数字视频处理芯片OSD系统的研究及ASIC实现(信号与信息处理专业优秀论文).pdf

数字视频处理芯片o s d 系统的研究及a s i c 实现 数字视频处理芯片o s d 系统的研究及a s i c 实现 摘要 o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y 屏幕显示) 系统是视频处理系统不可分割的一部分。本设计采 用自顶向下的设计理念，将整个o s d 系统设计过程划分为；性能及功能指标的确定，系统规划 及算法研究，代码编写和仿真验证几个阶段。 本文以现有的o s d 理论作为研究基础，优化y o s d 内部架构，提高了实时播放的响应速度 及画面显示的稳定性；改进了查找表算法，在基本不增加硬件资源的情况下，实现3 6 5 5 3 6 色的彩色空间；使用硬件算法实现了l b i t 字符型勾边及阴影效果的显示，节省了大量存储空 间，降低了实现成本；实现3 o s d 画面独立的3 2 级调节亮度对比度的功能等等。 在a s i c 实现的过程中。说明了一种完整的a s i c 实现流程，阐述了设计过程中v e r i l o gh d l 方面的可综合性编程技巧。在验证阶段中讨论了验证平台以及f p g a 验证过程。 在基于a l d e ca c t i v e h d l6 2 平台上编写了v e r i l o gh d l 代码及动态仿真；基于x i l i n x i s e6 2 平台上产生了f p g a 验证阶段所需的i p 核，包括各种位宽及深度的f i f o ，r a m 等等； 基于s y n p l i f y7 0p r o 平台上进行了模块级综合及代码优化。 本设计是集成在视频处理芯片内部的一部分，此视频处理芯片即将应用于高端平板及c r t 电视之中。 最后对于实现过程的几个具体问题进行了探讨，并做了总结与展望。 关键词：数字视频处理芯片，o s d ，a s i c 数字视频处理芯片o s d 系统的研究及a s i c 实现 r e s e a r c h i n ga n da s i ci m p i e m e n t a t i o no fo s ds y s t e m nd i g i t a lv i d e os i g n a ip r o c e s s o r a b s t r a c t o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) s y s t e mi sa ni n d i s c e r p t i b l ep a r to fv i d e op r o c e s s i n gs y s t e m t h i sd e s i g nc h o o s e st o p d o w nd e s i g n i n gi d e a ，p a r t i t i o n e di n t os e v e r a lp a r t sa s f o l l o w s ：d e c i d i n go nc a p a b i l i t ya n df u n c t i o n ，s y s t e ml a y o u ta n da r i t h m e t i cr e s e a r c h ， c o d ew r i t i n ga n ds i m u l a t i o n b a s e do ne x i s t i n go s dt h e o r y ，t h i sp a p e ri sa b s o r b e di nu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ed e s i g n ， i n c l u d i n g ：o p t i m i z i n go s di n s i d ef r a m ew h i c hb o o s t su pc o r r e s p o n d i n g s p e e do fr e a lt i m ep l a y i n ga n ds t a b i l i t yo fm e n ud i s p l a y i n g ，i m p r o v i n ga r i t h m e t i c o fl u tw h i c ha c h i e v e s6 5 5 3 6c o l o rs p a c ei nt h ec a s eo fd o n ta d da n yh a r d w a r er e s o u r c e ， i n n o v a t i v e l yu s i n gh a r d w a r ea r i t h m e t i ct oi m p l e m e n tc h a r a c t e rb o r d e rd r a w i n ga n d s h a d o we f f e c tw h i c hs a v e sal o to fm e m o r y ，i n d i v i d u a l l ya d j u s t i