雙路視頻動態特效顯示設計

俞瑾珂

摘 要：課題研究是基于DSP的雙路視頻動態顯示系統，通過串行口實現系統與電腦主機的交互。雙路視頻動態顯示系統包括單路畫面顯示、組合顯示、畫中畫顯示、混合縮放和alpha混合顯示，以雙路視頻分別采集的兩幀圖像作為設計對象進行特效算法的設計和實現。電腦主機可以通過串行口控制DSP系統的特效顯示動態切換。實驗結果驗證了系統設計的正確性，它在多路視頻監控、視覺特效顯示等領域具有比較高的使用價值。

關鍵詞：雙路視頻；特效顯示；混合顯示；多路視頻監控

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.069

現如今，不管是安防系統，還是各種需要實時檢測目標狀態的領域，多路視頻的采集及其按照用戶的各種需求控制視頻顯示方式十分常見。各個行業的技術水平在不斷提高，人們對多路視頻的要求也越來越高，以滿足不同情況下的需求。多路視頻采集及其特效混合顯示是安防、舞臺轉播、新聞轉播等方面的重要組成部分，是一種高效實用的綜合性系統。當然，因為多路視頻的特效混合顯示能夠對多路圖像進行多樣的實時處理，所以，在多種場合都會應用它。隨著計算機和網絡的迅速發展，圖像處理與數字信息傳輸技術也不斷發展，多路視頻的采集及其混合特效顯示也隨之發展，并且在視頻顯示模式上應用了許多圖像處理的算法，提高了圖像質量，使視覺效果越來越好。

現今，多路視頻采集與顯示活躍在各個領域，比如鋼鐵冶煉，利用視頻監控來代替人工監控，有效避免了工人在高溫環境下的作業危險；在農業中，則利用雙路視頻實時記錄農作物的生長情況，以便更詳細地了解農作物的生長；在日常生活中，多路視頻的運用更是數不勝數，包括各種生活的實際需要、娛樂需要和監控需要等。

在視頻、圖像處理中，每一幀圖片都是由分辨率所對應數量的像素組成的，每個像素的表示則是由幾個不同的顏色通道組成，而顏色通道則對應著色彩空間，即用若干維度的變量來表示某一色彩。在色彩空間中，同樣有著如同幾何空間一樣的三維描述方式，它一般會用3種相對獨立的通道來表述顏色，但從不同的角度來描述就會有不同的色彩空間，它們從不同的角度去衡量對象時有不同的側重點。常見的色彩空間有RGB、HSV和YUV等。

本文主要提出了一種基于DSP高速計算系統的實時雙路視頻動態特效顯示設計方案，實驗結果驗證了包括組合特效、混合特效、alpha混合等特效效果設計的正確性。

1 雙路視頻動態特效顯示系統與特效設計

1.1 雙路視頻動態特效顯示系統

本設計以雙路視頻信號采集、處理和顯示為內容，基于DSP硬件平臺，利用視頻解碼芯片和2個捕獲視頻端口VPO、VP1組成了既互相獨立又互相聯系的雙通道視頻捕獲系統，以此實現對輸入視頻的雙通道實時采集。這樣做的目的是設計一種基于DSP的雙路視頻信號實時動態顯示系統，實現多種雙路視頻交互功能，包括單獨顯示、組合顯示、畫中畫顯示和畫面縮放，并支持混合特效顯示，以滿足多種情況下的顯示需求。這是一種低成本的視頻信號特效顯示系統方案。

1.2 雙路視頻動態特效設計

1.2.1 畫中畫特效設計

畫中畫指的是在一段視頻中的一個小面積區域上播放另外一段視頻，而本設計中還添加了畫中畫區域的放大、縮小、移動。它的實現方式是，在576×720分辨率的幀圖片下，利用攝像頭采集到的兩路視頻幀，通過輸出到特定緩存區來改變不同像素的色彩空間值，從而達到畫中畫的顯示效果，繼而再通過主機與DSP的串行通信，實現對畫中畫區域大小、移動等操作。具體操作就是將capFrameBuf_1根據指定的范圍縮小，capFrameBuf_2不變，分別賦值給disFrameBuf的不同區域。畫中畫分為背景與景中畫，所以，需要定義景中畫的范圍，其余的則都是背景。本設計中利用景中畫起始坐標、大小來確定景中畫位置，并且通過串口來控制起始坐標、大小，從而實現對畫中畫整體效果的控制。

