基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載HDMI視頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳紹祥,劉星月，歐小凡

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610106)

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基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載HDMI視頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳紹祥,劉星月，歐小凡

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610106)

摘要：基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載HDMI視頻信號(hào)處理系統(tǒng)具備多種視頻預(yù)處理功能，有利于提高視頻質(zhì)量。與采用H.264標(biāo)準(zhǔn)的視頻處理系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的頻壓縮效率顯著提高，降低了機(jī)載HDMI視頻對(duì)存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的要求，便于機(jī)載視頻的存儲(chǔ)和無線傳輸。

關(guān)鍵詞：H.265標(biāo)準(zhǔn)；HDMI；機(jī)載視頻；視頻預(yù)處理

引用格式：陳紹祥,劉星月，歐小凡. 基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載HDMI視頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(13)：92-94.

0引言

飛機(jī)在飛行過程中，機(jī)載儀表、顯示終端的相關(guān)圖表、數(shù)據(jù)以及機(jī)艙內(nèi)部的視頻圖像場景需要通過機(jī)載視頻處理系統(tǒng)進(jìn)行記錄或及時(shí)回傳到地面，以便于事后分析或?qū)崟r(shí)導(dǎo)航。為了提高飛行的安全性和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航，要求視頻圖像具有更高的清晰度，由于高清視頻的數(shù)據(jù)量非常巨大，對(duì)存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬的需求增大，因而要求機(jī)載圖像處理系統(tǒng)在不大幅犧牲圖像質(zhì)量的前提下盡可能地對(duì)海量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以便節(jié)省存儲(chǔ)空間或降低對(duì)傳輸帶寬的要求[1]。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)載視頻圖像的壓縮經(jīng)歷了從MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4到目前廣泛應(yīng)用的H.264的演進(jìn)歷程，H.265是繼H.264之后的最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年4月13日正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是，相比H.264/AVCHP(HighProfile)的圖像質(zhì)量，碼率降低50%[2-3]。

高清晰度多媒體接口(High Definition Multimedia Interface，HDMI)作為一種先進(jìn)的高清多媒體視頻接口，被廣泛用作機(jī)載儀表、顯示終端及其機(jī)載視頻采集設(shè)備(如攝像機(jī)等)的視頻輸出接口[4]。本文介紹了一種基于H.265視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)載HDMI視頻圖像進(jìn)行壓縮的視頻處理系統(tǒng)，從硬件設(shè)計(jì)原理的角度介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要完成對(duì)機(jī)載HDMI視頻源的采集和壓縮處理，因此本系統(tǒng)主要由HDMI接口模塊、壓縮及控制模塊和電源變換模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)通過HDMI接口模塊接收由機(jī)載儀表、顯示終端及其機(jī)載視頻采集設(shè)備(如攝像機(jī)等)輸出的HDMI視頻信號(hào)，完成HDMI視頻信號(hào)的解碼，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的BT1120并行視頻數(shù)據(jù)流輸入到壓縮及控制模塊。在壓縮及控制模塊內(nèi)部，針對(duì)機(jī)載視頻圖像的特點(diǎn)對(duì)視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理之后按照H.265標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)流通過機(jī)載無線發(fā)送設(shè)備傳輸?shù)降孛骘w行控制中心，也可以通過機(jī)載存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)原理圖

2HDMI視頻接口模塊的設(shè)計(jì)

HDMI是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，可同時(shí)傳送音頻和影像信號(hào)，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為2.25 GB/s，可以支持1080P的分辨率，兼容數(shù)字視頻接口(Digital Visual Interface，DVI)[5]。在本系統(tǒng)中，選用ADI公司的ADV7610作為HDMI視頻接口芯片，完成HDMI視頻信號(hào)的接收和解碼。ADV7610是一款高質(zhì)量、單輸入HDMI接收器，支持HDMI 1.4規(guī)范規(guī)定的所有強(qiáng)制性3D電視格式，最高可達(dá)1 600×1 200 60 Hz、8位的分辨率。它集成一個(gè)CEC(Consumer Electronics Control)控制器，支持能力發(fā)現(xiàn)和控制(CDC)特性。內(nèi)置一個(gè)主分量處理器(CP)，提供的功能包括：對(duì)比度、亮度和飽和度調(diào)整，以及同步對(duì)準(zhǔn)控制等。