n gl u ma n dc o n t r a s t o fo s dm e n ui n3 2r a n k ，e t e i nt h ep r o c e s s i n go fd i s c u s s i n gi m p l e m e n t i o no fa s i c ，ak i n do fi n t e g r a t e da s i c i m p l e m e n t a t i o nf l o wi sa n a l y z e di nt h i sp a p e r i nc o n c r e t ed e s i g np r o c e s s i n g ，s k i l l s o fw r i t i n gs y n t h e t i c a b l ev e r i l o g h d lc o d e sa r ee x p l a i n e di nd e t a i l t h i sd e s i g nm a k e su s eo fa l d e ca c t i v e h d l6 2t ow r i t i n gv e r i l o g h d l c o d e sa n d r u n n i n gs i m l u a t i o n ，x i l i n xi s e6 2t og e n e r a t ei pc o r es u c ha sf i f o ，r a mi nt h ep r o c e s s o ff p g av a l i d a t i o i l ，s y n p l i f y7 0p r ot os y n t h s i sa n do p t i m i z ec o d e s 。 t h i sd e s i g ni sap a r to fv i d e op r o c e s s i n gi n t e g r a t e dc i r c u i t ，t h i s c h i pw i l lb eu s e di nh i g hq u a l i t yl c da n dc r tt vi nt h ef u t u r e f i n a l l ys e v e r a lp r o b l e m sr e l a t e dt oi m p l e m e n t i o na r ed i c u s s e da n ds u m m a r i z e d k e yw o r d ：d i g i t a lv i d e os i g n a lp r o c e s s o r ，o s d ，a s i c 2 ? 的研究成果。 经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 麴遗直墓丝益要挂别童蛆 鲍! 查拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：饲忍 签字同期：，年多月；同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可以采用影印、缩印或扫掐等复制手 ：段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：明上色 导师签字： 签字日期：沙f 年f 月) 日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 遁讯地址： 电话： 邮编： ? 数宁视频处理芯片o s d 系统的研究发a s i c 实现 0 前言 0 1 概述 在当今信息社会中，芯片产业的重要性不言而喻，有人把芯片称作“现代信息技术的灵 魂”。现在，芯片产业已经成为世界各国综合国力的重要砝码。近年来，a s i e ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 专有用途集成电路) 逐渐成为世界科研领域的核心。 视频处理芯片是优秀的视频处理算法与先进的工艺技术的结合体，是当今a s i c 科研领 域的重中之重，这一电视机的关键核心技术，几乎完全被g e n e s i s ，p i x e l w o r k s ，t r i d e n t 等国外芯片大厂垄断。 视频处理芯片的功能强大，灵活性强，适用于多种视频应用场合。视频处理的各项功 能的调节与实现，离不开人机交互的o s d 系统。o s d 能够提供多种语占界面，用户可以通过 画中画菜单束调节所有的视象特性，例如亮度，色温，对比度，水平垂直位置，水平垂直 尺寸，几何调整等等，而且有自动调节功能，可以在不同的显示模式下自由切换。“ 目前，o s d 系统虽然有一些方案，但是它的显示模式还有稳定性方面不够优秀，而且它基 本都是作为独立的电路或芯片依附于视频处理芯片之外。在芯片的发展方向面向高集成度的 今天，这显然是不符合发展需求的。而将o s d 集成进芯片的过程中，必定会衍生出问题及其解 决的方法。 目前，a s i c 设计的思路和方法，发生着同新月异的变化。大规模逻辑器件和e d a 工具 为基础的设计方法已经成为趋势。