探究SoPC的OSD控制器設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，在視頻顯示終端的原始圖像上額外疊加一些文字信息或圖形界面，向用戶提供更多的附加信息已不再是什么難事，通過屏顯示系統(tǒng)OSD（On Screen Display）就能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能。近年來，OSD的設(shè)計受到越來越多的關(guān)注［1］，OSD系統(tǒng)已然成為用戶與顯示終端之間交互的橋梁。

OSD系統(tǒng)通常采用專用芯片實現(xiàn)［2-4］，這類方案或是以專用芯片內(nèi)部微控制器作為核心，或是以外部單片機作為控制核心。由于OSD技術(shù)對同步時序的要求非常嚴格，所以用微控制器控制時序的可靠性較差［5］。隨著視頻顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，市場對電路集成度和視頻數(shù)據(jù)處理速度的要求越來越高（同步時序要求更嚴格），采用專用芯片的實現(xiàn)方案越來越難以滿足要求。很多廠商早已開始將OSD功能集成到一塊包含其他功能模塊的芯片上（即片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）），國外一些廠商推出了采用FPGA實現(xiàn)OSD功能且具有知識產(chǎn)權(quán)的IP核，但其硬件實現(xiàn)技術(shù)一般處于封鎖狀態(tài)；國內(nèi)也有采用FPGA實現(xiàn)OSD功能的研究［5-8］，但仍處于探索階段。因此，研究OSD功能的FPGA實現(xiàn)方案具有深遠意義。

據(jù)此，本文提出一種基于SoPC的OSD控制器實現(xiàn)方案。該方案應(yīng)用了一種OSD界面自定義布局方法和一種改進型二步索引算法［7］，以軟硬件協(xié)同的方式著重實現(xiàn)在源視頻圖像上疊加一個可自定義布局風格的OSD界面，整體上可實現(xiàn)自定義OSD功能。

1 OSD控制器的總體設(shè)計

本OSD控制器使用自定義OSD界面布局方法。首先基于像素掃描坐標在OSD界面內(nèi)劃分出字符顯示區(qū)，將剩下的區(qū)域作為背景區(qū)，并基于OSD界面內(nèi)一起止坐標可調(diào)的矩形區(qū)域（如圖1中的矩形區(qū)域5）將背景區(qū)分為9個矩形區(qū)域，對不同區(qū)域選擇輸出所配置顏色的像素數(shù)據(jù)，并直接與源視頻像素數(shù)據(jù)進行透明度混合運算輸出，以此實現(xiàn)圖像的疊加，同時省去OSD幀緩存的存儲資源消耗。

基于以上方法的OSD控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸入視頻信號首先經(jīng)過視頻輸入接口（圖2虛線框內(nèi)部分）提取出源視頻信號中的像素掃描坐標及RGB像素數(shù)據(jù)；OSD區(qū)域識別模塊基于像素掃描坐標判斷當前所在位置，并發(fā)出相應(yīng)標識信息，在整個數(shù)據(jù)處理過程中，軟核系統(tǒng)通過寫OSD配置寄存器組及字型碼存儲器讀寫接口，實現(xiàn)對OSD電路運行狀態(tài)的實時控制；像素數(shù)據(jù)選擇輸出模塊基于標識信息選擇輸出相應(yīng)顏色的像素數(shù)據(jù)至后級；alpha混合運算處理模塊完成OSD界面像素數(shù)據(jù)與從源視頻信號中提取出的RGB像素數(shù)據(jù)的透明度混合運算處理；處理后視頻信號輸出至顯示接口。

2 OSD控制器硬件平臺的實現(xiàn)

根據(jù)實際情況，選擇以Xilinx公司XC7K325T-2FFG900為核心芯片的Kintex7 FPGA開發(fā)板作為OSD控制設(shè)計的硬件平臺，采用內(nèi)嵌MicroBlaze軟核的系統(tǒng)作為上位機。該開發(fā)板配有一定數(shù)量的I/O和各種數(shù)據(jù)接口，另外通過USB電纜將PC與Kintex7連接起來就能進行編程調(diào)試，使用方便可靠。圖3所示為基于該硬件平臺的OSD控制器系統(tǒng)框圖。

