基于SDI接口的實時圖像增強顯示系統

摘 要： 為了改善實時圖像輸出質量，研究基于SDI接口的增強顯示系統軟硬件設計。利用模塊化思想提出一個基于SDI接口輸出的硬件架構，以FPGA作為處理核心，通過2片SRAM的雙緩存結構實現圖像的乒乓控制，使輸出圖像滿足SDI接口協議。在此提出了灰度拉伸、偽彩色處理以及畫幅縮放3種實時圖像增強算法。通過實驗測試，系統工作穩定、實時性好，加入增強算法后圖像對比度增強，極大增強了人眼的視覺效果。

關 鍵 詞： SDI； 模塊化； 圖像增強算法； 偽彩； 畫幅縮放

中圖分類號： TN919?34； TH74 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0098?04

0 引 言

SDI接口（Serial Digital Interface）是直接通過采用數字化的方法對視頻信號進行控制、處理和傳輸，將數字視頻或者音頻信號按有效行場方式通過單芯同軸電纜傳輸，而后將數字信號直接接入后續的處理系統[1]，避免傳統的模擬信號因A/D和D/A轉換帶來的圖像細節和質量損失，也使得設備間的交互變得更加簡單方便。SDI接口傳輸速率高、適應性強、即插即用、對環境要求不高以及應用范圍廣等特點[2]，目前SDI已經作為國內很多戰略靶場軍工圖像設備的一種協議標準。

目前在民用方面，SDI接口作為一種標準視頻傳輸接口已被世界上多數視頻設備廠商接受并采納，涉足數字攝像領域、電視電影及專業的演播室等領域。世界知名的索尼、松下等公司生產的視頻設備均支持SDI接口協議。

1 系統硬件結構

系統結構如圖1所示，主要由Camera Link接口、千兆網接口、大容量SRAM存儲器、FPGA芯片、SDI接口芯片以及SDI接口監視器等構成。這里FPGA是整個系統的核心邏輯，采用XILINX公司的V2系列XC2V4000FFG1152芯片[3]，該芯片有1 152個IO引腳，4 MB的系統門單元，120個乘法器，12個數字時鐘管理器，824個用戶可定義IO，120×18 b的塊RAM。豐富的硬件資源給輸入圖像的顯示和增強處理提供了可靠保證。該系統的基本工作過程首先接收Camera Link接口或千兆網接口的圖像數據，經過專用接口轉換芯片將數據轉換成TTL或者CMOS格式，傳送給FPGA，在FPGA內部經過實時圖像處理、協議轉換，輸出符合SDI接口芯片的數據，經過接口芯片的并串轉換，實時輸出SDI標清圖像數據。

2 圖像增強算法

2.1 灰度拉伸算法

根據上面的公式可看出，在進行拉伸變換時，需要用到基本的乘除法運算，這在Xilinx公司FPGA內部實現起來較困難，最為常用的做法是調用FPGA內部的乘除法IP核，這樣可以極大提高FPGA的工作效率。根據上面的公式，若想實現算法，還需要知道當前幀圖像數據的灰度最小值和最大值。FPGA工作是以時鐘為基礎的，具有實時性，如果想獲得當前幀的灰度最值，需要對圖像數據進行緩存處理，然后二次提取最值。在程序實現上，為了簡便起見，在此利用前一幀數據的灰度最大值和最小值來代替當前幀的最大值最小值。這樣對當前幀遍歷求取最值，然后應用到下一幀圖像中去，這里認為前后幀相關性比較大，不會對算法造成很大影響。

2.2 偽彩處理

經黑白相機輸入的圖像數據經過協議轉換處理后得到的是SDI接口視頻YCbCr格式中亮度Y分量，這時將CbCr在程序里填充80h，就構成YcbCr信號，而后用于輸出顯示，為了增強顯示效果，顏色更加能豐富人眼的視覺效果，下面給出一個算法將灰度轉換為偽彩色。

3 實驗結果及分析

將硬件系統和相機連接，該相機基本參數是320×256分辨率，14 b像素深度，幀頻25/50可調。通過PC機的RS 232串口連接轉一個轉換設備，使之滿足RS 422差分協議，以便發送命令給硬件系統和返回硬件系統狀態。

4 結 語

本文設計了一種基于SDI接口輸出的圖像顯示系統，在FPGA里面封裝了灰度拉伸、偽彩色處理以及畫幅拉伸增強算法函數，幾種算法可以單獨調用，也可以串行一塊工作。實驗結果表明，該系統可以很穩定地將Camera Link接口或者千兆網口輸入圖像經協議轉換為標清SDI輸出，并可以把灰度很低的圖像進行對比度增強，極大增強了人眼的視覺效果，由于SDI轉換協議以及各個增強算法都在FPGA內部實現，完全可以達到資源優化利用和實時性要求。

參 考 文 獻

[1] 王明臣，姜秀華，張永輝.數字電視與高清晰度電視[M].北京：中國廣播電視出版社，2002.

[2] Anon. Serial digital interface [EB/OL]. [2008?09?22]. http：//www.en.wikipedia.org/wiki.

[3] Xilinx， Inc. Virtex?II Platform FPGAs datasheet [R]. USA： Xilinx， Inc.， 2003.

[4] 祈超.SDI視頻接口轉換與采集系統的設計與實現[D].長春：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2010.

[5] 徐正先.淺談SDI信號及其測試[J].視聽界：廣播電視技術，2013（1）：32?34.

[6] 董素玲，王真.HDMI到HD?SDI接口轉換在高清視頻系統中的應用[J].徐州建筑職業技術學院學報，2011，11（2）：39?41.