a s i c 作为一种高密度器件，以其优越的性能和较低的成 本，在复杂的数字系统中得到了越来越广泛的应用。传统的使用原理图方式进行设计已经 越来越不能满足设计的要求，v e r i l o g h d l 作为一种i e e e 标准的硬件描述语言，特别适合进 行大规模的a s i e 设计。 o 2 国内外视频处理芯片中o s d 系统的研究现状 随着视频处理技术的只益精进，o s d 系统为了满足人们越来越高的视觉需求一直都是各 个视频处理芯片厂商的研究热点之一。国外的t r i d e n t ，p i x e l w o r k s ，g e n e s i s 几个公司的 o s d 的功能及性能代表了目前的较高水平。目 i 有两种主要的o s d 实现方法：外部o s d 发生 器与视频处理器j 日j 的叠加合成；视频处理器内部支持o s d ，直接在视频缓存内部叠加o s d 信 息。 外部o s d 发生器与视频处理器间的叠加合成的实现原理是：由一个m c u 内建的字符发 生器及显示缓存，利用快速消隐( f a s t b l a n k ) 信号切换电视的画面和o s d 显示内容，使o s d 的字符等内容叠加在最终的显示画面上，在o s d 和显示画面叠加处理过程中，通过调整两 垄! 型塑丝些竺墨：旦! 里墨竺塑! 堕塑丝垒! ! 塞些 者之间的比例可以实现o s d 的半透明( b l e n d i n g ) 效果。同时，对o s d 信号中的红绿蓝信号 进行重新编码，可以得到不同的o s d 颜色效果。 另外一种实现方法是视频处理器内部支持o s d ，直接在视频缓存内部叠加o s d 信息。这 一类视频处理通常具有外部存储器或内部少量的行缓存，同时具有o s d 发生器，o s d 的合成 和控制直接在视频缓存内完成，同样具有上述的半透明和颜色控制功能。 o s d 具有字符型( f o n t b a s e d ) 和位图型( b i t - m a p ) 两种类型。“ 字符型o s d ：为了节约显示缓存，早期及低成本的解决方案中使用字符型o s d 发生器， 其原理是将o s d 中显示内容按照特定的格式( 1 2 x1 8 、1 2 x1 6 等) 进行分割成块，o s d 发生 器的设计者提供了采用多个显示缓存合并的方式呈现多色字符的方案。其原理是每个显示 缓存确定一种颜色方案，当两个甚至更多个显示缓存合并以后就可以“拼凑”出超过两种 颜色的多色字符。字符型o s d 优点是可以使用o s d 内部较少的显示缓存，并且m c u 只需要 指定显示内容的索引即可显示对应o s d 信息，可以在比较低速的m c u 上实现。但正是由于 述的显示信息和颜色编码方式不够直观，会给字符型o s d 的固件丌发带来一些麻烦。通 液晶显示器、低成本的平板电视和c r t 传统电视上均使用这一类o s d ，目前仍占据着市场 流地位。 | 蔷翮鏊一盔厦调整：夔遣运震i 壅嬖亟蕉。 对比1 低_ 。i 高23 瓣亮度! 鬣_ 鼍- ! _ 。，一j 高i2 3 一彩色戤_ 5 南i 2 3 色橱l 红_ _ ：绿i2 3 图0 1 相较字符型o s d ，位图o s d ( 图0 一l 属于位图型) 的处理原理较直观和简单：通过对最 显示内容上特定区域的每个像素点进行改变，直接将o s d 信息叠加到最终的显示画面上， 按像素进行控制的方式可以保证具有多色及足够的表现能力。位图o s d 发生器通常内建 视频处理器内部，并共享使用其主显示缓存。也有独立在视频处理器之外的专业o s d 位 发生器，如美信的m a x 4 4 5 5 ，通常这一类芯片需要外部s d r a m 作为显示缓存。 位图o s d 的显示效果理论上可以做到非常完美的程度，可以提供类似w i n d o w s 中具有 体感的各种物件，如具有阴影的按钮、颜色丰富的图形和文字等，其缺点是必须具有足 的o s d 显示缓存，以及按像素进行处理而对m c u 带来的速度要求。通常在大尺寸的高端 板电视和专业显示器上会使用这一类o s d 。随着技术的不断发展和存储器的成本的不断下 ，未束的o s d 应该都是位图型的。3 “” 目前o s d 系统的实现分为独立的o s d 处理芯片或者集成进视频处理芯片内部作为其一 分这两种方式，在集成电路向着超大规模和亚深微米发展的今天，后一种方式是o s d 系 研究和发展的必然趋势。 墼羔丝塑竺墨些丛旦! 里墨篓塑! 塑丝垒! 坚壅墨 目前某些国外具有世界领先视频处理公司的百万门级超大规模视频处理芯片，如 m i c r o n a s 公司的v c t 4 9 ，g e n e s i s 公司的f l l 8 5 3 2 等等，内部已经集成有o s d 系统，其功能 和性能达到了：色彩空间最大支持到了4 0 9 6 色，4 层左右的混叠透明技术，o s d 画面放大 功能，字符闪烁和任意形状边界等等“。 由于国内的电视机整机厂商，在视频处理芯片这一电视机的核心技术上始终受制于处 于垄断地位的国外厂商，造成进口的视频处理芯片价格很高，一块片子的价格在十几到几 十美会不等，使得大量的利润被国外大厂赚取，而自身只能赚取产业链下游微薄的利润。 