【学习笔记】基于H.265标准的机载HDMI视频处理系统设计

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楼主 2021-04-03 16:21:07
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2016年微型机与应用第13期 

作者:陈绍祥,刘星月,欧小凡

摘要:基于H.265标准的机载HDMI视频信号处理系统具备多种视频预处理功能,有利于提高视频质量。与采用H.264标准的视频处理系统相比,该系统的频压缩效率显著提高,降低了机载HDMI视频对存储空间和传输带宽的要求,便于机载视频的存储和无线传输。

0引言

  飞机在飞行过程中,机载仪表、显示终端的相关图表、数据以及机舱内部的视频图像场景需要通过机载视频处理系统进行记录或及时回传到地面,以便于事后分析或实时导航。为了提高飞行的安全性和实现精准导航,要求视频图像具有更高的清晰度,由于高清视频的数据量非常巨大,对存储空间和传输带宽的需求增大,因而要求机载图像处理系统在不大幅牺牲图像质量的前提下尽可能地对海量图像数据进行压缩,以便节省存储空间或降低对传输图1系统结构图带宽的要求[1]。

  机载视频图像的压缩经历了从MPEG1、MPEG2、MPEG4到目前广泛应用的H.264的演进历程,H.265是继H.264之后的最新视频编码标准,该标准于2013年4月13日正式成为国际标准。H.265/HEVC标准的目标是,相比H.264/AVCHP(HighProfile)的图像质量,码率降低50% [23]。

  高清晰度多媒体接口(High Definition Multimedia Interface,HDMI)作为一种先进的高清多媒体视频接口,被广泛用作机载仪表、显示终端及其机载视频采集设备(如摄像机等)的视频输出接口[4]。本文介绍了一种基于H.265视频压缩标准对机载HDMI视频图像进行压缩的视频处理系统,从硬件设计原理的角度介绍了该系统的设计。

1系统结构设计

  本系统主要完成对机载HDMI视频源的采集和压缩处理,因此本系统主要由HDMI接口模块、压缩及控制模块和电源变换模块组成,系统结构如图1所示。

  本系统通过HDMI接口模块接收由机载仪表、显示终端及其机载视频采集设备(如摄像机等)输出的HDMI视频信号,完成HDMI视频信号的解码,并将其转换为标准的BT1120并行视频数据流输入到压缩及控制模块。在压缩及控制模块内部,针对机载视频图像的特点对视频图像进行预处理之后按照H.265标准进行压缩,压缩后的数据流通过机载无线发送设备传输到地面飞行控制中心,也可以通过机载存储设备进行存储。系统原理图如图2所示。

2HDMI视频接口模块的设计 

  HDMI是一种数字化视频/音频接口技术,可同时传送音频和影像信号,最高数据传输速度为2.25 GB/s,可以支持1080P的分辨率,兼容数字视频接口(Digital Visual Interface,DVI)[5]。在本系统中,选用ADI公司的ADV7610作为HDMI视频接口芯片,完成HDMI视频信号的接收和解码。ADV7610是一款高质量、单输入HDMI接收器,支持HDMI 1.4规范规定的所有强制性3D电视格式,最高可达1 600×1 200 60 Hz、8位的分辨率。它集成一个CEC(Consumer Electronics Control)控制器,支持能力发现和控制(CDC)特性。内置一个主分量处理器(CP),提供的功能包括:对比度、亮度和饱和度调整,以及同步对准控制等。

  机载HDMI视频输出接口与ADV7610之间通过3对最小差分变换信号(Transition Minimized Differential Signaling,TMDS)RXA_0±、RXA_1±、RXA_2±来传递三基色(红R、蓝G、绿B)通道信号,采用一对TMDS信号RXA_C±来传递参考时钟信号。通过DDCA_SCL和DDCA_SDA串行接口可以实现高带宽数字内容保护(Highbandwidth Digital Content Protection,HDCP)功能,从而可以接收全部格式的高清HDMI视频信号。RXA_5V用于HDMI接口连接检测,HPA_A用于对外部HDMI接口设备的连接指示,以支持热拔插检测和指示功能。

  在本系统中,为了增强接口的静电放电(ElectroStatic Discharge,ESD)保护能力,在机载视频源和HDMI接口芯片ADV7610之间采用TPD12S520进行隔离。TPD12S520是TI公司推出的专用于HDMI接口的单片ESD保护芯片,支持HDMI 1.3数据速率,0.8 pF的超低I/O电容,TMDS间0.05 pF的匹配电容,±8 kV的接触放电。

  ADV7610视频解码输出格式可以由视频压缩及控制模块通过I2C总线(SCL和SDATA)来进行配置,根据配置不同,可以选择支持8/12 bit ITUR BT.656 4:2:2 YCrCb、16/24 bit ITUR BT.11520 4:2:2 YCrCb或24 bit 4:4:4 RGB格式,定时和同步型号可以内嵌编码中,也可以单独输出HS、 VS 、FIELD等信号。解码后的并行数据和定时信号送到压缩及控制单元进行压缩,音频信号通过I2S接口送到压缩及控制单元进行压缩。