1.2.2 混合縮放特效設計

圖像縮放是數字圖像處理中經常用到的，因為設計中需要將某個尺寸的圖片放大或縮小到另一個尺寸，所以，本設計使用了消耗資源最少的最近鄰插值。最近鄰插值是一種比較方便、簡單的縮放方式，縮放方案就是將像素指標設置為相距其最短的像素指標，如圖1所示。在縮小的過程中，如果2∶1縮小，在最近鄰插值中，實際上是簡化4個像素為1個，即直接將左上角的像素指標作為縮小后的像素指標。在放大的過程中，如果1∶2放大，在最近鄰插值中，實際上是將1個像素擴張為4個，即直接以左上角的像素指標作為放大后圖像的4個像素指標。最近鄰插值的優點是方便、簡單、計算量很小、消耗資源少，直接賦值即可，很適合實時性的處理，缺點就是產生的圖像局部有塊狀。

1.2.3 alpha混合特效設計

alpha混合在游戲領域的應用十分廣泛，目的就是實現2幀圖片的可調節的半透明混合顯示。在實現過程中，對于2幀圖片的對應像素，可將其RGB分量按權重相加得到新的像素RGB

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*[基金項目]上海市科委科技支撐項目支持（編號：16441905302）

分量，從而得到alpha混合的初步效果。在alpha混合處理中，它能夠達到2幀圖片的任意比例透明混合，也可以在圖像上添加透明的視覺特效，比如光源、煙霧和火光等。

在alpha混合中，有一個特別需要注意的地方，就是防止色彩的失真。alpha混合算法是在RGB空間進行處理的，所以，對于那些原本不是用RGB色彩空間表示的，就需要轉換，轉換公式為：

公式中有許多浮點數的計算，并且參數經過一定的近似，會在空間轉化過程中造成色彩的失真，并且在alpha混合計算時的乘除法也會造成色彩的失真。因此，在DSP系統的處理過程中，需要控制參數的精度，使程序運行的速度在達到要求的情況下盡量削弱色彩的失真度。當然，最好的方式就是只通過位運算，避免乘除運算。

2 動態特效顯示實驗結果

2.1 畫中畫組合特效顯示

圖2是畫中畫效果的畫面記錄。圖2（a）為初始化景中畫大小的畫面，圖2（b）和圖2（c）為通過串口來控制景中畫大小和位置之后的畫面。圖2（b）是改變大小后的效果，圖2（c）是改變位置后的效果。經實驗測試，畫中畫效果程序周期大概在20幀/s，測試方案是：在程序中添加變量frame記錄處理幀數，運行程序，經過一段時間后暫停程序，記錄frame，再繼續運行程序，經過10 s，暫停程序，記錄frame。2個frame相減除以10就是每秒處理的平均幀數。

2.2 混合縮放特效顯示

圖3為混合縮放效果的實驗記錄，圖3（a）左上角縮小圖為視頻1，整體為視頻2。圖3（b）和圖3（c）是視頻1和視頻2的轉換過程。圖3（d）右上角為視頻2，整體為視頻1。混合縮放實現的是類似各種直播場合切換分會場與主會場的效果。當畫面1為主顯示畫面時，將畫面2縮小置于主畫面的左上角；同理，當畫面2為主顯示畫面時，將畫面1縮小后顯示于主畫面右上角。本設計實現了兩路視頻的顯示切換，同時，保留非主顯示畫面的縮小畫面。

2.3 alpha混合特效顯示

圖4為alpha混合效果的實驗記錄圖，它表現了2幀在不同alpha值下的混合效果。其中，下半部分的圖像沒有處理，是一路原圖像，將上下2幅圖作對比，上半部分圖像的alpha混合效果更為明顯。圖4（a）到圖4（d）分別是alpha值從小到大的一組圖片，圖4（a）視頻1比例最大，圖4（d）視頻2比例最大。文中已經提到，由于視頻數據采集緩存區capFrameBuf里的數據是YUV格式，而alpha混合算法需要的是RGB格式，因此，在轉換過程中，計算誤差等原因會導致色彩失真。圖4中，書架比較亮的地方就出現了色彩失真的情況。在實驗設計中，嘗試對高亮度區域進行限制處理。這樣做，雖然在一定程度上緩解了失真程度，但還是殘留著一些失真的像素。

3 結束語

本文簡要介紹了一個在電腦主機上通過串口控制的雙路視頻特效顯示系統設計方案，它能夠根據用戶需求對兩路圖像進行切換單獨顯示、組合顯示、畫中畫顯示、畫面縮放和alpha顯示等，并在每個顯示特效中控制各種參數的變化，比如畫中畫的畫面大小，支持添加用戶可選的圖像增強算法，以適應不同的拍攝環境。實驗結果表明，畫中畫組合特效、縮放特效、alpha混合特效滿足系統的設計需求，在多種圖像顯示系統中具有比較強的使用性。

致謝：筆者在暑期項目實踐和文中所述研究工作的設計中，得到了上海大學圖像處理實驗室陸小鋒老師和張偉特同學的大力支持。感謝為該設計工作提供實驗條件和儀器設備的所有朋友。

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〔編輯：白潔〕