在这种情况下，摆脱依赖进口的束服，使国内的电视机整机厂商在核心技术上真正做 自己的主人，研究拥有自主知识产权的视频处理芯片具有不言而喻的重大意义，o s d 系统作 为其非常重要的一部分，必然需要在研究其新功能新算法的基础上，集成进视频处理芯片 当中。 0 3 本文研究内容 本文主要研究集成进视频处理芯片内部的字符与真彩色位图显示相结合的o s d 系统及 其a s i a 实现的方法。在前人的研究基础上，提出并优化了一种新的o s d 内部结构，改进了 查找表算法，并增加了一系列独有的功能。同时详细阐述并分析了a s i c 具体实现的流程。 本文共分五章。 第一章在确定o s d 系统功能及性能参数的基础上，阐述了o s d 整体方案的规划，包括 o s d 系统在视频处理芯片内部的位置以及一种新的o s d 内部架构 第二章论述在设计o s d 过程中涉及到的相关原理及算法，其中某些算法是在前人的理 论基础上所作的改进。 第三章阐述a s i c 的一种完整的设计流程，以及设计中使用v e r i l o gh d l 进行可综合性 硬件描述的技巧。 第四章针对在实现过程中一些具体问题进行探讨。 第五章论述了具体的验证方法、方案。 第六章对论文工作做了总结，并对今后的工作做了展望。 数宁视频处理芯片o s d 系统的研究及a s i c 实现 1 o s d 系统方案 1 1o s d 系统开发流程 0 s d 系统的开发流程，见下图 圜围- 圜 旧 图1 1 如上图所示，o s d 的丌发可以划分为硬件丌发与软件开发两部分。硬件丌发的主要任务 是为软件开发者提供一个组织o s d 画面的硬件平台，其步骤遵循整个芯片的开发流程，需 要与芯片其他部分的开发协调一致。软件开发的主要任务是在o s d 的硬件平台上，依附于 软件开发系统，使用封装好的o s da p i 函数编写o s d 的控制代码。可以既硬件开发者所要 面向的用户对象是软件丌发者，而软件开发者所要面向的用户对象才是最终的电视机使用 者。 本文主要论述o s d 系统的硬件开发，对于软件开发不作介绍。另外，由于o s d 软件丌 发是建立在硬件基础之上的，就是说o s d 最终能实现何种功能完全取决于硬件是否支持， 因此对于软件与硬件的纽带a p i 函数的编写，硬件丌发者要给予软件丌发者足够的支 持。 1 2o s d 系统功能及性能参数 根据市场调研，以及与相关产品的分析和比较，确定本o s d 设计方案的主要功能如下； 1 画面显示采用字符+ 位图的形式。 2 0 s d 整体画面能够缩放。 3 0 s d 的字符型显示能够缩放，并具有勾边，阴影的功能。 墼羔丝塑竺型：堡丝2 1 里墨竺堕竺塞墨垒兰! 兰壅墨 4 o s d 画面的亮度对比度可以独立于视频画面单独调节。， 5 o s d 画面可以分区显示，不同的分区可以相互叠加，实现与视频画面不同程度的混 合。 6 o s d 画面的旋转功能，满足某些工程机的需要。 7 o s d 画面中某些字符或者位图的闪烁功能。 根据上文针对o s d 功能的规划，确定性能参数如下； 1 对于素材的存储，每个象素对应的位深采取l b i t ，2 b i t ，4 b i t ，8 b i t ，1 6 b i t 几种 方式。对应的彩色空问依次是2 种，4 种，1 6 种，2 5 6 种，6 5 5 3 6 种颜色。位图型所能显示 的颜色最多是6 5 5 3 6 色。 2 o s d 整体画面的缩放支持行方向放大l 倍，场方向放大1 倍，行场方向同时放大一 倍这几种方式。 3 o s d 的字符型缩放支持行方向放大1 倍，场方向放大1 倍，行场方向同时放大一倍 这几种方式，阴影分为1 3 5 度光线投射，4 5 度光线投射两种方式，勾边效果为单层或双层 勾边。 4 o s d 画面的亮度对比度各具有3 2 级调节。 5 o s d 画面最多可以有4 个分区，不同的分区可以相互叠加，与视频画面的混合系数 独立。 6 o s d 画面的旋转支持镜像显示，翻转显示两种。 7 闪烁有两种方式，反色闪烁与消隐闪烁。 8 o s d 占用s d r a m 的存储区最大是1 6 m b i t ，包括素材区和两个显示缓冲区。以针对1 9 2 0 x1 0 8 0 的屏，采用8 位o s d ，经4 倍( 水平和垂直方向分别放大2 倍) 缩放后刚好满屏的 o s d 为例：( 1 9 2 0 1 0 8 0 8 ) 4 = 4 m b i t ，即每个显示缓冲区是4 m b i t 就可以满足1 9 2 0x 1 0 8 0 屏的全屏显示。素材区的大小评估如下：假设位深是l b i t ，大小是2 4 2 4 的字符型 有1 0 0 个( 包括中英文，标点符号等) ，位深2 b i t ，4 b i t ，8 b i t ，1 6 b i t ，大小是4 8 4 8 的 位图型各有2 0 个( 这种情况下基本能满足显示的需要) ，所需的存储空间= 2 0 0 2 4 2 4 i b i t + 5 0 4 8 4 8 ( 2 b i t + 4 b i t + 8 b i t + 1 6 b i t ) = 3 5 7 m b i t 。因此1 6 i t 的存储 空问是能够满足用户要求的。 