3压缩及控制模块的设计

  HDMI视频信号源经过视频接口模块解码进入压缩及控制模块,该模块主要完成按照H.265标准进行视频数据的压缩工作,同时,该模块也负责对整个系统的配置、管理和控制。

  在本系统中,选用Hi3516A作为压缩及控制模块的核心芯片。Hi3516A是海思公司推出的基于H.265/HEVC标准的高清网络摄像机处理器。Hi3516A处理器采用海思先进的H.265/HEVC算法,改善了H.265/HEVC标准固有的图像振铃效应,极大减少了大运动场景下的拖尾现象和块效应[5]。支持H.264 BP/MP/HP、H.265 Main Profile、MJPEG/JPEG Baseline 编码。

  Hi3516A的视频捕获单元 VICAP(Video Capture)通过 BT656/601、 BT1120 接口接收HDMI视频接口单元输出的并行视频数据。VICAP支持内嵌图像信号处理(Image Signal Processing,ISP)单元,针对机载视频的特点,可以对视频图像进行白平衡调节、降噪、强光抑制、背光补偿、色彩增强、坏点校正、数字防抖、去雾等视频预处理功能,以提高视频质量。经过预处理后的视频数据存入输入图像缓冲区,作为后续进行H.265视频压缩的数据源。

  Hi3516A完成H.265的压缩是由内部的VEDU(Video Encode Decode Unit)单元来完成的,VEDU是一个硬件实现的支持 H.265 视频标准的编码器。VEDU 编码实现了运动估计/帧间预测、帧内预测、运动矢量预测、变换/量化、反量化/反变换、 CABAC 编码及码流生成、 de-blocking 滤波、 SAO 等协议/算法处理。Hi3516A内嵌CotexA7@600 MHz处理器,通过设计相应的应用软件可以完成码率控制和中断处理等编码控制处理。编码压缩后的视频码流存储在码流缓冲区内。

  在本系统中,经过Hi3516A压缩处理后的视频流通过SPI(Serial Peripheral Interface)接口传送到机载无线设备,以便地面控制中心接收。也可以通过USB接口连接存储介质进行存储。为了便于调试或测试,压缩视频流也可以通过网络接口传输到PC进行H.265解压,恢复原始视频。在本方案中,选用RTL8211作为以太网PHY接口芯片,它通过RGMII接口与Hi3516A连接,提供10 MB/100 MB/1 000 MB以太网络接口。

  在本系统中,选用两片H5TC4G63AFR(DDR3SDRAM)提供8 GB存储空间,以满足H.265压缩对于数据缓存空间以及处理器运行对于缓存数据空间的需求。采用256 MB存储空间的SPI Flash芯片MX25L25635和128 GB存储空间的NAND Flash芯片MT29F64G08CFABAWP来存储系统程序和应用程序。

4电源变换模块设计

  由于机载设备大多采用DC 24 V供电,因此,本系统接收外部提供DC 24 V电源(可接收9~36 V范围内变化的直流电源输入),经电源变换模块转换为系统内部需要的3.3 V、1.8 V、1.5 V和1.1 V电源。为避免IO在上电时电流过大,要求3.3 V先于1.1 V上电。电源变换模块原理框图如图3所示。

5测试结果与总结

  通过录制6 min的HDMI视频对本系统进行测试。如果采用H.264的压缩方式,其文件大小为305 MB,而采用本文所设计的基于H.265的视频处理系统来进行录制,其文件大小为75.6 MB,是前者的四分之一,且视频效果相当甚至略好。采用本系统所具备的视频预处理功能能有效地改善机载图像的质量。

  将本文所述的基于H.265标准的机载HDMI视频处理系统应用于机载HDMI视频信号的处理和压缩,可以达到节省存储空间、减少传输带宽的目标。该系统支持图像增强、降噪、去雾和感兴趣区域编码的能力,使得视频、图像更加清晰逼真,便于地面飞行控制中心进行事后分析或实时导航,提高了飞机飞行的安全性能。

参考文献

  [1] 张盛林, 易本顺, 陈欣,等. 新型机载多路音视频记录系统的设计与实现[J]. 电光与控制, 2015,22(8):8086.

  [2] 陈德元. 新一代视频压缩标准H.265应用前瞻[J]. 中国多媒体通信, 2013(7):1719.

  [3] 安然, 王浩全, 张秀林,等. 下一代视频编码标准H.265的核心技术研究[J]. 计算机技术与发展, 2014(4):210213.

  [4] 张锋,常晨晨,曹峰,等.机载大屏幕显示器高速通信系统设计[J].电子技术应用,2014,40(8):1013.

  [5] 张涛, 郑星, 于凤萍. 基于HDMI1.4的多媒体接口转换器的设计与实现[J]. 电声技术, 2012, 36(2):7577.

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