影視多媒體信息處理器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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摘要:把影視多媒體信息處理和高清LCD顯示技術(shù)結(jié)合在一起，應(yīng)用于攝影取景、演播室導(dǎo)演、導(dǎo)播監(jiān)看、編輯等視頻、音頻的處理和顯示．為實(shí)現(xiàn)智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能，采用了高速視音頻處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)處理影視多媒體信息并顯示即時(shí)圖像，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)色溫控制．高級(jí)特性包括屏幕標(biāo)記、攝影模式、畫(huà)面放大、圖像翻換、單色顯示設(shè)置等功能．該產(chǎn)品是與攝影、廣播傳媒等配套的一款理想的便攜式輕量級(jí)設(shè)備．

關(guān)鍵詞:影視多媒體;信息處理;高清LCD;顯示技術(shù)

隨著影視攝像技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)監(jiān)視器的要求越來(lái)越高．所以，高清數(shù)字顯示設(shè)備必須緊跟整個(gè)數(shù)字高清攝像監(jiān)控市場(chǎng)發(fā)展潮流，不斷創(chuàng)新和提升性能指標(biāo)，才能不斷滿足日益增長(zhǎng)的影視數(shù)字高清攝像監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展．［1］數(shù)字高清和智能技術(shù)是未來(lái)整個(gè)影視數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，對(duì)于攝像后端的顯示設(shè)備，數(shù)字液晶監(jiān)視器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是:低功耗和環(huán)保節(jié)能，超輕薄及高對(duì)比度，多功能和低成本，無(wú)閃爍、全數(shù)字高清顯示、畫(huà)面流暢及視角寬廣．?dāng)?shù)字視頻數(shù)據(jù)的插幀倍頻技術(shù)、視頻處理、智能運(yùn)算技術(shù)、IPS的硬屏顯示全視角技術(shù)，甚至采用安卓技術(shù)等，都將在方寸電路板之間得到實(shí)現(xiàn)．將來(lái)多功能、多元素將成為數(shù)字監(jiān)控顯示設(shè)備的發(fā)展方向，影視攝像市場(chǎng)需求也將呈現(xiàn)多元化、細(xì)分化．［2］本項(xiàng)目是把數(shù)字影視多媒體信息處理和高清LCD顯示結(jié)合在一起，具有智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能．項(xiàng)目產(chǎn)品目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有同類產(chǎn)品，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)．本項(xiàng)目的實(shí)施，不僅有效填補(bǔ)我國(guó)影視多媒體信息處理器的生產(chǎn)空白，具有典型示范作用，而且提升了產(chǎn)品的技術(shù)水平和檔次，可以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，滿足市場(chǎng)發(fā)展需求，以有效推動(dòng)我國(guó)電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，從而提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益．本項(xiàng)目產(chǎn)品不僅適合于專業(yè)領(lǐng)域如電視臺(tái)、大型電視劇、電影制片廠等攝影、導(dǎo)演在拍攝現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，而且可以適用于攝影愛(ài)好者、婚紗影樓、廣告攝影等等，特別是現(xiàn)在興起的微電影．隨著人們生活水平的提高，對(duì)生活質(zhì)量的更高追求，攝影愛(ài)好者的隊(duì)伍壯大，項(xiàng)目產(chǎn)品將越來(lái)越受到不僅是專業(yè)人士，而且是業(yè)余愛(ài)好者的歡迎．

1影視多媒體信息處理器研究和重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)

項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)攝影取景、演播室導(dǎo)演、導(dǎo)播監(jiān)看，編輯等視頻、音頻的處理和顯示．實(shí)現(xiàn)的影視多媒體信息處理功能主要有:可調(diào)色溫控制，高級(jí)特性包括屏幕標(biāo)記、攝影模式、畫(huà)面放大、圖像翻換、單色顯示設(shè)置等，是一款理想的便攜式輕量級(jí)的取景配套監(jiān)視器，可適用于攝影取景、演播室導(dǎo)演、導(dǎo)播監(jiān)看、編輯等應(yīng)用．本項(xiàng)目核心關(guān)鍵技術(shù)包括:(1)產(chǎn)品的系統(tǒng)控制電路采用ARM嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行控制，其速度快，摒棄其他電路的CPU控制相應(yīng)時(shí)間慢的缺點(diǎn)，可提高開(kāi)機(jī)速度及信號(hào)切換速度．(2)產(chǎn)品主要大規(guī)模IC:FPGA采用業(yè)界領(lǐng)先的XLINX7系列;ARM采用STM32用來(lái)做整套系統(tǒng)的控制;DDR3采用2顆DDR3用來(lái)保證統(tǒng)計(jì)高清數(shù)據(jù)所需要的流量．