2.1 SDI接口與HDMI接口模塊

輸入視頻信號是數(shù)據(jù)格式為YUV的 20 bit串行數(shù)字接口SDI（Serial Digital Interface）信號，該模塊首先將YUV444轉(zhuǎn)換為YUV422，再轉(zhuǎn)換為30 bit的RGB（各分量占10 bit）像素數(shù)據(jù)并將其作為整個處理過程的數(shù)據(jù)格式，從時序信號中提取出視頻像素掃描坐標（X_scan，Y_scan）。為節(jié)省視頻圖像幀緩存資源，采用了高清晰度多媒體接口HDMI（High Definition Multimedia Interface）將處理得到的數(shù)據(jù)輸出顯示。

2.2 軟核系統(tǒng)模塊

通過Xilinx 公司ISE（Integrated Software Environment）內(nèi)嵌的XPS（Xilinx Platform Studio）軟件可以搭建以MicroBlaze軟核處理器為控制核心的、具有AXI總線架構(gòu)的軟核系統(tǒng)，本設(shè)計中選擇添加了axi_gpio接口組件和IIC_MAIN接口組件IP，另外自定義OSD配置寄存器組件layer、chars和字型碼存儲器讀寫接口index組件。

其中，axi_gpio接口組件與外部按鍵和LED相連，以實現(xiàn)對按鍵的檢測及相關(guān)狀態(tài)的顯示；IIC_MAIN接口組件則作為軟核對內(nèi)部SDI信號接口模塊的視頻配置通道；自定義組件chars和layers分別為與字符顯示屬性和OSD界面屬性相關(guān)的配置寄存器組；自定義組件index用于暫存軟核寫入的待顯示字符索引號信息，并作為訪問字型碼存儲器的接口，產(chǎn)生相應(yīng)的訪問地址。圖4所示為本軟核系統(tǒng)中各組件及其地址分配情況。

2.3 OSD配置寄存器組

組件chars和layers作為OSD配置寄存器組，每個組件最多包含32個32 bit的寄存器，這些寄存器位的含義可根據(jù)需要進行自定義。

對于chars組件，定義為32個字符串或進度條顯示區(qū)的配置寄存器，其含義如表1所示。

本設(shè)計OSD界面的進度條顯示區(qū)和字符顯示區(qū)是分時復(fù)用的，且字符串所代表的含義也會有不同類別（如主、子菜單項和設(shè)置項等），因此采用D31~D29編碼來體現(xiàn)這些差異。

組件layer中包含了與OSD界面屬性配置相關(guān)的寄存器，如起點坐標（X_osd，Y_osd）、長L_osd、寬W_osd、布局坐標、各區(qū)域顏色和透明度等參數(shù)配置寄存器，共23個。

2.4 a_blending模塊

本模塊是整個OSD控制器的數(shù)據(jù)處理中心，依次完成圖2所示的OSD區(qū)域識別、像素數(shù)據(jù)選擇輸出和alpha混合運算處理等過程。在區(qū)域識別模塊檢測到當前像素掃描坐標處于字符顯示區(qū)時，該模塊發(fā)出讀字型碼請求以獲取相應(yīng)點陣編碼信息，在背景區(qū)則直接輸出相應(yīng)標識信號。后級模塊根據(jù)點陣編碼信息、區(qū)域標識信息及相關(guān)配置信息選擇輸出相應(yīng)像素數(shù)據(jù)，最后完成與源視頻像素數(shù)據(jù)的alpha混合運算處理。將alpha混合算法中的浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為兩個2的冪次數(shù)的除法，便于硬件通過移位實現(xiàn)乘除運算，通過軟件對冪次數(shù)的設(shè)置實現(xiàn)對透明度的實時控制。

