（光学工程专业论文）基于H264的无线远程LED全彩屏控制系统.pdf

华南师范大学硕士学位论文 第一章 摘要 l e d 全彩显示屏应用发展迅速。在国内城市中越来越多的广场屏，广告屏 被应用。国外l e d 全彩屏市场同样发展迅猛。目前的l e d 显示屏一般把设计 好的图像储存在系统硬件( 如f l a s h 或r o m ) 里，或者利用计算机现场输入信号 实现视频功能，存在灵活性不高的弊端。此外，多数系统均采用r g b 信号或者 电视制式信号直接用传输，这严重影响了传输速率且增大了显示屏图像处理的信 号量。 本论文旨在通过设计先进的新型l e d 全彩显示屏控制系统，实现技术创新 的目标，达到设计出自主知识产权的先进l e d 全彩屏控制系统的目的。主要工 作如下： ( 1 ) 利用最新的视频压缩算法h 2 6 4 标准对视频进行压缩。借助h 2 6 4 对流 媒体的高压缩率，减少了数据传输量，实现高质量的图像传输。压缩后适应无线 网络现有网络带宽限制，实现无线网络传输。 ( 2 ) 引入了i n t e r n e t 与现有g p r s ( e d g e ) 网络技术实现无线网络传输。增 加了l e d 显示屏布爱的灵活性。利用无线网络降低了架设施工的成本。采用 i n t e m e t 体系结构便于升级i p v 6 网络传输与未来3 g 技术相结合，具有很强的技 术前瞻性和先进性。 ( 3 ) 设计了用户视频平台和网络登录服务器系统，进行远程l e d 视频显示 服务。通过服务器连接终端屏，用户可以同时连接几块屏，实现一机多控。 ( 4 ) 使用了最先进的流媒体视频d s p 解决方案t i 公司的d a v i n c i 图像 处理技术。d a v i n c i 技术芯片t d s 3 2 0 d m 6 4 4 6 提供了a r m 和d s p 双内核。通过 嵌入式系统的应用和d s p 图像处理技术，很好的解决了本系统从h 2 6 4 编码到 无线网络传输的技术难题，设计了具有国际技术先进水平的系统。 关键词：l e d 全彩显示屏，h 2 6 4 ，无线网络，视频传输，u m l 。 华南师范大学硕士学位论文 第一章 a b s 仃a c t l e df u u - c o l o rs c r e e nh a sd e v e l o p e d r a p i d l y i t h a sb e e nu s e df o rt h e a d v e r t i s e m e n ts c r e e ni nm a n yc i t i e si nc h i n a i ti sm o r ea d v a n c e da n du s e da b r o a d l e ds c r e e n su s eh a r d w a r es u c ha sf l a s ho re p r o mt os t o r et h ev i d e o ，o ru s e s c o m p u t e ri nl i v et ot r a n s p o r tt h er e a l t i m ev i d e o t h e s em e t h o d sa r eh a r dt oc o n t r 0 1 a n dt h ec o n t m o nm e t h o du s e sr g b s i g n a la st h ev i d e os o u r c ea st h es c r e e nm u s tu s e t h i sf o r m a t i o n ，t h i si n c r e a s e st h ea m o u n to f i n f o r m a t i o nal o ta n dh a r dt ot r a n s p o r t t h i sp a p e ri sa i m e dt op r o v i d ean e wk i i l do fl e df 1 1 u c o l o rs c r e e nc o n t r o l s y s t e mi no r d e rt oi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ls k i l la n dp r o v i d e 柚a d v a n c e dt e c h n o l o g y o f o u ro w nt h em a i nw o r kj sl i s t e db e l o w ： ( 1 ) u s i n gt h em o s ta d v a n c e dv i d e oc o d e co fh 2 6 4 t o c o m p r e s st h ev i d e o r e d u c i n gt h ea m o u n to fi n f o r m a t i o na n di n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo fv i d e ob yt h eh i 班 c o m p r e s s i n gr a t eb yh 2 6 