機(jī)載HDMI視頻輸出接口與ADV7610之間通過3對(duì)最小差分變換信號(hào)(Transition Minimized Differential Signaling，TMDS)RXA_0±、RXA_1±、RXA_2±來傳遞三基色(紅R、藍(lán)G、綠B)通道信號(hào)，采用一對(duì)TMDS信號(hào)RXA_C±來傳遞參考時(shí)鐘信號(hào)。通過DDCA_SCL和DDCA_SDA串行接口可以實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(High-bandwidth Digital Content Protection，HDCP)功能，從而可以接收全部格式的高清HDMI視頻信號(hào)。RXA_5V用于HDMI接口連接檢測，HPA_A用于對(duì)外部HDMI接口設(shè)備的連接指示，以支持熱拔插檢測和指示功能。

在本系統(tǒng)中，為了增強(qiáng)接口的靜電放電(Electro-Static Discharge，ESD)保護(hù)能力，在機(jī)載視頻源和HDMI接口芯片ADV7610之間采用TPD12S520進(jìn)行隔離。TPD12S520是TI公司推出的專用于HDMI接口的單片ESD保護(hù)芯片，支持HDMI 1.3數(shù)據(jù)速率，0.8 pF的超低I/O電容，TMDS間0.05 pF的匹配電容，±8 kV的接觸放電。

ADV7610視頻解碼輸出格式可以由視頻壓縮及控制模塊通過I2C總線(SCL和SDATA)來進(jìn)行配置，根據(jù)配置不同，可以選擇支持8/12 bit ITU-R BT.656 4:2:2 YCrCb、16/24 bit ITU-R BT.11520 4:2:2 YCrCb或24 bit 4:4:4 RGB格式，定時(shí)和同步型號(hào)可以內(nèi)嵌編碼中，也可以單獨(dú)輸出HS、 VS 、FIELD等信號(hào)。解碼后的并行數(shù)據(jù)和定時(shí)信號(hào)送到壓縮及控制單元進(jìn)行壓縮,音頻信號(hào)通過I2S接口送到壓縮及控制單元進(jìn)行壓縮。

3壓縮及控制模塊的設(shè)計(jì)

HDMI視頻信號(hào)源經(jīng)過視頻接口模塊解碼進(jìn)入壓縮及控制模塊，該模塊主要完成按照H.265標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的壓縮工作，同時(shí)，該模塊也負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、管理和控制。

在本系統(tǒng)中，選用Hi3516A作為壓縮及控制模塊的核心芯片。Hi3516A是海思公司推出的基于H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處理器。Hi3516A處理器采用海思先進(jìn)的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)固有的圖像振鈴效應(yīng)，極大減少了大運(yùn)動(dòng)場景下的拖尾現(xiàn)象和塊效應(yīng)[5]。支持H.264 BP/MP/HP、H.265 Main Profile、MJPEG/JPEG Baseline 編碼。

Hi3516A的視頻捕獲單元 VICAP(Video Capture)通過 BT656/601、 BT1120 接口接收HDMI視頻接口單元輸出的并行視頻數(shù)據(jù)。VICAP支持內(nèi)嵌圖像信號(hào)處理(Image Signal Processing，ISP)單元，針對(duì)機(jī)載視頻的特點(diǎn)，可以對(duì)視頻圖像進(jìn)行白平衡調(diào)節(jié)、降噪、強(qiáng)光抑制、背光補(bǔ)償、色彩增強(qiáng)、壞點(diǎn)校正、數(shù)字防抖、去霧等視頻預(yù)處理功能，以提高視頻質(zhì)量。經(jīng)過預(yù)處理后的視頻數(shù)據(jù)存入輸入圖像緩沖區(qū)，作為后續(xù)進(jìn)行H.265視頻壓縮的數(shù)據(jù)源。

Hi3516A完成H.265的壓縮是由內(nèi)部的VEDU(Video Encode Decode Unit)單元來完成的，VEDU是一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的支持 H.265 視頻標(biāo)準(zhǔn)的編碼器。VEDU 編碼實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)估計(jì)/幀間預(yù)測、幀內(nèi)預(yù)測、運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測、變換/量化、反量化/反變換、 CABAC 編碼及碼流生成、 de-blocking 濾波、 SAO 等協(xié)議/算法處理。Hi3516A內(nèi)嵌CotexA7@600 MHz處理器，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用軟件可以完成碼率控制和中斷處理等編碼控制處理。編碼壓縮后的視頻碼流存儲(chǔ)在碼流緩沖區(qū)內(nèi)。

