一种机载XGA视频信息采集的设计与实现

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  摘 要 现代飞机的视频显示系统在机载电子系统中占有越来越重要的地位,具有高分辨率、高品质、大容量、多路抽引的新特点。XGA作为一种数字视频技术,在现代飞机的视频显示系统中得到了广泛应用。本文首先简单介绍了XGA视频信号的特点,其将行场同步信号通过特定变换转换成为共模信号叠加到R、G、B差分信号上。针对这一特点,采用模块化设计思路,实现了对XGA视频信号的采集。
  关键词 XGA;行场同步信号;AD8145;H.264
  中图分类号:TN911 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2015)04-0043-01
  随着机载视频技术的飞速发展,具有良好人机交互功能的视频显示系统在现代飞机的机载电子系统中占有越来越重要的地位。机载视频可以非常直观地反应出飞机上设备的工作情况,为现代飞机安全有效地飞行提供了有力保障。现代飞机的机载电子系统日趋复杂,电子设备之间多采用数据总线的方式进行数据传输,传输数据量大,设备之间响应时间短,视频显示质量不断提高,这就需要机载视频系统能够实时地显示出各个飞机设备的工作状态[1],并且动态地更新三维电子地图等信息。因此,机载视频具有了高分辨率、高品质、大容量、多路抽引的新特点[2]。XGA作为一种数字视频技术,能够满足机载视频技术的传输要求,在现代飞机中得到了广泛使用。本文针对机载XGA视频的采集技术进行了研究。
  1 XGA视频简介
  XGA视频属于VGA视频的一种,采用三线制传输,是将行、场同步信号通过特定变换转换成为共模信号叠加到R、G、B差分信号上。R、G、B差分信号源来自数模转换器,通过放大器驱动75 Ω负载。当数模转换器使用±5V供电时,MID_Supply =0V。行、场同步输入为高电平时,VS、HS为1;行、场同步输入为低电平时,VS、HS为-1。
  行、场同步在R、G、B上形成的共模电压计算公式为:
  R=K*(VS-HS)/2+MID_Supply
  G=K*(-VS)+MID_Supply
  B=K*(VS+HS)/2+MID_Supply
  视频信号时序符合视频信号标准(VESA)的时序标称值[3]。当使能信号为低电平时,行、场信号处于消隐期。
  高速率的XGA接口信号可能引起比较严重的同步问题,行、场信号不同步将损害图像的空间清晰度,导致信号失锁或图像显示不正常[3]。因此在对XGA视频进行采集时需要格外注意行、场信号的同步。
  2 XGA视频采集的系统设计
  XGA视频采用三线制传输,在信号采集之前,需要先将XGA视频信号从差分信号转换为单端信号,并解调出行、场同步信息。因此XGA视频的采集主要包含信号转换和解调、信号采集以及压缩编码三个部分。
  2.1 信号转换和解调
  信号转换和解调主要由AD8145完成。AD8145时一款三路、低成本、差分至单端接收器,专为通过双绞线电缆接受RGB视频信号而设计。其最高带宽可到500MHZ,0.1%快速建立时间高达12ns,输入端低噪声为13nv/HZ,高差分输入阻抗1MΩ。按照前述共模电压计算公式,通过AD8145将输入的三组差动RGB信号转换为单端RGB信号,并解调出了行、场同步信息。
  2.2 信号采集
  AD9880将选择的输入转换为一个并行YC视频和相应的时间信号,并将这些转换后的信号传输至存储器格式程序以及时间码插入发生器。
  YC视频数据将会与一个帧中的32位图像数据字相结合。光栅时间信号将会标识帧中每个数据字的位置。
  时间码插入发生器将会合成来自系统时间码值的数字字符,并将其叠加至图像数据字。光栅时间信号将会标识图像中时间码字符的位置。
  系统会将该存储写入数据编排为存储数据块格式,之后,将存储数据块写至一个存储器通道0帧缓冲器中。来自帧缓冲器的数据块会被重新编排为视频输出格式,系统会将该视频输出传送至视频端口连接器中。最后,这些连接器将视频数据和时间信号通过内部总线传送给系统中邻近的板卡。
  存储控制器会正确安排存储器的写入和读取操作,同时还会向视频端口连接器提供时间信息。
  2.3 压缩编码
  压缩编码模块采用DSP+FPGA的硬件压缩方法实现压缩编码过程,系统具有压缩速率高、占用系统资源少、实时性好的优势[4]。XGA视频码流输入至FPGA缓存后送至DSP编码,同时从DSP中取出压缩码流传送至SPI总线。
  系统采用了H.264压缩算法。H.264算法是为适应对运动图像压缩率的更高要求, 并使得编码后的视频数据能够在各种网络环境下更快传输。其编解码流程主要有:帧内预测、运动估计、整数变换、量化以及熵编码。由于编码并不是无损的,这就会引起重构之后块间的亮度存在较大的落差,图像可能会出现马赛克现象,影响人的视觉感受。为了消除这种块效应现象,H.264采用了一个自适应的环路滤波器,能有选择性地对块间信号滤波,平滑块间信号,提高图像质量。重构后的帧更接近原始帧,有利于下一帧的运动补偿和预测,减少预测残差[5]。H.264算法在同等图像质量下的压缩效率比以前的标准提到了2倍以上。
  3 总结
  本文首先对被测对象XGA视频信号进行了简单介绍,特别是对XGA信号中行、场同步信号叠加到R、G、B差分信号这一特点进行了详细说明。针对XGA视频信号的特点,结合机载测试的专业需求,设计了一种模块化的XGA视频信号采集系统。该系统由信号转换和解调、信号采集以及压缩编码三个部分组成,最终实现对XGA视频信号的采集。经过验证,该系统采集的视频信号准确可靠、流畅清晰,完成了系统设计的预期目标。
  参考文献
  [1]江娟娟.基于DSP系统的机载液晶显示器图形反走样研究[D].西安:西安科技大学,2007.
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  [4]赵保军,史彩成.基于FPGA和DSP实现的实时图像压缩[J].电子学报,2003(9):1317-1319.
  [5]刘庆利,田秀华.基于新一代视频压缩编码标准H.264的研究[J].软件导刊,2008(9):93-95.
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