4 c o d e c s oi tc a nb eu s e di nt h el i m i t e dw i r e l e s si n t e r n e t ( 2 ) i n t e m e ta n dg p r s ( e d g e ) w i r e l e s st e c h n o l o g yi su s e di nt h i sp r o j e c t t h e y m a k et h es e to f t h el e dm o r ef r e e l y a l s or e d u c et h ec o s to f b u i l d i n gt h es y s t e m t h e s t r u c t u r ec a nb ee a s i l yu p d a t e dt oi p v 6a n dt h e3 gt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e ( 3 ) as e r v e rf o rt h ec u s t o m e rv i d e op l a t f o r mi sd e s i g n e dt op r o v i d es e r v i c ef o rf a r d i s t a n c el e d d i s p l a y w i t ht h ec o n n e c t i o no ft h el e dt e r m i n a l sa n dc u s t o m e r s ，t h e o n ec o n t r o lp o i n tt om a n yt e r m i n a l si sr e a l i z e d ( 4 ) t h em o s ta d v a n c e dm e d i at e c h n o l o g yo fd a v i n c it e c h n o l o g yp r o v i d e db yt i i su s e d t h ed a v i n c ic h i po ft d s 3 2 0 d m 6 4 4 6h a sa r ma n dd s pd u a lc o r e s b yt h e e m b e d d e ds y s t e ma n dd s pv i d e op r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h ed i f f i c u l t yo fh 2 6 4c o d e a n dd e c o d ev i aw i r e l e s si ss o l v e da n da na d v a n c e ds y s t e ms t r u c t u r ei sd e s i g n e d k e yw o r d ：l e df u l lc o l o rs c r e e n ，h 2 6 4 ，w i r e l e s si n t e m e t ，u m l ，v i d e ot r a n s f o r m i n g 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：, o 。7 m 学位论文使用授权声明 趔枪蘅 月乒日 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者躲刹掀磁导师躲喜叩磊氓 日期：7 年，月年日日期：聊7 年z 月牛日 华南师范大学硕士学位论文 第一章 第一章绪言 随着社会的发展和电予信息技术水平的提高，新技术日新月异， 人们对生活品质的要求越来越高，新技术的应用开发周期越来越短， 人们的工作要求娱乐要求飞速提升。其中l e d ( 发光二极管l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 显示技术随着l e d 的成本下降应用越来越广。大屏幕 l e d 显示在广场，商场，高速公路等领域市场越来越大，在国内外已 经取得了很好应用。 国内近年来都在大力发展l e d 显示行业，同时相关的产业需求 又继续推动研究的进步。加上技术研究突飞猛进的发展，全彩l e d 显示屏在世界范围内广泛应用。全彩l e d 屏最初在欧美国家研究应 用，并以年增长3 0 以上的速度增长。近年来，随着中国经济的迅猛 发展，国内l e d 全彩显示屏也呈现快速增长的趋势。根据中国光学 光电子行业协会l e d 显示屏分会对8 0 多个单位的调查，2 0 0 2 年全年 销售额为1 9 亿元人民币，比2 0 0 1 年的1 6 亿元增长了1 8 7 5 其中全彩 色显示屏的增幅为3 3 。从1 9 9 3 年至今，全国l e d 显示屏市场保持 持续增长态势，年平均增长率为4 0 左右。2 0 0 3 年度l e d 显示屏销 售额过亿元的有西安青松、上海三思、惠州德赛、北京利亚得等企业， 年销售额在1 0 0 0 万元以上的企业数目超过了5 0 家，其中华南地区的 生产厂家有l o 几家行业内年销售额在1 0 0 0 万元以上。