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摘要:把影視多媒體信息處理和高清LCD顯示技術(shù)結(jié)合在一起,應用于攝影取景、演播室導演、導播監(jiān)看、編輯等視頻、音頻的處理和顯示.為實現(xiàn)智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能,采用了高速視音頻處理電路進行數(shù)據(jù)處理,實時處理影視多媒體信息并顯示即時圖像,實現(xiàn)了可調(diào)色溫控制.高級特性包括屏幕標記、攝影模式、畫面放大、圖像翻換、單色顯示設(shè)置等功能.該產(chǎn)品是與攝影、廣播傳媒等配套的一款理想的便攜式輕量級設(shè)備.
關(guān)鍵詞:影視多媒體;信息處理;高清LCD;顯示技術(shù)
隨著影視攝像技術(shù)的發(fā)展,人們對監(jiān)視器的要求越來越高.所以,高清數(shù)字顯示設(shè)備必須緊跟整個數(shù)字高清攝像監(jiān)控市場發(fā)展潮流,不斷創(chuàng)新和提升性能指標,才能不斷滿足日益增長的影視數(shù)字高清攝像監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展.[1]數(shù)字高清和智能技術(shù)是未來整個影視數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向,對于攝像后端的顯示設(shè)備,數(shù)字液晶監(jiān)視器的技術(shù)發(fā)展趨勢是:低功耗和環(huán)保節(jié)能,超輕薄及高對比度,多功能和低成本,無閃爍、全數(shù)字高清顯示、畫面流暢及視角寬廣.數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的插幀倍頻技術(shù)、視頻處理、智能運算技術(shù)、IPS的硬屏顯示全視角技術(shù),甚至采用安卓技術(shù)等,都將在方寸電路板之間得到實現(xiàn).將來多功能、多元素將成為數(shù)字監(jiān)控顯示設(shè)備的發(fā)展方向,影視攝像市場需求也將呈現(xiàn)多元化、細分化.[2]本項目是把數(shù)字影視多媒體信息處理和高清LCD顯示結(jié)合在一起,具有智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能.項目產(chǎn)品目前在國內(nèi)還沒有同類產(chǎn)品,屬國內(nèi)首創(chuàng).本項目的實施,不僅有效填補我國影視多媒體信息處理器的生產(chǎn)空白,具有典型示范作用,而且提升了產(chǎn)品的技術(shù)水平和檔次,可以促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級,滿足市場發(fā)展需求,以有效推動我國電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,從而提升企業(yè)市場競爭力和經(jīng)濟效益.本項目產(chǎn)品不僅適合于專業(yè)領(lǐng)域如電視臺、大型電視劇、電影制片廠等攝影、導演在拍攝現(xiàn)場的應用,而且可以適用于攝影愛好者、婚紗影樓、廣告攝影等等,特別是現(xiàn)在興起的微電影.隨著人們生活水平的提高,對生活質(zhì)量的更高追求,攝影愛好者的隊伍壯大,項目產(chǎn)品將越來越受到不僅是專業(yè)人士,而且是業(yè)余愛好者的歡迎.
1影視多媒體信息處理器研究和重點解決的關(guān)鍵技術(shù)
項目產(chǎn)品設(shè)計要求實現(xiàn)攝影取景、演播室導演、導播監(jiān)看,編輯等視頻、音頻的處理和顯示.實現(xiàn)的影視多媒體信息處理功能主要有:可調(diào)色溫控制,高級特性包括屏幕標記、攝影模式、畫面放大、圖像翻換、單色顯示設(shè)置等,是一款理想的便攜式輕量級的取景配套監(jiān)視器,可適用于攝影取景、演播室導演、導播監(jiān)看、編輯等應用.本項目核心關(guān)鍵技術(shù)包括:(1)產(chǎn)品的系統(tǒng)控制電路采用ARM嵌入式系統(tǒng)進行控制,其速度快,摒棄其他電路的CPU控制相應時間慢的缺點,可提高開機速度及信號切換速度.(2)產(chǎn)品主要大規(guī)模IC:FPGA采用業(yè)界領(lǐng)先的XLINX7系列;ARM采用STM32用來做整套系統(tǒng)的控制;DDR3采用2顆DDR3用來保證統(tǒng)計高清數(shù)據(jù)所需要的流量.
