一种基于HD-SDI技术的高清图像处理系统设计

设计的数据发送单元由一个DVI编码器和一个PAL编码器组成。其中，DVI编码器将数字信号转换为差分信号，传递给DVI接口高清显示器。DVI接口需实现1080P高清显示，是数据发送单元的关键环节。

针对图像输出接口的不同要求，选择NXP公司的SAF7129实现图像的PAL制式输出;选择TI公司的TFP410实现DVI图像输出。其中，DVI显示为数字信号输出，与传统的VGA模拟信号相比，采用DVI数字信号不会引起像素抖动和相邻像素间的干扰，显示器不会造成几何失真，大大提高了画面质量，显示画面细膩、清晰，因此设计时将DVI接口作为系统的主显示通道。PAL制式为模拟信号输出，可以兼容光电系统在特殊情况下的显示需求。数据发送单元DVI显示连接如图3所示。

TFP410支持从VGA到UXGA(25～165 MHz)格式的像素速率，具有12位双边和24位单边两种输入模式，可以通过I2C总线进行芯片工作模式配置。TFP410主要通过DE引脚的高低电子来决定发送信号类型。当DE为高电平时，发送像素编码数据;当DE为低电平时，发送同步信号以及控制信号。

本设计通过I2C总线来配置编码器，编码器采用24位单边输入模式，单边输入时钟，下降沿触发。采用I2C总线可以快捷地在线调整参数配置，对编码器高速输入信号的时钟沿进行调整，有效减少图像噪声和串扰。

4 图像存储单元

图像处理系统输入一帧1080P高清图像的大小为：

1 920×1 080×16=33 177 600位=30 Mb

选择了CYPRESS公司CY7C1482V33型号的SRAM作为系统图像存储单元，CY7C1482V33存储空间大小为72 Mb，可配置为2M×36位，4M×18位，1M×72位，能同时存下2幅图像。CY7C1482V33支持最高达250 MHz的读写速度，工作电压为3.3 V。

5 FPGA处理单元

FPGA主要完成图像采集、存储、输出显示管理，与DSP之间进行数据交互以及视频的像素级处理，是图像处理系统的核心管理单元，与图像有关的功能框架模块大部分都在FPGA中实现。FPGA功能框图如图4所示。

当数据发送单元传递1920×1080像素图像格式的数据给FPGA后，根据每帧图像20位YCbCr 4：2：2工作模式的要求将亮度和色度信息分开提取。SRAM是单端口存储器，在同一时间只能完成读操作或写操作，因此在输入数据进行滤波后，选用了2M×36位的3片SRAM作为一组片外存储器进行Ping-Pong操作。用输入SDI图像的场同步信号生成一个计数器，每一场对SRAM的读写切换一次。当需要使用一场图像信息时，可及时从一个存储器中读取。与此同时，连续的图像数据被存至另一个存储器中，第3片SRAM则处于DSP读写状态。3片SRAM通过切换，完成一帧图像的保存、处理和输出。

6 软件设计

系统的软件主要包括FPGA和DSP两部分。FPGA负责采集和输出电视图像数据，利用FPGA内部的存储资源，进行字符、十字丝、波门等信息叠加，不仅提高了数据处理速率，而且降低了DSP处理数据时产生帧间延时的可能性。DSP负责通过SPI配置和检测HD-SDI解码器，实现视频模式选择，并根据检测结果确定各个芯片当前的工作状态，此外通过访问图像存储器进行Mean-shift、非对称多向梯度、质心、相关、电子稳像和航迹预测等算法运算。

上电之后，对DSP进行初始化，主要包括片外存储器、SPI、GPIO、外部中断的配置。初始化完成之后，通过SPI向GS2971发送开始解码的指令，向GS2971请求状态信息，等待GS2971进入到解码状态，更新FPGA的采集数据。

DSP从图像存储器得到图像数据后，根据背景的复杂程度和上位机命令执行图像质心、相关跟踪与航迹预测算法。经过DSP图像处理后，判断出锁定的运动目标，并计算出所跟踪目标的角坐标值和跟踪角误差值，传递给上位机进行实时控制。同时把跟踪目标的位置信息叠加到SRAM内相应的视频帧，经DVI通道将电视数据送到高清显示器上显示。

结语

HD-SDI既满足了传输高清图像的要求，又能最大限度保证传输过程的实时性，能够适应当今图像跟踪技术的发展。本文设计开发了基于HD-SDI的高清图像处理系统，与传统模拟图像相比大幅度提高了图像细节质量和跟踪稳定性，为光电系统提供了新的解决方案。可在光电系统的新发展中得到广泛应用，具有良好的应用前景。