华南地区l e d 显示屏主要生产厂家有天亿、德赛、中鸣、雅江等。 在国外。2 0 0 0 年显示屏全球销售额约1 2 亿美元，2 0 0 5 年约5 5 亿美元。据b c c 研究公司的报告称，l e d 显示屏市场将以1 0 3 的 年平均增长率，从2 0 0 6 年的6 5 亿美元增长到2 0 1 1 年8 8 亿美元，其 每年平均增长率为1 0 2 。国际上l e d 显示屏的应用范围主要集中在 户外广告和体育，其次是交通和演出，另外包括展览、租赁、集会等 各种场合，估计其市场容量按照每年3 0 的增长速度在增加。目前， 华南师范大学硬士学位论文 主要制造厂商集中在日本、北美、台湾等国家和地区，我国l e d 制 造厂商出口的份额在其中微不足道。据不完全统计，世界上目前至少 有1 5 0 家厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有3 0 家左右，主要分布在美国、欧洲、亚洲( 日本、中国台湾、中国) 。 国内l e d 显示屏产业与国外还存在这较大的差距。主要体现在技 术水平和创新能力上。技术水平差距主要体现在图像处理技术、前端 视频处理技术等方面，国外公司采用的l e d 模块采用双像素专利技术， 通过从视觉上使物理分辨率加倍，提供更大的清晰度并获得增强的视 觉分辨率。利用双像素技术，可以准确寻址每个l e d 单元，产生更平 滑的图像和更高分辨率的显示效果。d a k t r o n i c s 以采用p u r e p i x e l 技术的 真像素显示图像。p u r e p i x e l 技术保证每个l e d 像素内至少有一个红、 绿、蓝单元。此外，d a k t r o n i c s 系统用次像素级处理功能实现像素或 l e d 级处理功能，目前国产的高品质l e d 显示屏大多也采用这两种技 术，与国外顶尖产品差距不大，主要差距在于以下几个方面：在亮度 和视角方面，巴可公司超高的分辨率达n 3 m m ，极大的视角可达1 4 5 度；国内公司大多采用d a k t r o n i c s 的p r o s t a r v i d e o p l u s 技术。单点调色 方面目前国内的产品只能做到单元模块和单元箱体的调节，不能做到 真正的单点调节，因此在色彩和亮度一致性上有差别。箱体方面，从 工艺，外观，安装方便性和可移动性等国内都和国外存在差距。创新 能力上，国内独立技术相对较少，且原本的技术在新技术迅速发展的 今天已经不能满足高质量的要求。图像传输速率和控制问题以及少数 公司的技术垄断已经严重限制了国内l e d 显示屏技术的发展。国外随 着新技术的应用，显示屏技术也在不断发展。 许多商业公司对技术进行保密，国内外讨论l e d 全彩显示屏技 术的较少。随着数字视频处理技术取得快速进步，特别是新的视频压 缩协议h 2 6 4 协议广泛研究应用，基于i p 的网络视频传输是现在图像 通信研究的重点之一。技术的发展促进技术的发展，将这些新技术应 用于l e d 全彩屏领域也是技术发展的必然要求。提高技术促进出口 华南师范大学顼上学位论文 提高产值也是现在国内企业要考虑的重要内容之一。 本文主要围绕l e d 全彩屏控制系统项目进行了一系列的研究和 设计工作。讨论了利用最先进的图像编码技术，h 2 6 4 标准对l e d 显 示图像编码传输。研究了用无线网络g p r s 技术远距离传输l e d 显 示图像。与电信公司合作，提供无线网络，提供网站集中控制l e d 全彩屏显示，为终端用户提供显示服务。选用1 r i 公司最新的流媒体 解决方案d a v i n c i 技术实现图像处理、l e d 显示屏控制和网络传输。 华南师范大学硬士学位论文第二章 第二章l e d 全彩显示屏控制系统总体设计 l e d 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面 式显示屏幕。由于它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩 丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自2 0 世纪8 0 年代后期 开始，随着l e d 制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。 现代社会是信息化的会社，对公众场合发布信息的需求日益强烈， l e d 显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在l e d 显示屏的 设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。l e d 显示屏经历 了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视 频显示屏的发展过程。其间l e d 显示屏在器件性能( 超高亮度l e d 显示器及蓝色发光灯等) 和系统的组成( 计算机化的全动态显示系统) 等方面都取得了长足的进步。当前l e d 显示屏应用领域已经遍及交 通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。