3 OSD控制器的軟件設(shè)計

基于OSD控制器的軟件平臺，在Xilinx的SDK（Software Development Kit）開發(fā)環(huán)境中編寫控制、顯示等應(yīng)用程序，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、按鍵控制、OSD界面設(shè)計、字符顯示控制等功能。

系統(tǒng)在復(fù)位后對視頻輸入接口電路進行初始化，之后進入按鍵控制子程序，按鍵將引導(dǎo)系統(tǒng)進入OSD界面設(shè)計模式或者OSD工作模式，各模式將根據(jù)后續(xù)按鍵情況調(diào)用OSD界面設(shè)計子程序和字符顯示控制子程序。主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與運行結(jié)果

4.1 實驗效果

如圖6所示為1 280×720分辨率的源視頻圖像上疊加的兩種720×360分辨率的自定義OSD界面（截圖），界面顯示狀態(tài)可由軟核（上位機）實時控制。

圖6（上）中的布局坐標將OSD界面平均分成9個區(qū)域，各區(qū)域顏色、透明度均不同，界面下欄MENU1~12為12個主菜單字符串顯示區(qū)；左欄SON1~SON6為6個子菜單字符串顯示區(qū)；右上部分區(qū)域定義了6個設(shè)置菜單字符串項SET1~SET6及一個進度條顯示區(qū)；最上方定義了一個當前選中設(shè)置項信息提示字符串顯示區(qū)。這些字符串/進度條顯示區(qū)的位置、顏色等屬性均為實時可調(diào)的，在數(shù)量上也可根據(jù)需要增減。而圖6（下）是對布局坐標及所產(chǎn)生的9個區(qū)域顏色、透明度參數(shù)進行了一定調(diào)整后形成的另一種界面。

4.2 資源消耗統(tǒng)計與分析

本OSD控制器模塊所占用片內(nèi)存儲資源主要消耗在字型碼存儲器、索引號存儲器的實現(xiàn)以及軟核系統(tǒng)平臺對實現(xiàn)字符串顯示而進行的程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲。

對于軟核系統(tǒng)平臺在OSD控制器實現(xiàn)方面的資源消耗，自定義組件index、chars及l(fā)ayers各占4 KB，共計12 KB；axi_bram_ctrl_0組件用于存儲實現(xiàn)OSD控制器模塊字符串顯示的程序數(shù)據(jù)，共用了64-16=48 KB。綜上所述，OSD控制器模塊最多消耗存儲資源為2.1 KB+1 KB+12 KB+48 KB=63.1 KB。

在具體實現(xiàn)硬件電路時，多余的資源消耗將會被優(yōu)化，因此OSD控制器模塊實際消耗的存儲資源將小于63.1 BK。圖7所示為添加OSD控制器模塊前后系統(tǒng)生成的片內(nèi)RAM資源消耗報告表。由圖可知OSD控制器模塊消耗12個RAM36E1/FIFO36E1s，即12×（36/8）=54 KB。

而對于采用OSD界面幀緩存的設(shè)計方案，即使實現(xiàn)720×360的4色圖像界面顯示，至少也要消耗存儲資源2×720×360/8/1 024=63.281 25 KB，這還不包括系統(tǒng)在其他方面的資源消耗。若要實現(xiàn)更多色彩圖像的顯示，則存儲資源消耗將會成倍地增加。

OSD作為人機交互的橋梁，是視頻處理模塊的重要組成部分，而當前市場對視頻處理模塊電路集成度和數(shù)據(jù)處理速度要求越來越高。本文提出了一種基于SoPC的OSD控制器設(shè)計方案，其中應(yīng)用了一種自定義界面布局方法和一種改進型二步索引算法，節(jié)省了系統(tǒng)的存儲資源開銷。另外對透明度混疊算法進行了取整變換，使之便于FPGA硬件實現(xiàn)及軟件控制?？傮w上該方案以軟硬協(xié)調(diào)的方式實現(xiàn)OSD控制器功能。實驗結(jié)果表明，該控制器極大地節(jié)約了資源，并且在實現(xiàn)OSD功能時也有很好的靈活性。

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