显示缓冲区的大小与s d r a m 的带宽( 单位时间的数据吞吐量) 有直接关系，下面计算 一下在最大缓冲区的情况下，s d r a m 的带宽是否能满足o s d 及其它外围电路的读写。假设每 个显示缓冲区的大小是8 m b i t ( 实际会小于8 m b i t ) ，则在场频是6 0 h z ，连续显示的情况下， o s d 所需的带宽= 8 m b i t 6 0 = 4 8 0 m b i t s ，s d r a m 的位宽是3 2 b i t ，带宽大约= 1 6 6 m h z ( 2d d r 带宽翻倍) 3 2 b i t 7 5 ( 估计的有效数据读取时日j ，另外2 5 的时l 日j 用于握手 信号，优先级判断等) = 3 9 8 4 m b i t s ( 7 9 6 8 m b i t so d r ) 。可见s d r a m 的带宽能够满足o s d 及其它外围电路对数据传输的要求。 数字视频处理b 片o s d 系统的研究及a s i c 实现 1 3o s d 系统在芯片架构中的位置及分析 1 0 s d 系统在芯片架构中的位置 根掘视频处理芯片的整体设计方案 广一一一一一一一一一一_ i m l ui i 1 0 s d 系统在芯片架构中的位置见下图： k 锄! ：o 埘 图1 2 如上图所示，与o s d 系统直接相关联的有m a r l 与s d r a m 。逐个分析图卜2 中各个模块的 作用。 g c u ：微程序控制器，控制整个系统的运作。 e 2 p r o m ：电可擦除只读存储器，存储系统的寄存器堆。0 s d 所要完成的各种命令，就是 通过配置o s d 电路中不同的寄存器完成的。 f l a s h ：存储程序代码，o s d 素材库( o s d 素材库即当前电视机需要显示的o s d 画面中 包括的所有字符和位图资源) ，以及l l j t 查找表等。 f i f o ：先入先出缓冲区。( 由于s d r a m 需要与包括o s d 在内的很多个外部电路交互数据， 需要s d r a m 在单位时间内的数据吞吐量比o s d 等其它与之打交道的电路的数掘吞吐量大， 因此s d r a m 的时钟要快很多，这就需要f i f o 来缓存数掘) s d r a mc o n t r o l ：s d r a m 控制器。由于需要与s d r a m 进行数据交互的电路模块很多，因 6 墼兰丝塑竺型竺堕竺! 旦墨竺丝型塞苎垒兰竖茎墨 此s d r a m 需要有一个控制器对读写操作进行优先级划分，握手信号等等的控制。 s d r a m ：动态随机存取存储器，对于o s d 束说，需要s d r a m 中的三块存储空间：1 素材 区( 存储当静电视机需要显示的o s d 画面中包括的所有字符和位图资源，大小视需要使用 的资源总量决定) ：2 显示缓冲区1 ；3 显示缓冲区2 ( 这两个缓冲区其中一个用柬准备下 一场要显示的数据，另一个用做当i ； 场的显示，它们的大小需要根掘o s d 显示所要支持的 最大画面束定) ；这三块空间不是动态分配的，即在最终产品生产出后，它们的大小是固定 的，另外它们所占掘的空间是互斥的。 m c u 读：负责从s d r a m 的素材区按照命令读取指定大小，指定位置的数掘。 o s d 写：负责将有效数掘按照命令写入显示缓冲区l 或显示缓冲区2 中的指定空间。 o s d 读：根掘命令及行场同步信号，将有效数据从显示缓冲区1 或显示缓冲区2 中读出 数掘( 由于最终的o s d 画面显示在屏幕的什么位爱是由位置寄存器决定的，不是随意的， 因此必须与行场同步信号进行匹配) 。 o s d 电路：包括o s d 的各个功能模块。 混合：将视频数据与o s d 数据按照规定算法进行混合。 下面根据o s d 的工作流程对上图做分析。首先当整个系统上电时，初始化配置o s d 电路中 的寄存器堆，并由m c u 控制将存于f l a s h 中的字符及位图型资源读出，写入s d r a m 中的素 材区。然后进入等待，当o s d 显示有变化时，由m c h 发出命令，即配臀o s d 的某些寄存器。 m c u 读模块根掘命令将数据从素材区读出，经过o s d 电路的某些功能模块进行处理，再从 o s d 写模块写入显示缓冲区1 或显示缓冲区2 中。当o s d 需要显示时，o s d 读模块将数据从 显示缓冲区1 或显示缓冲区2 中读出，经过o s d 电路的某些功能模块进行处理，到达混合 模块与视频数掘混合形成最终的显示画面。 2 o s d 系统在芯片架构中的位置分析 分析以上架构，讨论研究以下问题： ( 1 ) o s d 读模块与m c u 读模块具有类似的功能，都是从s d r a m 中读取数据，在结构上都 需要与s d r a mc o n t r o l 有握手协议并有一个f i f o 作为数掘缓冲区。因此考虑这两个模块是 否是重复的，是否可以省略掉一个以节省硬件资源。在上面的分机中，可以发现，o s d 大致 可以划分为两个通路，见下图： 地外t ： s d r a m 通辟2 ： s d 俏n i 曰一圈口 图1 3 通路1 的功能是从素材区读出数据，经过处理，写入显示缓冲区，是为显示做准备的。 