本章总体介绍l e d 显示 屏的原理，组成以及本系统的总体设计。 2 1l e d 全彩显示屏原理 l e d 是半导体异质结受激辐射发光的，这里不作重点讨论，只考 虑它的发光光谱特性以及发光与激发电流关系即可。由于能带限制， l e d 发光主要集中在一定的光谱带上，在可见光部分现在研发出了三 基色，即红绿蓝三色，用三基色按比例加色混合可实现各种色彩。相加 混色主要有三种方法：( 1 ) 光谱功率混合法：不同的色光同时进入眼 睛并投射在视网膜上相应的同一区域。( 2 ) 时间混合法：不同的色光 相继进入人眼视网膜同一区域。因为人眼看到的物体的像会在视网膜 上保留一段短暂的时间，若两种以上的色光，交替入射的频率足够高， 使人眼视网膜上的像来不及消除，则能获得几种色光同时入射的相同 的色觉。( 3 ) 空间混合法：不同色光以空间上人眼不能分辨的方式进 入人眼。人眼的鉴别率不能分辨这种方式入射的光，所以产生几种色 4 华南师范大学硕士学位论文 第二章 光同时入射的效果。l e d 显示屏系统可归类为空问混合方式。 l e d 显示屏是以像素点为基本元素即像素点组成图像显示。l e d 显示用三个三基色l e d 组成，由于红色在同等强度下亮度较低，一 般采用四管，其中二红组成一个像素点。每个基色用p w m 控制发光 强度，三色发光形成彩色像素组成彩色图像。为了满足布置p c b 板和 节省空间需要，一般l e d 全彩显示屏模块用8 x 8 像素点模块组成， 如图1 1 所示。 ) ooo o oo o 0oo oo ooo oooo o oo o o oo oo ooo oo o o o oo o o ooo o ooo o ooo o oo o oooo o oo o 圈1 1 ，l e d 宝夥置布所礁鳙 2 2l e d 显示屏控制系统传统实现 2 2 1 传统系统结构 l e d 显示屏控制系统是l e d 显示屏的核心部件。显示控制系统 是调度控制设备的集成系统，也包括控制中心的人机界面。其技术水 平、性能指标的高低直接影响l e d 显示屏运行的稳定性及显示画质 的效果，所以l e d 控制系统是l e d 显示屏中技术研究的关键。 目前图像显示屏系统主要c a - - 部分组成：计算机，控制电路，l e d 显示屏三部分，如图1 2 所示： 华南师范大学硕：t 学位论文第二章 图1 2 传统图像显示屏系统组成 计算机作用；对显示的图像或信息进行编辑，控制传输。控制电 路：控制电路根据显示屏不同有不同的解决方案。文字屏等一般没有 图像处理要求，采用单片机或f p g a 等电路比较多。图像彩屏相对复 杂。一般包括两部分：数据采集部分和图像处理部分。数据采集一般 通过f p g a 或者d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器) 采集屏 幕显示数据。图像处理一般就是图像扫描，分块显示，传输控制等方 面。部分较为高级的还有图像补偿算法。最后送入终端l e d 显示屏 显示。其中通信部分早期多数采用串口或并行线进行传输。后来发展 一般用网线传输，这是现在的大部分厂商的解决方案。还有部分采用 电话线和g p r s ，基本是传输文字信息。 2 2 2 传统实现方式存在的问题 传统的实现方式存在以下问题： ( 1 ) 数据通信问题 数据通信问题是制约显示屏发展的重要问题。r s 2 3 2 4 8 5 总线虽 然硬件设计简单，控制方便，成本低廉，但在抗干扰、自适应、通讯 效率方面仍存在缺陷，尤其是传输速率，产品中常见的稳定传输速率 一般不超过5 7 6 0 0 b p s 。 网络传输和无线传输是近年来数据传输的热点。以太网是当今现 有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网 ( l a n ) 中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间 以1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 的速率传送数据，双绞线电缆1 0 0 b a s e , - t 以太 网由于其低成本、高可靠性以及1 0 0 m b p s 的速率而成为应用最为广 6 华南师癌大学硕士学位论文 第二章 泛的以太网技术。许多制造商提供的产品都能采用通用的软件协议进 行通信，开放性最好。由于1 0 0 b a s e - t 总线可以提供1 0 0 米距离 内1 0 0 m b p s 的数据传输速率，完全符合应用要求。这是现在多数系 统的解决方案。但是还是存在问题，就是铺设距离有要求，可维护性 差。将在下面提到。 g p r s 解决方案是很好的解决方案。传统的解决方案采用短信方 式传递文字信息，这显然不能满足现在全彩屏系统的需要，要转换操 作方式。而且g p r s 带宽也存在限制，要克服带宽限制的困难。 ( 2 ) 处理方式问题 很多系统的处理器依然采用8 位或者1 6 位控制器，仅能做少 数一些运算量小的特效，而且范围有限，对于目前越来越高的特技需 求而显得力不从心。以常见的5 1 系列单片机而言，不管是从累加器 的瓶颈来说，芯片运行频率来说，从整个体系结构和硬件运行效率上 看都属于落后，而且对c 语言的开发并没有优化的地方，软件代码 运行效率也低。