2影視多媒體信息處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)技術(shù)是基于XILINX7系FPGA的強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，比普通FPGA高出2．5倍，將視音頻處理功能與監(jiān)視器功能集于其內(nèi)部處理，極大地提高了音視頻數(shù)字處理速度及對(duì)圖片的數(shù)據(jù)讀取速度．可處理16．7M色8位RGB輸入信號(hào)，且具有低功耗、高容量、小體積、低成本的優(yōu)點(diǎn)，解決了行業(yè)技術(shù)中存在的功耗大、體積大、高成本、運(yùn)算速度慢等問(wèn)題．項(xiàng)目根據(jù)影視多媒體信息處理的需要、智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能的要求進(jìn)行產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)，采用單片F(xiàn)PGA為核心元件+ARM處理器，利用FPGA的強(qiáng)大并行運(yùn)算能力，對(duì)信號(hào)輸入選擇、硬件圖形處理、并行數(shù)據(jù)處理體系、單通道超寬帶數(shù)據(jù)容量、全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)高速音視頻處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理影視多媒體信息并顯示即時(shí)圖像．其硬件電路組成由HDMI環(huán)路處理電路、圖像/音頻/數(shù)據(jù)/處理電路、輔助功能處理、音頻處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、TFT－LCD液晶顯示屏等組成．所設(shè)計(jì)的電路圖如圖1所示．實(shí)現(xiàn)的影視多媒體信息處理功能有:峰值輔助對(duì)焦、偽色彩、音頻柱、九宮格局部放大、亮度直方圖、RGB直方圖、曝光提示、波形圖、單色顯示(紅/綠/藍(lán)/黑白)、過(guò)掃描/欠掃描、矢量圖、中心標(biāo)記、框型標(biāo)、輔助對(duì)焦、鏡像模式(U/D，L/R)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式、色溫調(diào)整、5DII相機(jī)模式等．根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的功能要求，編制相應(yīng)的控制軟件．［3］項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用了一種基于ARM+FPGA的高速數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，所選用的ARM體系結(jié)構(gòu)是32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)，該微處理器擁有豐富的指令集，并且軟件編程靈活;FPGA在速度和并行運(yùn)算方面具有很大優(yōu)勢(shì)，適合數(shù)字音視頻處理的實(shí)時(shí)性要求，使項(xiàng)目產(chǎn)品在使用性能和整機(jī)價(jià)格上，與行業(yè)的同類產(chǎn)品比較更具競(jìng)爭(zhēng)力．［4］2．1音視頻信息處理在讀取圖片的輸入信號(hào)后，將圖片的亮度、對(duì)比度、色度音頻等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模式，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，并與視頻數(shù)字信號(hào)比較計(jì)算后，轉(zhuǎn)換為OSD，嵌入數(shù)字視頻信號(hào)中，然后在屏幕上顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目產(chǎn)品的附加功能．2．2采用ARMCortexM3架構(gòu)微處理器的系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)ARMCortex－M系列是為那些對(duì)開(kāi)發(fā)費(fèi)用敏感同時(shí)對(duì)性能要求不斷增加的嵌入式應(yīng)用(如微控制器、汽車車身控制系統(tǒng)和各種大型家電)所設(shè)計(jì)的，主要面向單片機(jī)領(lǐng)域．本項(xiàng)目將其移植為本機(jī)的系統(tǒng)控制器．［5］(1)ARMCortexM3為32位處理器，具備指令與數(shù)據(jù)共用信號(hào)總線和存儲(chǔ)器，因?yàn)橹噶詈蛿?shù)據(jù)可以同時(shí)從存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取，所以處理器可以對(duì)多個(gè)操作并行處理和執(zhí)行，提高了應(yīng)用程序的執(zhí)行速度．