2影視多媒體信息處理的設(shè)計與實現(xiàn)
本項目開發(fā)的重點技術(shù)是基于XILINX7系FPGA的強大的邏輯運算能力,比普通FPGA高出2.5倍,將視音頻處理功能與監(jiān)視器功能集于其內(nèi)部處理,極大地提高了音視頻數(shù)字處理速度及對圖片的數(shù)據(jù)讀取速度.可處理16.7M色8位RGB輸入信號,且具有低功耗、高容量、小體積、低成本的優(yōu)點,解決了行業(yè)技術(shù)中存在的功耗大、體積大、高成本、運算速度慢等問題.項目根據(jù)影視多媒體信息處理的需要、智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能的要求進行產(chǎn)品總體設(shè)計,采用單片F(xiàn)PGA為核心元件+ARM處理器,利用FPGA的強大并行運算能力,對信號輸入選擇、硬件圖形處理、并行數(shù)據(jù)處理體系、單通道超寬帶數(shù)據(jù)容量、全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)高速音視頻處理電路進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)實時處理影視多媒體信息并顯示即時圖像.其硬件電路組成由HDMI環(huán)路處理電路、圖像/音頻/數(shù)據(jù)/處理電路、輔助功能處理、音頻處理、數(shù)據(jù)存儲、TFT-LCD液晶顯示屏等組成.所設(shè)計的電路圖如圖1所示.實現(xiàn)的影視多媒體信息處理功能有:峰值輔助對焦、偽色彩、音頻柱、九宮格局部放大、亮度直方圖、RGB直方圖、曝光提示、波形圖、單色顯示(紅/綠/藍/黑白)、過掃描/欠掃描、矢量圖、中心標記、框型標、輔助對焦、鏡像模式(U/D,L/R)、點對點模式、色溫調(diào)整、5DII相機模式等.根據(jù)所實現(xiàn)的功能要求,編制相應的控制軟件.[3]項目設(shè)計采用了一種基于ARM+FPGA的高速數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng),所選用的ARM體系結(jié)構(gòu)是32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu),該微處理器擁有豐富的指令集,并且軟件編程靈活;FPGA在速度和并行運算方面具有很大優(yōu)勢,適合數(shù)字音視頻處理的實時性要求,使項目產(chǎn)品在使用性能和整機價格上,與行業(yè)的同類產(chǎn)品比較更具競爭力.[4]2.1音視頻信息處理在讀取圖片的輸入信號后,將圖片的亮度、對比度、色度音頻等數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為數(shù)學模式,在FPGA內(nèi)部進行數(shù)學統(tǒng)計,并與視頻數(shù)字信號比較計算后,轉(zhuǎn)換為OSD,嵌入數(shù)字視頻信號中,然后在屏幕上顯示出來,從而實現(xiàn)本項目產(chǎn)品的附加功能.2.2采用ARMCortexM3架構(gòu)微處理器的系統(tǒng)控制的實現(xiàn)ARMCortex-M系列是為那些對開發(fā)費用敏感同時對性能要求不斷增加的嵌入式應用(如微控制器、汽車車身控制系統(tǒng)和各種大型家電)所設(shè)計的,主要面向單片機領(lǐng)域.本項目將其移植為本機的系統(tǒng)控制器.[5](1)ARMCortexM3為32位處理器,具備指令與數(shù)據(jù)共用信號總線和存儲器,因為指令和數(shù)據(jù)可以同時從存儲器進行讀取,所以處理器可以對多個操作并行處理和執(zhí)行,提高了應用程序的執(zhí)行速度.而監(jiān)視器的使用,會因為現(xiàn)場的使用環(huán)境的變化而需要對一些模擬量進行變動,ARMCortexM3系統(tǒng)則根據(jù)面板按鍵的操作及視頻信號的變量,同時做出執(zhí)行,與FPGA配合,加快了影視多媒體信息處理器的開機速度和操作速度.開機時間一般可做到在3s以內(nèi).而ARMCortexM3系統(tǒng)的擴展使用,還可以外接LAN網(wǎng)絡(luò)端口,實現(xiàn)監(jiān)視器的遠程模擬量控制.[6](2)ARMCortexM3系統(tǒng)還可以在人機對話中(按鍵面板操作中),將其中的四個按鍵設(shè)置為客戶可自定義鍵,客戶可以根據(jù)各自的使用習慣,將自己喜愛的功能操作進行自定義設(shè)置,在面板按鍵直接操作,而不必進入OSD進行,提高了操作的快捷性.(3)ARMCortexM3系統(tǒng)在開機界面上可以靈活地應用,將來甚至可以開發(fā)出動畫開機界面,滿足不同客戶的需求,提高產(chǎn)品的附加值.2.3系統(tǒng)控制電路的實現(xiàn)本項目產(chǎn)品的系統(tǒng)控制電路采用ARM嵌入式系統(tǒng)進行控制,其速度快,可提高開機速度及信號切換速度.項目產(chǎn)品采用的主要大規(guī)模IC:FPGA采用業(yè)界領(lǐng)先的XLINX7系列;ARM采用STM32用來做整套系統(tǒng)的控制;DDR3采用2顆DDR3用來保證統(tǒng)計高清數(shù)據(jù)所需要的流量.[7]在現(xiàn)實的采集與顯示過程中,視頻轉(zhuǎn)換接口功能的實現(xiàn)通過以下步驟來完成:(1)對接收到的ITU-RBT.ITU656數(shù)據(jù)流解交織處理;(2)對解交織處理后的數(shù)據(jù)流進行色彩空間轉(zhuǎn)換處理;(3)將轉(zhuǎn)換處理后的每個像素的RGB值寫入存儲器中;(4)從存儲器中讀出像素的RGB值,并將其轉(zhuǎn)換處理成TMDS碼元序列;(5)從存儲器中讀出像素的LVDS值,并將其傳送到LCD顯示屏進行圖像顯示.[8]
3結(jié)語
本項目根據(jù)攝影取景、演播室導演、導播監(jiān)看、編輯等的影視多媒體信息處理的需要,應用智能化影視多媒體信息處理和高清監(jiān)視功能技術(shù)進行產(chǎn)品總體設(shè)計.項目產(chǎn)品采用單片F(xiàn)PGA為核心元件+ARM處理器,利用FPGA的強大并行運算能力,對信號輸入選擇、硬件圖形處理、并行數(shù)據(jù)處理體系、單通道超寬帶數(shù)據(jù)容量、全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)高速音視頻處理電路進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)實時處理影視多媒體信息并顯示即時圖像.并且進行項目產(chǎn)品的軟硬件調(diào)試,最后進行外殼設(shè)計,完成項目產(chǎn)品研制.該項目2017年列入福建省項目成果轉(zhuǎn)化資金項目(閩發(fā)改投資【2017】253號).產(chǎn)品經(jīng)漳州市計量所檢驗合格.產(chǎn)品填補了國內(nèi)此類產(chǎn)品研究和生產(chǎn)的技術(shù)空白,具有技術(shù)首創(chuàng)性和較好的技術(shù)意義,也具有較高的國內(nèi)外市場潛力.
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作者:張建國 單位:漳州職業(yè)技術(shù)學院