其余较优秀的8 位单片机如a v r 虽然做了r i s c 结 构优化，使性能成倍提高，但还是不能满足图像处理的需要。 单片机要同时实现特技运算和灰度控制、图像扫描是及其困难的， 所以现在多采用d s p 和f p g a 结构。近年出现了基于a r m 的嵌入式 系统进行控制的显示屏方案，但是都是独立操作。显然用a r m 进行 图像处理或用d s p 进行控制操作是不合适的。f p g a 虽然现在高档系 统能完成相应内容，但是设计难度是多数单位无法承担的。 ( 3 ) 可维护性问题 由于通信方式的限制，现在l e d 全彩屏应用的技术需要控制计 算机与l e d 屏幕的距离了有一定的限制( 一般在2 0 米之内) 。同时， 一台计算机只能控制一个显示屏。另外，计算机对l e d 屏的控制操 作必然要求使用单位专人负责，这大大增加了人力成本。还限制了可 操作的地点，只有专人在专门的地点进行操作。而且在l e d 屏铺设 时，还要根据现场情况设计控制方案，铺设传输线，对现场施工的技 华南师范大学硕士学位论文 术人员要求进一步增大。 以上说明了现有l e d 显示屏控制系统的弊端。为了克服这些弊 端，国内很多科研单位与公司已经做了很多工作。但是多数从一些分 支技术细节加强系统性能。如：用网线传输( 现在已经是普遍的解决 方案) 图像，用g p r s 传输短信文字或者用a r m 嵌入式系统作为处 理器进行系统改进。改进的效果是可以肯定的，但是在技术飞速发展 的现在，仅仅文字信息是远远达不到技术发展的要求的。所以要求一 种能够在根本上解决上述技术困难，从而达到先进水平的显示控制系 统。本系统就是为此目的设计。 2 3 系统实现 2 3 1 系统组成 系统由三部分组成：视频源( 本系统中主要是用户视频平台提 供) ，视频采集转换卡，l e d 终端显示屏数据接收控制卡组成。图2 1 中显示了三部分的组成。下面就三部分分别讨论。 图2 i 奉系统组成框图 视频源就是用户视频平台。视频平台系统显卡可以输出h d t v 的 m p e g 2 编码信号，不用计算机集中编码，节省了计算机资源，使视 频平台可以对视频进行编辑和控制。用户自己制作的图像通过视频卡 网络传给服务器。其它信号，如卫星电视信号，电缆电视信号和其它 信号源如d v d 机和数码摄像机的等输入设备也输入视频服务器，用 华南师范大学硕 学位论文第二章 软件进行编辑控制，输出直接可以传输到视频卡。计算机和视频卡通 过显卡的d v i 接口传输。通过d v i 总线接口传输的数据是编码好的 m p e g 2 数据流。但是由于显卡是对h d t v 设计的编码接口，一般情 况下l e d 室外显示屏不需要大显示精度要求，所以在视频采集卡对 其进行采样。采样的数据由于尺寸小，所以可以满足更高传输速率和 质量的传输。同样此处采用h 2 6 4 编码方式编码图像传输。 第二部分是视频处理卡。这部分核心由t i 最新的视频芯片 1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片，称为达芬奇技术作为视频处理的核心。达芬 奇技术是t i 为视频集成系统，特别是为数字机顶盒提供的解决方案。 它包括a r m 和d s p 两种内核能同时满足控制功能和视频处理高要求 的数字处理功能。在该芯片中，一个视频处理子系统可以方便的用硬 件处理许多常规图像处理功能。该芯片同时还提供了丰富的软件节省 了编码器开发的时间，还增加了多种编码方式适合不同视频信号的接 入和处理。还有d v i 和网络接口以及备用的扩展接口以及图像处理用 的d d r 内存。详情在后边章节介绍。这部分主要的功能是：1 解码 h 2 6 4 视频流，恢复图像。2 采样l e d 屏显示视频范围。3 用h 2 6 4 编码器编码采样后的视频图像。4 网络传输。 最后一部分是显示屏接收部分，它接收网络传来的h 2 “视频码 流，解码成需要的视频图像。由于l e d 显示屏要求输入r g b 图像， 而h 2 6 4 为y c c 图像模式，所以还要进行图像格式转换。最后传输 给显示屏。由于解码要求，数字处理功能和控制传输的要求较高，所 以这里也采用达芬奇芯片作为处理芯片。由于基本要求和图像处理卡 大体相同，也可以节省开发成本。 2 3 2 传统系统问题的解决 传统系统结构中存在的主要问题是设计本系统时考虑的重点。 数据传输：传统系统中的数据传输通过串行线，网线传输数据。 数据量网线传输是可以满足实时显示性能要求的。但是网线又带来传 输距离限制，使得系统的可维护性交差。采用无线网络时候，g p r s 华南师范大学硕士学位论文 第二章 远程控制采用短信传输文字更不能满足实时图像显示的要求，同时对 图像通信的质量产生了限制。本系统采用g p r s 的最新发展e d g e 网 络通过数据传输解决数据远距离传输的问题。这种解决方案很好的解 决了可维护性的问题。但是数据量又受到了e d g e 网络带宽的限制。 采用原始的数据形式是无法满足图像传输需要的。所以引入了流媒体 编码方式。采用最新的网络流媒体编码方式h 2 6 4 编码标准进行编码 传输。流媒体可以通过e d g e 网络无线传输。