數(shù)據(jù)組成。在16位YUV422傳輸系統(tǒng)中，該標準分為兩路8位數(shù)據(jù)傳輸，一路傳輸亮度分量Y，一路通過時分復(fù)用的方法傳輸色度分量Cb/Cr。針對一行2 200個時鐘周期，圖像定時基準碼SAV和EAV分別占4個時鐘周期，數(shù)字行消隱區(qū)占272個時鐘周期，有效圖像數(shù)據(jù)與其分辨率相同，占1 920個時鐘周期。

1.2 圖像定時基準碼SAV和EAV

SMPTE 274M視頻標準是一種內(nèi)同步方式的圖像傳輸標準，所謂內(nèi)同步，是指將圖像行場同步信號內(nèi)嵌于圖像的圖像數(shù)據(jù)中，不需要單獨的外部行場同步信號對圖像進行控制。有兩種圖像定時基準碼，一種在圖像有效數(shù)據(jù)塊的起始位置處（SAV），用于有效圖像的開始控制，另一種出現(xiàn)在有效數(shù)據(jù)塊的末尾，數(shù)字行消隱的起始位置，兩個定時基準用于控制一行圖像的開始與結(jié)束。

針對8位傳輸系統(tǒng)，每個定時基準碼由4個字組成，前3個字固定，分別為FF、00、00，第3個字為控制字，定義為1FVHP3P2P1P0，其中，F(xiàn)用于場識別，在隔行系統(tǒng)中傳輸?shù)诙鰰r設(shè)定為1，其他情況設(shè)定為0，V用于場/幀消隱期控制，在場/幀消隱期間設(shè)定為1，其他時間設(shè)為0，H表示行消隱，當定時基準碼為EAV時，H設(shè)為1，當定時基準碼為SAV時設(shè)定為0，P3P2P1P0為保護比特，其值由 F、V、H的值決定，對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 SAV和EAV保護比特分配Tab.1 Protection bits for SAV and EAV

1.3 圖像格式

SMPTE 274M視頻標準分為隔行系統(tǒng)和逐行系統(tǒng)，逐行系統(tǒng)中，一幀圖像中的有效數(shù)據(jù)依次存放，在隔行系統(tǒng)中，圖像有效數(shù)據(jù)分為頂場和底場，其中頂場存放偶數(shù)行圖像數(shù)據(jù)，底場存放奇數(shù)行圖像數(shù)據(jù)。為產(chǎn)生1080P標準視頻信號，本系統(tǒng)采用其標準規(guī)定的逐行系統(tǒng)圖像存放方式，逐行系統(tǒng)幀定時關(guān)系如圖2所示。

圖2 逐行系統(tǒng)幀定時關(guān)系Fig.2 Frame timing relationship of progressive system

圖2中，1L表示圖像首行，41L表示消隱末行，42L表示有效圖像首行，1121L表示有效圖像末行，1122L表示數(shù)字消隱幀首行，1125L表示消隱幀末行。

1.4 消隱數(shù)據(jù)

在行場消隱期間，需要在該位置上對應(yīng)填入消隱電平的字，用于防止干擾，便于傳輸。SMPTE 274M標準中，針對8位數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，規(guī)定了如下的消隱電平填充字：

Y/R/G/B：傳輸消隱字10h，即消隱期間傳輸字為：101010……

Cb/Cr：傳輸消隱字80h，即消隱期間傳輸字為：808080……

2 SMPTE 274M標準FPGA實現(xiàn)

本課題為實現(xiàn)對1080P高清視頻圖像的采集，利用Altera公司Cyclone IVE代芯片EP4CE15F17C8核心板根據(jù)SMPTE 274M視頻標準模擬高清視頻圖像，作為某采集系統(tǒng)的外部視頻源。該視頻源要求圖像分辨率為1080P，圖像采樣格式Y(jié)UV422，數(shù)據(jù)位數(shù)16位，幀速率60 fps。

2.1 輸入時鐘信號

1080P/60視頻格式要求輸入標準時鐘頻率為148.5MHz，Cyclone IV核心板上的最高晶振頻率為50MHz，為設(shè)置標準時鐘輸出，本文通過Quartus II軟件自帶PLL模塊對原晶振頻率經(jīng)過三次分頻和倍頻達到標準時鐘信號，50×（11/10）×（9/10）×3，實現(xiàn)標準1080P時鐘采樣和數(shù)據(jù)輸出。