通路2 的功能是从显示缓冲区读出数据，经过处理，输出最终图像，是用来显示的一路。 7 墼兰塑塑丝型：坠丛q 兰竺墨竺竺竺! 塑丝垒! 鉴壅墨 当o s d 画面显示时，o s d 读模块需要根据行场同步信号读取数据。如果m c u 读与o s d 读合二 为一，由于要优先考虑o s d 读操作( 因为必须保证o s d 显示画面连续) 那么i l l c t l 读操作在 行场同步信号有效的情况下就不能工作，必须等o s d 读操作完成后，再进行，这就有可能 在两场之百j 不足以完成准备下一场显示的数据。极大的限制了电路的灵活性。另外，由于 通路1 和通路2 的功能不同，造成l l l c t l 读操作和o s d 读操作在具体的时序控制上有很大的 区别，做成一个模块会极其复杂，因此，综上所述，将i l l c u 读与o s d 读划分成两个模块， 在o s d 读操作进行的时候，m c u 读可以同时进行，互不干扰，并且使电路的层次更加的分明。 这种硬件结构上的划分，使得读写操作都不存在瓶颈。加快了o s d 画面的相应速度， 并使稳定性增强。 ( 2 ) 1 1 1 c t l 作为整个s o c 系统的控制核心，要与一定数量的部件和外围电路连接，但如果 将各部件和每种外围电路都分别用一组线路与l n c u 直接连接，那么连线将会错综复杂， 难以实现。为了简化硬件电路设计，简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电 路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件 和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。本系统中采用 1 2 c 总线( 由p h i l i p s 公司推出，它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式 简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点) ，在主从通信中，可以有多个1 2 c 总线器件 时接到1 2 c 总线上，通过地址来识别通信对象。o s d 电路作为芯片的一部分，对其寄存器 配置也必须遵循1 2 c 协议的规范。 ( 3 ) 系统上电时，存于f l a s h 的素材库被写入s d r a m 中，在通路1 的数据准备阶段，再 m c u 读操作从s d r a m 的素材区中读取数掘，那么是否可以将i n c u 读操作的输入改成f l a s h ， 在o s d 数掘准备阶段直接从f l a s h 中读取素材以节省s d r a m 的存储空间。分析这个问题 关键在于认识不同时钟域之间电路的互连以及f l a s h 的性能。由于f l a s h 与o s d 所处的 钟域不同，在他们之间的数据交换，需要有数据缓冲区。f l a s h 中还存储着n l c t l 的程序代 ，因此对于f l a s h 来说能否在负荷最重的情况下完成所有的操作就是上述问题能否实现 关键。因此，只要f l a s h 的单位时间吞吐量达到要求，就可以在o s d 数据准备阶段直接 f l a s h 中读取素材以节省s d r a m 的存储空间。本设计采用图1 - 3 中的方式。 4o s d 系统的架构 本小节在前人的研究基础上，提出了一种新的o s d 系统的内部架构。o s d 系统的内部框 如下： 图1 _ 4 根据以上框图，分析如下： o s dc o m m a n de x e ：o s d 系统的控制核心，翻译来自m c u 的控制命令，根据命令的种类不 同，配置不同的寄存器，达到控f # r j o s d 电路工作的目的。 第一路：准备数据通路。由m c u 读将有效数掘从s d r a m 中按照寄存器规定的大小，位 置读出，再根掘素材本身不同的位深，每个时钟周期输出一个有效象素的数掘，例如：读 取的素材位深4 b i t ，对于每个1 6 b i t 的输入有效数据，每个时钟周期输出代表一个象素的 4 b i t 数据，在4 个时钟周期内完成1 6 b i t 数据输出。数掘输出的顺序要遵循实际显示从左 向右的顺序。 f o n te x p a n d 模块负责字符型和位图型素材扩展，将不同位深的有效数据扩展成查找表 中表项的索引值( 关于查找表的原理在下一节介绍) ，索引值分为8 h i t ( 对应的彩色空日j 是 2 5 6 种颜色) 和1 6 b i t ( 对应的彩色空间是6 5 5 3 6 种颜色) 两种。f i l lc o l o r 模块负责o s d 画面中任意矩形框区域的颜色填充，每次填充的颜色必须是单色。m u x 负责将输入的数据二 选一作为输出。o s d 写将有效数掘按寄存器规定位置和大小写入显示缓冲区中。 第二路：显示通路。o s d 读模块根据行场同步信号将有效数掘从显示缓冲区中读出。 s c a l e 缩放模块根掘是隔行方式还是逐行方式、缩放模式，对输入数据进行处理。l u t 模块 负责将输入的有效数据，即i n d e x 值，经过查表得到位宽2 4 b i t 的r o b 数据，以及其他的 一些属性信息( 包括闪烁信息，和颜色分层信息) 。 