h 2 6 4 编码标准是随着 媒体技术日益完善到才得以实现的，所以这就涉及到了另外一个问 题；处理器的选择。 处理器的选择：传统处理器已经对好的方式如f p g a ，d s p 等做 了很好的探索。但是综合运用从成本，从程序效率来讲都不能满足日 益增长的需要。采用适当的系统干适当的工作是现在研究的方向。采 用嵌入式系统进行控制，采用d s p 进行图像处理是很好的选择方式。 t i 的d a v i n c i 多媒体技术为这种应用提供了良好的解决方案。d a v i n c i 技术芯片1 m s 3 3 2 0 d m 6 4 4 6 是a r m 和d s p 双核芯片。片上可以用 a r m 嵌入系统做控制工作，用d s p 做图形处理工作。这样极大的提 高了效率。同时减少了成本。d s p 内核d m 6 4 + 内核可以胜任h 。2 6 4 的编码解码工作和其它的图像处理工作。a r m 内核可以完成扫描控 制，采样控制和网络等工作。两个系统分工配合，可以很好的完成工 作。 可维护性：对可维护性的改进是本系统的又一突破。传统的单个 屏单人近距离操作通过无线网络技术可以解决远程控制。同时，本系 统设计中，视频平台是一个主机对应多终端进行控制的。远程操作可 以一点对多点的实现。而另外的突破就是服务网站建立。服务网络的 建立降低了公司的运营升本，提高了系统的安全性能。 本系统是在现有技术基础上研究实现并且秉承着超前设计理念进 行设计的。本系统的g p r s 系统可以在3 g 技术推广之后迅速改用3 g 技术。系统可以实现l e d 屏的高清数字电视显示。有很大的价值。 华南师范大学硕上学位论文第二章 第三章l e d 全彩屏控制系统硬件 新结构的实现需要新的硬件系统支持。在研究和反复论证后我们 设计了全新的硬件结构，选择了最新的芯片设计了先进的系统硬件平 台。本章介绍硬件系统的设计，以下分三个部分介绍。 3 1 视频平台系统 视频平台是系统的视频信号源。系统的视频信号是在此发出的。 视频信号可以是用户视频或者电视信号等，视情况而定。用户的视频 是在用户自己的通过各种方式制作，本文不涉及此内容。 本系统的视频平台的计算机本身没有特殊要求，普通计算机即可 满足要求。由于显示，编码等方面的要求，所以显卡有特别的要求。 此部分需要为图像卡和终端提供数据与命令，所以对于接口部分也有 特殊要求。这里介绍本系统设计测试系统的配置。 3 1 1 计算机硬件配置与显卡参数 视频平台设计开发时采用的是具有所需功能配置的计算机，终端 用户使用时视情况可以修改配置。另外随着计算机成本的下降，在今 后有望利用更高配置的计算机做视频平台。显卡是定型的，可以换成 更高档次的显卡不影响软件运行与性能。视频平台为联想天启m 6 8 0 e 电脑，显卡采用七彩虹天行7 9 0 0 g s g d 3c h 版5 1 2 m 显卡，参数 见表3 1 表3 1 显卡参数 参数名称参数 型号七彩虹天行7 9 0 0 g s - g d 3c h 版5 1 2 m 酗彤芯片n v i d i ag e f o r c e 7 9 0 0 g sg p u 芯片代号g 7 1 核心位宽 2 5 6 8 i t 核心- 艺9 0 n m 显存类型f b g a 显存封装g d d r3 箍存位宽2 5 6 一b r 显存容量5 1 2 m 总线标准p c ie x p r e s sx 1 6 第三章 3 d a p id x 9 o c0 p e n g l2 0 r a m d a c 频率4 0 0 m h z 晶体管数目2 7 8 亿 像素渲染管线2 0 l 着色引擎7 视频接口1 v o l r r 显示接口d + d v i 最大显示模式d v | 直接输出1 9 2 0 1 2 0 0 ；d v l 转v g a 输出2 0 4 8 x 1 5 3 6 8 5 h z 散热方式风扇 s m a r t v g a支持 s m a r t l v e 支持 特别指出的是此显卡支持h d t v 输出，支持h d m i 协议。 3 1 2 视频数据接口 视频数据采用d v 接口传输。d v i 是由视频显示工作组( d i g i t a l d i s p l a yw o r k i n gg r o u p ( d d w g ) ) 开发的用于高速视频开发的，主要应 用于计算机显示设备的协议规范。现在的h d t v 也支持d v i 接口。 在普通的计算机显示系统中，计算机数字信号需要转换成模拟信号在 v g a 接口传输，然后被平板，液晶显示设备转换成数字信号。在d v i 系统传输中，不需要a d 转换和d a 转换过程，可以提高视频传 输的效率。减少传输的瓶颈。 在视频平台系统中，d v i 发送是显卡集成的d v i 接口芯片。这里 不做具体介绍。本系统设计中，d v i 接收时详细介绍此接口。 3 1 2 命令接口 命令采用p c i 接口传输。p c i 总线是计算机常用总线。在本系统 中，p c i 总线用来传输控制命令。尽管p c i 现在的p c i e 已经可 以传输视频数据，但是视频处理功能还是显卡执行是更好的解决方 案：节省设计时间，c p u 运行时间，使运行更稳定。所以本系统只用 p c i 进行命令传输。传输的命令包括两类：帧采样命令和显示屏终端 相关命令。