2.2 SAV和EAV設(shè)定

本課題中設(shè)定輸入圖像格式為逐行圖像輸入，根據(jù)逐行圖像格式和EAV和SAV的定義，在1至42，1122至1125消隱行中，定時基準碼EAV控制位FVH為011，對應(yīng)保護比特P3P2P1P0為0110，因此EAV第 4個字為0xB6B6；定時基準碼SAV控制位為010，對應(yīng)保護比特為1011，SAV第4個字為0xABAB。在42~1121圖像有效數(shù)據(jù)行中，定時基準碼EAV控制位FVH為001，對應(yīng)保護比特P3P2P1P0為1101，由此，EAV第4個控制字位9D9D；SAV第 4字控制位FVH為 000，對應(yīng)保護比特為 0000，因此 SAV第 4字為 0x8080。同時，根據(jù)視頻處理系統(tǒng)要求，16位傳輸系統(tǒng)的高8位傳輸Y信號，低8位傳輸CBCR信號，因此本課題設(shè)定的行場控制信號SAV和EAV設(shè)定如圖3所示，其中XXXX代表有效圖像數(shù)據(jù)。

2.3 視頻信號發(fā)生器程序設(shè)計

圖3 SAV和EAV值Fig.3 SAV and EAV value

本課題利用verilog硬件描述語言對視頻信號發(fā)生器進行描述，為簡便測試圖像采集效果，該模塊利用計數(shù)的方法產(chǎn)生一個固定的亮度和色度信息，用于檢測系統(tǒng)完整性。計數(shù)方式分為行計數(shù)信號和幀計數(shù)信號，行計數(shù)信號counter1用于控制一行的圖像數(shù)據(jù)，幀計數(shù)信號counter2用于控制一幀圖像的開始和結(jié)束。

3 仿真驗證

本文首先利用Quartus II自帶仿真軟件對基于SMPTE 274M標準的視頻信號發(fā)生器做仿真驗證，然后在FPGA硬件平臺上完成實際測試并在某高清視頻處理系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。

3.1 仿真測試

仿真測試時，在圖像有效數(shù)據(jù)區(qū)產(chǎn)生固定的圖像數(shù)據(jù)0xA0B0用于驗證設(shè)計的正確性，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果Fig．4 Simulation results

從圖5的仿真結(jié)果中可知，時鐘信號為輸入時鐘信號的3倍左右，達到1080P/60視頻標準的標準時鐘信號148．5 MHz，其產(chǎn)生的SAV信號正確，時鐘與圖像數(shù)據(jù)匹配延遲兩個時鐘周期，在其誤差范圍之內(nèi)，所產(chǎn)生有效圖像數(shù)據(jù)與設(shè)定值一致，符合SMPTE 274M高清視頻標準規(guī)范。

3.2 實驗測試

為驗證該視頻發(fā)生器在實際中應(yīng)用的有效性，本文將該系統(tǒng)應(yīng)用到實際的某視頻處理系統(tǒng)中，該系統(tǒng)通過采集和顯示視頻發(fā)生器的圖像用以驗證設(shè)計實用性。根據(jù)ITU-R BT．709規(guī)定的顏色分量值和所對應(yīng)的圖像顏色，圖像顏色為綠色是所對應(yīng)的YCbCr亮度和色度分量值分別為534，253，207，本文即用產(chǎn)生的綠色圖像用以驗證設(shè)計有效性，實際驗證圖像如圖5所示。

圖5 測試圖像Fig．5 Test picture

由圖5可知，系統(tǒng)采集到的視頻圖像與視頻發(fā)生器所設(shè)定的圖像顏色一致，所設(shè)計的視頻信號發(fā)生器在實際應(yīng)用中性能優(yōu)異，符合設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

本文在Altera公司的Cyclone IVE系列開發(fā)平臺上設(shè)計了一種基于SMPTE 274M標準的高清視頻信號發(fā)生器。該視頻信號發(fā)生器實現(xiàn)簡單，靈活性強，方便與其他視頻信號進行混合使用，具有廣泛的應(yīng)用前景，現(xiàn)已在某視頻處理系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。仿真結(jié)果和實際測試表明該視頻信號發(fā)生器設(shè)計合理，滿足實際應(yīng)用要求。

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