在本系統(tǒng)中，經(jīng)過Hi3516A壓縮處理后的視頻流通過SPI(Serial Peripheral Interface)接口傳送到機(jī)載無線設(shè)備，以便地面控制中心接收。也可以通過USB接口連接存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)。為了便于調(diào)試或測試，壓縮視頻流也可以通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)絇C進(jìn)行H.265解壓，恢復(fù)原始視頻。在本方案中，選用RTL8211作為以太網(wǎng)PHY接口芯片，它通過RGMII接口與Hi3516A連接，提供10 MB/100 MB/1 000 MB以太網(wǎng)絡(luò)接口。

在本系統(tǒng)中，選用兩片H5TC4G63AFR(DDR3SDRAM)提供8 GB存儲(chǔ)空間，以滿足H.265壓縮對(duì)于數(shù)據(jù)緩存空間以及處理器運(yùn)行對(duì)于緩存數(shù)據(jù)空間的需求。采用256 MB存儲(chǔ)空間的SPI Flash芯片MX25L25635和128 GB存儲(chǔ)空間的NAND Flash芯片MT29F64G08CFABAWP來存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。

4電源變換模塊設(shè)計(jì)

由于機(jī)載設(shè)備大多采用DC 24 V供電，因此，本系統(tǒng)接收外部提供DC 24 V電源(可接收9～36 V范圍內(nèi)變化的直流電源輸入)，經(jīng)電源變換模塊轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部需要的3.3 V、1.8 V、1.5 V和1.1 V電源。為避免IO在上電時(shí)電流過大，要求3.3 V先于1.1 V上電。電源變換模塊原理框圖如圖3所示。

5測試結(jié)果與總結(jié)

通過錄制6 min的HDMI視頻對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測試。如果采用H.264的壓縮方式，其文件大小為305 MB，而采用本文所設(shè)計(jì)的基于H.265的視頻處理系統(tǒng)來進(jìn)行錄制，其文件大小為75.6 MB，是前者的四分之一，且視頻效果相當(dāng)甚至略好。采用本系統(tǒng)所具備的視頻預(yù)處理功能能有效地改善機(jī)載圖像的質(zhì)量。

將本文所述的基于H.265標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載HDMI視頻處理系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)載HDMI視頻信號(hào)的處理和壓縮，可以達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)空間、減少傳輸帶寬的目標(biāo)。該系統(tǒng)支持圖像增強(qiáng)、降噪、去霧和感興趣區(qū)域編碼的能力，使得視頻、圖像更加清晰逼真，便于地面飛行控制中心進(jìn)行事后分析或?qū)崟r(shí)導(dǎo)航，提高了飛機(jī)飛行的安全性能。

圖3　電源變換模塊功能框圖

參考文獻(xiàn)

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*基金項(xiàng)目：成都市科技局科技惠民項(xiàng)目(2014-HM01-00075-SF)；四川省教育廳科研計(jì)劃(14ZA0324)；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)計(jì)劃 (2016JY0252)

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.030

(收稿日期：2016-03-03)

作者簡介：

陳紹祥(1968-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：圖像處理、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

劉星月(1989-)，女，碩士，助教，主要研究方向：信息處理。

歐小凡(1994-)，男，在讀本科生，主要研究方向：圖形圖像處理。

Design of HDMI video processing system on aeroplane based on H.265

Chen Shaoxiang,Liu Xingyue, Ou Xiaofan

(School of Information Science and Engineering,Chengdu University ,Chengdu 610106,China)

Abstract:The HDMI video processing system on aeroplane based on H.265 standard has a variety of video preprocessing functions, it helps to improve the video quality.Compared with the video processing system based on H.264 standard,the video compression efficiency of this system is significantly improved,the requirement of HDMI video on aeroplane to the storage space and transmission bandwidth is reduced, so it is convenient for the storage and transmission of video on aeroplane.

Key words:H.265 standard；HDMI (High Definition Multimedia Interface)；video on aeroplane；video preprocessing