显示帧是靠祯的起始位置和帧的长度和宽度决定的。系统 启动时，发送命令通知采样系统更新采样动作。其它的命令是通知用 户终端连接已经成功建立或者等待建立。下一个版本的系统将控制多 个显示屏终端，这些连接传输控制都是通过p c i 接口与视频平台交换 数据的。 华南师范大学硕士学位论文 第三章 3 2 视频处理卡 一 视频卡是本系统的重点之一。视频卡主要包括与用户视频平台的 接口和网络的接口，以及重点的图像处理d s p 。这一节介绍图像处理 卡的硬件。 3 2 1 视频服务器接口电路 视频平台与图像处理卡用d v i 和p c i 分别传输数据和命令。显卡 支持d v i 图像数据的发送，这里选择接收的接口电路即可。p c i 一般 选择通用的p c i 接口电路。 在本系统中，显卡提供了i - i d t v 硬件编码方式，提供m p e g 2 编 码压缩，可以直接提供e g 2 编码信号流。在显卡驱动中选择h d t v 的d v i 输出，则信号可以输出到d v i 接口。工作过程如下：显卡的 编码器芯片编码m p e g 2 图像( 该图像为整个显示区图像) 。编码图像 送到显卡的d v i 接口芯片打包成d v i 传输数据，通过迷你差分信号 传输( t m d s ) 连接传输到图像处理卡，图像处理卡恢复成原始视 频数据进一步处理。 d v i 接口选择s i i1 1 6 1p a n e l l i n kr e c e i v e r 芯片。 s i i1 1 6 1 芯片是利用p a n l e l i n k 数字技术的支持高端显示u x g a ( 2 5 1 6 5 m h z ) 技术。色彩支持真彩色( 每像素2 4 位，1 6 m 种色彩) ， 单时钟周期传输l 或2 个像素传输。该芯片支持在u x g a 速度下1 0 米内 传输，支持1 2 c 传输。全面支持d v i1 0 标准，供电电压3 3 v ，热插拔， 无铅封装等。 由于不需要1 2 c ，不需要热插拔功能，不需要模拟输入，所以只 需设置功能：数字传输，图像信号到来触发信号，每时钟但像素传输 即可。s i i1 1 6 1 的功能图如图3 1 ： 华南师范大学硕士学位论文第三章 图3 1 s i l l l 6 1 功能框图 t m d s 差分信号通过r x 输入，r x n 为数据，r x c 为时钟。内部将信 号同步后解码成适当的像素图像。必要的同步信号h s y n c ，v s y n c ， 时钟o d c k 和d e 在图像区到来后激活成高电平。当锁相单元p l l 锁住图像后，s c d t 信号开始输出。该信号可以触发其它原件。 本系统选用的时钟但像素输出可以方便设置和还原图像。只需把 q e 的2 4 个引脚和相应的触发接到图像处理器的输入单元即可如图 3 2 ： 二：一： ：争 华南师范大学硕士学位论文 第三章 图3 2s i i l l 6 1 链接 p c i 总线规范涵盖了计算机接口相关的大部分问题。它是i s a 标 准的替代品，有三个主要目标：获得在计算机和外设之间传输数据时 更好的性能；尽可能与平台无关；简化向系统中添加和删除外设的工 作。 本系统选用p c i 传输命令。视频处理卡是通过p c i 与服务器交换 命令的，也是通过p c i 固定在主机上。 p c i 驱动芯片采用t i 公司的x 1 0 1 1 0 0 芯片。该芯片是p c i 的接口芯片。 支持p c ie x p r e s s 接口，p c i e1 1 协议参考时钟1 0 0 m h z 或1 2 5 m h z 可 选。0 1 1 0 0 的功能框图如图3 3 ： 华南师范大学硕士学位论文 第三章 图3 3x i o i l 0 0 功能框图 该接口连接到p c i 总线后，直接可用t x ，r x 发送接收数据。传 输服务器的命令，在视频处理卡的l i n u x 系统中处理，传输给终端等。 硬件连接如图3 4 ： 图3 , 4p c i 连接图像处理卡框图 3 2 2d a v i n c i 技术d s p t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 d a v i n c i ( 即达芬奇) 技术的应用是本系统的关键。达芬奇技术是 第一种集成了d s p 处理器，软件，工具共同支持优化广泛的数字视频 终端开发的技术。它可以使开发人员轻松快捷的开发出众多创造性 华南师范k 学颈上学位论文第三章 的，低成本的数字视频终端产品来改变客户的视频体验。达芬奇技术 可以加速数字视频应用领域的创造过程和扩展市场的步伐。 达芬奇技术有以下部分组成： 姿莶查丝堡盏 达芬奇处理器以性能最好的d s p 平台为基础，t l 公司的 1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t m d s p 平台是利用最新的c 6 4 x + md s p 内核。达芬奇处 理器包括灵活的，可编程为d s p 和a r m 内核定制优化的d s p 的片上系 统( s o c s ) 。以及为适合数字视频终端价格，性能，特性要求优化的 加速器和外部接口。达芬奇技术数字视频产品可以用作以下产品： 数码相机可移动媒体播放器 视频电话医学影像 口机顶盒网络视频应用 视频安全 加速器与接口 与系统架构紧密结合的目标接口和加速器为视频和音频应用和 实现。