w i n d o wd e f i n e 模块负责计算出当前总线上有效数据对应的象素点，是在o s d 画面的哪 个分区上，并将分区信息以及分区的优先级输出给b l i n k ( 闪烁) 模块和b l e n d ( 混合) 模 块，l c a 模块用束调整o s d 画面的亮度对比度，在混合模块将视频信号与o s d 信号混合后， 作为最终的视频输出。 9 数宁视频处理芯片o s d 系统的研究发a s c 实现 2o s d 系统相关原理及算法的研究 2 1 行场同步信号原理 图2 1 如图所示，整个画面根据行场同步信号进行同步。其中的无效行点数与有效行点数根 据不同的画面格式有不同的规定。例如p a l 制式( 7 2 0 x 5 7 6 i 5 0 h z ) ，每一场的无效点数是 1 4 4 ( 其中前间1 2 ，后间1 3 2 ) ，有效点数7 2 0 ；每一场的无效行数是2 4 5 ( 奇偶场的无效 行数和应是4 9 ，奇数场的结尾和偶数场的开头各包含半行无效数据) ，有效行数5 7 6 。o s d 画面的位置及大小的确定依靠图中的上下左右边界距来判断。0 s d 电路工作时，每个时钟周 期行方向计数器加1 ，每过行场方向计数器加1 ，当计数到o s d 区域时，o s d 电路输出处 理完成的有效数掘。( 注：如上文介绍，每个时钟周期行方向计数器加1 ，在不同的制式下， o 数。弘视频处理芯片o s d 系统的研究及a s i c 实现 时钟频率是不同的，以p a l 制为例，时钟频率= ( 7 2 0 + 1 4 4 ) ( 5 7 6 + 4 9 ) 2 5 0 h z = 1 3 5 m z ) 2 21 b i t 字符型素材勾边阴影的算法研究 字符型素材如果只是显示没有任何特效的字体，画面是单调乏味的。将字符型素材增 加勾边，阴影等特效，大大丰富了o s d 画面。有两种方法可以实现：1 在素材库中增加同 一个字的2 b i t 位深勾边型，阴影型的字符( 实际已经是位图型资源) ，需要特效时调用显 示即可。2 出专门的硬件电路模块对字符型做处理，实现勾边，阴影。之前的o s d 系统在 实现勾边阴影效果时使用的都是第一种方法。相对于其他位深的素材来讲，i b i t 字符型素 材的使用数量是比较大的。因此，如果能用第二种方法实现，将会大大节省f l a s h 以及s d r 锄 的存储空b j ，降低硬件成本。下面针对第二种方法用到的算法做介绍： 图2 - 2 如上图，每个方框代表一个象素点，狄色区域代表字符色，黑色区域代表勾边色，白 色区域代表背景色。判断a 。点是否需要勾边的算法是： i f ( a ，。2 = 字符色) a u2 字符色： e l s ei f ( a ，。= = 字符色| la 。= = 字符色| ja 。，。= = 字符色1f a ，j 。= = 字符色l ia ，= = 字符色| i a ，+ l 川2 = 字符色| | a ，= = 字符色i ja ，+ 川= = 字符色) a ，2 勾边色； e l s e a 。；背景色： 数7 说频处理芯片o s d 系统的研究发a s i c 实现 图2 3 如上图，模拟光线1 3 5 度投射阴影，黑色区域代表字符色，灰色区域代表阴影色，白 色区域代表背景色。阴影分为单双层两种。判断a ，是否是单层阴影的算法： i f ( a 。= = 字符色) 算法： a - i - l = = 字符色) 盘甄 a 孝a 擗甄 、v a f 凝 塑! 丝塑竺些些生旦! 里墨竺堕竺塑丝垒! ! 竺壅墨 图2 _ 4 以上的字符色，勾边色，阴影色，背景色均可根据用户需要在2 5 6 或6 5 5 3 6 的颜色空间中 选择。另外4 5 度光线投射原理与1 3 5 度相似，不再作讨论。 2 3 亮度对比度调整算法研究 之前的o s d 系统几乎没有独立调节自身对比度亮度的功能。由于o s d 本身的特性，不 需要将亮度对比度调整的算法做的很复杂，但是同时又要在有限的硬件成本代价下，尽量 达到一种良好的调节功能，本文所述的算法兼顾成本与功能两方面，论述如下： 亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。对比度是图象中最亮像素和最暗像 素亮度的比值。考虑y c b c r 空间，其中y 代表象素点的亮度值，c b ，c r 是色差信号。亮度 对比度的调整就是来调整y 信号。将y 输入作为横坐标，输出作为纵坐标，如下图所示： 2 5 5 b a 2 = 卜 ” y 输 8 2 ， 图2 5 考虑如下公式：y _ o u t = a l i n + c ( 2 - i ) 当a = l 且c = o 时，代表不作任何处 理，输出是一条4 6 度直线1 。当a = 1 且c 大于0 时，由亮度的定义可知，画面所有象素 的亮度值会有大小为c 的提升，即亮度增强( 假设计算出的和均小于等于2 5 5 ) ，如图中l 。； 当a = l 且c 小于o 时，画面所有象素的亮度值会有大小为c 的下降( 假设计算出的差均大 于等于o ) ，即亮度减弱。