机载视频叠加单元的设计与实现
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Airborne video overlay unit design and implementatio
ZHAO Wei-na1， LIU Zhi-peng2 （1. Xi’an Branch of China Mobile Shaanxi Mobile， Xi’an 710075， China； 2. School of Electronic and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China）
DOI:10.14022/ki.dzsjgc.2014.21.042
视 频 叠 加 技 术 因 其 高 集 成 度 ，低 成 本 、可 重 复 使 用 和 高 DSP+FPGA 实现 视 频 信 号 的 叠 加 处 理 ，虽 然 FPGA+DSP 的 方
机 动 等诸 多 优 势，已 被 广 泛应 用 于 军事 、民 用 、科 学 研 究 等 领 案 增 加 了 设 计 成 本 ， 但 是 降 低 了 系 统 的 开 发 难 度 ，FPGA 与
第 22 卷 第 21 期 Vol.22 No.21
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2014 年 11 月 Nov. 2014
机载视频叠加单元的设计与实现
赵维娜 1， 刘智朋 2 （1. 中国移动通信集团陕西有限公司西安分公司 陕西 西安 710075；
2. 西北工业大学 电子信息学院， 陕西 西安 710129）
为了实时显示航空电子系统的动力显示数据，比如飞机 油量数据，导航地图、发动机引擎等装置监测数据，航空电子 系统需要将两幅甚至更多视频源叠加到一起，即需要进行视 频叠加处理；任务管理计算要求机载视频采集模块支持不同 格式不同分辨率的叠加， 叠加子图和叠加底图格式支持 PAL -D 和 VESA 格 式 ， 叠 加 子 图 分 辨 率 支 持 360x288、 720x288、720x576 等 ，叠 加 底图 分 辨 率 支 持 640x480、720x576 等。 叠加方式可以实现覆盖叠加、半透明叠加等；在隐藏叠加 底图时，在 VGA 显示器上单独显示叠 加 子 图，也 可 对 叠加 子 图 进 行 切 换 以 显 示 各 个 叠 加 子 图 ；FPGA 中 逻 辑 叠 加 框 图 如 图 2 所 示[4]。
域 。 视 频显 示 技 术是 航 空 电子 系 统 最基 本 的 功 能 之 一 ，早 期 DSP 模块 功 能 划分 明 确 ， 数 据 采 集 与 数 据 处 理 相 互 独 立 ，非
的航空电子系统一般包括监控视频显示界面、导航地图显示 常利用后续电路系统升级，在此硬件架构上，只需要更换相
画面、飞行速度显示仪表、飞行高度显示仪表等组成，视频显 应处理软件及逻辑，就可将本设计应用于工业监控、军事系
示画面较多而且监控显示器众多，无法使驾驶员方便快捷地 统、医疗卫生以及民用生活等领域。
获取到外界视频显示信息。
传统的基于 DSP 视频 叠 加技 术 耗 时较 长 ，因 此难 以 满 足
随着显示集成度的提高，航空电子系统监控视频显示界 高速航空电子系统量、发动机
电 子 产 品 ，能 源 就 意 味 着 生 命 ，而 传 统 地 利 用 纯 DSP 硬 件 架 耗时间。
构进行复杂图像处理时， 图像处理运算量大而且功耗大，当 航空电子系统存在多路外视频源时，不同源视频之间的显示
1 无人机红外图像处理系统方案
切换，使得系统实时性较差，不能够精确显示监测画面。 故本
图 1 机载视频系统框图 Fig. 1 Airborne video system diagram
2 视频数据处理
视 频 采 集 为 符 合 ITU-R BT.656 标 准 码 流 结 构[3]，8bit 并 行 数据 ，其 每 行总 采 样 点数 为 864 点 ，行 有 效 点 数 为 720 点 ， 总 行 数 625 行 ，有 效 行 数 为 576 行 ，采 集 数 据 经 过 FPGA 内 部双 FIFO 乒 乓 缓存 于 数 据缓 冲 区 ， 为了 准 确 的采 集 视 频 数 据，系统采用行和列计数器的方式，并且行场严格同步；本设 计 外 部 具 有 4 路 外 视 频 源 ，4 路 采 集 视 频 数 据 经 过 FPGA 预 处理，最后以叠加复合的形式展现在监视器上，视频叠加复 合可实现 4 路外视频的同 时同 步显示[3]。 2.1 视频叠加需求
Abstract: Video overlay technology has been widely used in avionics display systems， high-speed flight state aviation aircraft can quickly and accurately without jitter display specific goal of becoming a video display technology research. The traditional DSP-based image overlay technology， high-power， and real-time image transmission efficiency is low， with the development of avionics technology， which increasingly difficult to meet the real-time display of video