达芬奇处理器包括d s p 和a r m 内核，内存管理，为目标数字视 频应用优化的加速器与接口。接口和加速器包括： 视频加速连接 视频i o 处理子系统u s b 2 0 告诉接口 视频与图像加速器全速1 0 1 0 0 m 以太网接口 音频加速1 2 c 总线接口 编码和通信用音频串行口( a s p )f p g a 特殊接口 外部存储接口数据存储接口 d d r 2 内存接口a t a 接口( 硬盘) 板上n a n df l a s h 控制器 f l a s h 接口 n a n d n o rf l a s h 接口 m m c s d 卡接口 视频显示 对流行接口的集成支持 达芬奇软件 达芬奇软件建立在可定制的框架通过a p i 可以快速的完成软件设 计。 视频，图像，音频，语音编解码器v i d e o , i m a g i n g a u d i oa n d s p e e c h 1 7 华南师范大学硕士学位论文 第三章 c o d e c s t i 提供了很多现行流行的编解码软件，包括：h 2 6 4 编解码， m p e g 4 编解码，m p e g 2 编解码器，g 7 l l 编解码器，j p e g 编解 码，a c c 编解码等。 操作系统 常规的系统是开发人员可以用很熟悉的方式设计程序，利用达 芬奇技术方便的整合到d s p 应用中。达芬奇芯片现在支持l i n u x ， 也有开发者已经成功移植w i n c e 系统。 应用编程接口a p i 达芬奇技术公布了若干a p i 可以将a r m 与d s p 整合应用方式提 供给程序员。利用a p i 可以方便的应用现行编解码内核，加快视 频、音频、图像系统的开发。 达芬奇开发工具 达芬奇技术提供了开发工具加速开发。有开发工具包，参考软件 和c c s 集成开发环境。这些工具可以在l i n u x 和d s p 快速开发。 i m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 达芬奇现在推出的第一款达芬奇处理器。所以具 备了达芬奇技术的特征。就是以上特征在d m 6 4 4 6 芯片上都有体现。 d m 6 4 4 6 双内核结构具备d s p 和r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o r ls e t c o m p u t e r ) 的双重技术优势。结合了t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s p 内核和 a r m 9 2 6 e j s 内核的各自优势，充分利用 f d s p 和a r m 嵌入式系统的 优势。 d m 6 4 4 6 为了广泛应用与多媒体进行了专门的优化。它提供了 d s p 片上系统，编解码器，d s p 与a r m 嵌入式系统通信应用程序接 口，和框架生成软件。为产品快速上市提供了很好的平台。硬件方面 提供了独到的硬件视频处理子系统，和丰富的外部接口支持。由于支 华南师范大学硕士学位论文 持2 5 矾侧 z d d r 2 r 蝴，解决了图像处理系统的高速存储要求，所以 该系统可以很好的支持网络多媒体的h 2 6 4 编码。简化了视频设计的 软件和系统硬件协同设计，使该系统适合口机顶盒，流媒体，数码相 机，和图像保密通信等众多场合。本l e d 视频显示屏系统需要网络 传输视频和视频编解码系统要求以及扩展功能要求使该芯片非常适 合我们的系统要求。 蕞 l * 撵援 境 a r e a i 妊理 控 予系 材l _ * 缱 嘲簟t # 4 8uqu j f 内每e r g , 甚馓日 图3 5t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 结构图 两个内核实现相应的系统功能：a r mr i s c 内核处理一般过程 和系统控制；d s p 内核可以同时高效处理视频与音频与图像处理任 务。v p s s 系统现在的系统里没有应用，主要由于t i 提供的应用资料 还不完善，对该系统的说明不是很全面。两外系统没有要求其它媒体 输入，如t v 直接输入在将来的系统里直接接入，并且应用v p s s 系 统进行缩放，校正等调整，这在公布的资料里是可以实现的。在a r m 中是实时嵌入式l i n u x 系统作系统服务，d s p 用d s p b i o s 嵌入式系 统与l i n u x 通信并协同工作，如图2 所示。在本硬件中工作过程如下： 1 h 2 6 4 视频编码和系统命令被l i n u x 接收。2 l i n u x 处理命令和数据， 并控制d s p 对数据和命令进行处理。3 d s p 处理视频数据( 解码一 采样一编码) 4 处理完成的视频数据传递给l i n u x 并通过网络向终端 传输。 华南师范大学硕士学位论文 第三章 接口中，d s p 接收d v i 和p c i 的数据与指令，另外传输中需 要网络接口。同时需要f l a s h 存储程序，d d r 2 内存作为图像处理缓 存是在h 2 6 4 编码中作用重大。所以需要加上d d r 2