当c = o 且a 大于1 时，输出是一条经过原点的斜率大于1 的直线 12 ，由对比度的定义可知，此时是对比度增强；当c = o 且a 小于1 时，对比度减弱。 综合以上分析可以得出结论：调整参数a 即调整画面的对比度；调整参数c 即调整画 面的亮度。 考虑l2 ( a 大于1 且c = o ，只对对比度调整) ，当l ir l = a 时，y _ o u t = b ，所以在v _ i n = a 时，亮度被提升了( b a ) ，并且y - i n 越大，亮度的变化量越大，这在实际应用中是不能 接受的。为了尽量避免调整对比度引起的亮度变化，考虑将输出直线的中心点始终固定在 y _ o u t = a x ( y i n 一1 2 8 ) + c + 1 2 8 ( 2 - 2 ) 这罩要进行亮度对比度调整的输入数据是2 4 b i t 的r g b 信号。r g b 信号转换成i t u 6 0 1 标准规定的y c b c r 彩色空间。计算公式如下： y = 0 2 9 9r + 0 5 8 7 g + 0 1 1 4b ( 2 3 ) c b = 一0 1 6 8 7 r 一0 3 3 1 3 g + 0 5 b + 1 2 8 ( 2 - 4 ) c r = 0 5r 一0 ，4 1 8 7 g 一0 0 8 1 3b + 1 2 8 ( 2 - 5 ) 在r g b 三路上分别做( 3 2 ) 式的操作： r _ o u t = a ( r _ i n go u t = a x ( g i n b _ o u t = a ( b _ i n 一 将( 2 - 6 ，7 ，8 ) 代入 2 8 ) + c + 1 2 8 ( 2 - 6 ) 2 s ) + c + 1 2 8 ( 2 - 7 ) 2 8 ) + c + 1 2 8 ( 2 - 8 ) ( 2 3 ) 中： yo u t = 0 2 9 9ro u t + 0 5 8 7 g _ o u t + 0 1 1 4bo u t = 0 2 9 9 x ( a ( r i n 一1 2 8 ) + c + 1 2 8 ) 十0 5 8 7 ( a ( g - i n 1 2 8 ) + c + 1 2 8 ) + 0 1 1 4 x ( a x ( b i n 一1 2 8 ) + c + 1 2 8 ) ( 2 - 9 ) 化简得yo u r = a x ( ( 0 2 9 9r - i n + 0 5 s 7 gi n + 0 1 1 4b i n ) 一1 2 8 ) + c + 1 2 8 ( 2 - 1 0 ) 将( 2 3 ) 带入( 2 1 0 ) 即得到( 2 2 ) 式。所以对y 做( 2 - 2 ) 调整，就是要对r g b 分别做 ( 2 6 ，7 ，8 ) 的调整。 考虑( 2 6 ) 中的参数a 和c ，根据人眼对画面亮度对比度调整的接受范围( 太亮太暗 或对比度太强太弱都不可取) ，限制其取值范围a e 0 ，2 ) ，c o ，3 1 。 将a = d 1 6 ，c = e 一1 6 ( d e 0 ，3 1 ，e 0 ，3 1 ) 代入( 2 6 ) 式： ro u t = d 1 6 x ( r _ i n 一1 2 8 ) + e 一1 6 + 1 2 8 = d 1 6 ( ri n 一1 2 8 ) + e + 1 1 2 ( 2 - 1 1 ) ( 2 一1 1 ) 的意义在于将可调参数的级数定为3 2 ，同时当d = 1 6 时对比度不作调整，d 小于1 6 时对比度降低，d 大于1 6 时对比度提升；e - - - - 1 6 时亮度不变，e 小于1 6 时亮度下降，e 大 于1 6 时亮度增强。 4 数7 视频处理芯j jo s d 系统的研究及a s i c 实现 2 4 改进l u t ( 查找表) 原理及算法 之前的o s d 系统在显示位图资源方面已经使用了查找表的方法，但是所使用的算法不 完善，想要显示多少种颜色，就需要l u t 有多少索引项。下面阐述本设计中对查找表算法 的一种改进： 0 s d 的输出是2 4 b i t 的r g b 信号，如果从数据准备的第一路开始就在o s d 总线上传输 2 4 b i t r g b 信号，不但会增加带宽，而且会大大增加两个显示缓冲区的空日j 。因此这罩使用 了l u t ( 查找表) 的方法。基本原理如下图： “ 2 4 b i t r g b 城竹亿啦 0 x 刚馏f 8 0 x o o 毫 0 x o o o o f s o x f s 0 0 0 0 ，2 4 b l t r g b 一+ 挂* f i 怂 图2 6 如图所示，查找表一共有2 5 6 项，每一项包含2 4 b i t 的r g b 和某些属性信息，i n d e x 是 8 b i t 的索引值，作为查找表的输入，输出是这一项的内容。i u t 查找表的内容在系统上电 时写入，并在工作过程中保持不变。这样，在l u t 之前，只要传输并保存i n d e x 值即可。 以上的查找表只有2 5 6 项，只能实现2 5 6 种颜色。假设要实现6 5 5 3 6 种颜色，做一个有6 5 5 3 6 项的查找表，需要的存储空间= 6 5 5 3 6 x 2 4 b i t ( 不