而監(jiān)視器的使用，會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境的變化而需要對(duì)一些模擬量進(jìn)行變動(dòng)，ARMCortexM3系統(tǒng)則根據(jù)面板按鍵的操作及視頻信號(hào)的變量，同時(shí)做出執(zhí)行，與FPGA配合，加快了影視多媒體信息處理器的開(kāi)機(jī)速度和操作速度．開(kāi)機(jī)時(shí)間一般可做到在3s以內(nèi)．而ARMCortexM3系統(tǒng)的擴(kuò)展使用，還可以外接LAN網(wǎng)絡(luò)端口，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視器的遠(yuǎn)程模擬量控制．［6］(2)ARMCortexM3系統(tǒng)還可以在人機(jī)對(duì)話中(按鍵面板操作中)，將其中的四個(gè)按鍵設(shè)置為客戶可自定義鍵，客戶可以根據(jù)各自的使用習(xí)慣，將自己喜愛(ài)的功能操作進(jìn)行自定義設(shè)置，在面板按鍵直接操作，而不必進(jìn)入OSD進(jìn)行，提高了操作的快捷性．(3)ARMCortexM3系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)界面上可以靈活地應(yīng)用，將來(lái)甚至可以開(kāi)發(fā)出動(dòng)畫(huà)開(kāi)機(jī)界面，滿足不同客戶的需求，提高產(chǎn)品的附加值．2．3系統(tǒng)控制電路的實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目產(chǎn)品的系統(tǒng)控制電路采用ARM嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行控制，其速度快，可提高開(kāi)機(jī)速度及信號(hào)切換速度．項(xiàng)目產(chǎn)品采用的主要大規(guī)模IC:FPGA采用業(yè)界領(lǐng)先的XLINX7系列;ARM采用STM32用來(lái)做整套系統(tǒng)的控制;DDR3采用2顆DDR3用來(lái)保證統(tǒng)計(jì)高清數(shù)據(jù)所需要的流量．［7］在現(xiàn)實(shí)的采集與顯示過(guò)程中，視頻轉(zhuǎn)換接口功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)以下步驟來(lái)完成:(1)對(duì)接收到的ITU－RBT．ITU656數(shù)據(jù)流解交織處理;(2)對(duì)解交織處理后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換處理;(3)將轉(zhuǎn)換處理后的每個(gè)像素的RGB值寫(xiě)入存儲(chǔ)器中;(4)從存儲(chǔ)器中讀出像素的RGB值，并將其轉(zhuǎn)換處理成TMDS碼元序列;(5)從存儲(chǔ)器中讀出像素的LVDS值，并將其傳送到LCD顯示屏進(jìn)行圖像顯示．［8］

3結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目根據(jù)攝影取景、演播室導(dǎo)演、導(dǎo)播監(jiān)看、編輯等的影視多媒體信息處理的需要，應(yīng)用智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)．項(xiàng)目產(chǎn)品采用單片F(xiàn)PGA為核心元件+ARM處理器，利用FPGA的強(qiáng)大并行運(yùn)算能力，對(duì)信號(hào)輸入選擇、硬件圖形處理、并行數(shù)據(jù)處理體系、單通道超寬帶數(shù)據(jù)容量、全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)高速音視頻處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理影視多媒體信息并顯示即時(shí)圖像．并且進(jìn)行項(xiàng)目產(chǎn)品的軟硬件調(diào)試，最后進(jìn)行外殼設(shè)計(jì)，完成項(xiàng)目產(chǎn)品研制．該項(xiàng)目2017年列入福建省項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(閩發(fā)改投資【2017】253號(hào))．產(chǎn)品經(jīng)漳州市計(jì)量所檢驗(yàn)合格．產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此類產(chǎn)品研究和生產(chǎn)的技術(shù)空白，具有技術(shù)首創(chuàng)性和較好的技術(shù)意義，也具有較高的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)潛力．

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作者:張建國(guó) 單位:漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院