signals aviation aircraft. The design of the traditional DSP video processing hardware platform， constructed an improved video capture capture platform， and the corresponding hardware implementation logic， and achieve the results， and the results show that the design and smooth screen video overlay display technology without jitter， with good superposition effect. Key words: video overlay； avionics； DSP； video capture
平台上[1]，构造出一种改进的视频采集捕获平台，并提出相应的硬件实现逻辑以及实现结果，处 理 结果 表 明 ，本设 计 视
频叠加显示技术画面流畅无抖动，具有良好的叠加效果。
关键词： 视频叠加； 航空电子； DSP； 视频采集
中图分类号： TN919.6+4
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2014）21-0145-04
本设计视频叠加技术硬件平台是基于某型号任务管理
设 计 对 传 统 视 频 处 理 硬 件 平 台 进 行 了 相 应 的 改 进 ， 利 用 计算机视频处理模块，为了满足航空电子监视系统全方位无
收 稿 日 期 ：2013-12-28
稿 件 编 号 ：201312230
盲 角 监 控 ，视 频 处 理模 块 外 部 包 含 4 路 PAL 摄 像 头 ，分 别 监
作者简介：赵维娜（1987—），女，陕西渭南人，硕士，助理工程师。 研究方向：宽带无线通信的高速数据传输。
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《电子设计工程》2014 年第 21 期
控前 后 左 右四 个 方 向， 由 SAA7113 负 责 完 成 PAL 视 频 的 模 数转换，FPGA 完成视 频采 集 数 据的 预 处 理，以 及 后 期的 视 频 叠 加 显 示 处 理 ，DM648 负 责 完 成 视 频 信 号 的 增 强 去 雾 等 ；本 设 计 FPGA 采 用 Xilinx 公 司 的 XC5VLX330T 芯 片 ， 它 具 有 11664Kb Block RAM/FIFO，51840 Slices，331776 逻辑 单元，逻 辑 量 相 当 大 ，具 有 192 个 DSP48E，而 且 每 个 DSP48E 包 含 一 个 25×18 乘 法 器 、一 个 加 法 器 和 一 个 累 加 器 ，足 以 满 足 本 设 计视频图像的预处理以及显示处理；视频图像增强去雾处理 器采用 TI 公司 的 DM648，DM648 是 一 款 专用 视 频 处理 芯 片 ， 具 有 5 个 可 配 置 视 频 端 口 （VP0，VP1，VP2，VP3，VP4）， 支 持 多种解决方法和视频标准， 这五个视频端口是可配置的，并 能提供视频捕获和/或视频显示模式，非常方便数字视频之间 的相互通信；本设计机载视频系统框图如图 1 所示[2]。
本文 利 用 高 性 能 FPGA 并 行 执 行 指 令 的 特 点 ，多 路 外 视
引擎等信息的显示全部由视频监视器显示，视频叠加技术是 频并行采集，数据采集和数据处理相互独立，大大提高了视
实现电子综合显示系统图像混合的关键技术之一。 对于航空 频信号显示的实时性，缩短了视频信号预处理、后处理的消
摘要： 视频叠加技术已经广泛应用于航空电子显示系统，高速飞行状态中的航空飞行器能否快速准确无抖动地显示
特定目标成为视频显示技术领域研究的重点。 传统的基于 DSP 的图像叠加技术，功耗较高，且图像实时传输效率低，
随着航空电子技术的发展，其越来越难以满足航空飞行器视频信号的实时性显示。 本设计在传统 DSP 视频处理硬件
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图 3 同步信息提取 Fig. 3 Synchronization information extraction 2.1.2 视频信号复合 设计要求多路视频最后混合显 示 于 同一 块 PAL 屏 上，对 于不同的 PAL 视频源，必须对外视频 源 信息 进 行 相应 的 缩 放 处理才可以将多路外视频以复合方式展现于监视器上。 视频 采 集 模 块 要 求 4 路 PAL 视 频 最 终 以 复 合 的 形 式 显 示 于 PAL 监 视 器 上 ， 且 视 频 复 合 要 求 4 副 图 像 分 辨 分 别 为 720*288、 180*288、180*288、180*288， 而 PAL 视 频 解 码 后 分 辨 率 为 720*576，故必须进行缩放拼接处理。 系统要求分辨率与原始 图像分辨率都是整数倍关系， 因此只要实现像素抽取即可， 即向输出目的地址写入数据时， 判断该像素是否需要写入， 如果不需要写入，则直接抛弃即可。 2.2 视频叠加 FPGA 逻辑算法 系统采用 α 叠加[6]，alpha 叠加是 alpha 混合（alpha mixing） 技术的一种应用，即一幅图像或视频源覆盖到另一种视频信 号 上 。 alpha 叠 加 中 的 在 叠 加 系 数 为 0.5 时 称 为 “半 透 明 叠 加”，其中透明指使图像中部分颜色不可见。 一般使叠加子图
