基于SDI接口的實(shí)時(shí)圖像增強顯示系統
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SDI接口(Serial Digital Interface)是直接通過(guò)采用數字化的方法對視頻信號進(jìn)行控制、處理和傳輸，將數字視頻或者音頻信號按有效行場(chǎng)方式通過(guò)單芯同軸電纜傳輸，而后將數字信號直接接入后續的處理系統，避免傳統的模擬信號因A／D和D／A轉換帶來(lái)的圖像細節和質(zhì)量損失，也使得設備間的交互變得更加簡(jiǎn)單方便。SDI接口傳輸速率高、適應性強、即插即用、對環(huán)境要求不高以及應用范圍廣等特點(diǎn)，目前SDI已經(jīng)作為國內很多戰略靶場(chǎng)軍工圖像設備的一種協(xié)議標準。
目前在民用方面，SDI接口作為一種標準視頻傳輸接口已被世界上多數視頻設備廠(chǎng)商接受并采納，涉足數字攝像領(lǐng)域、電視電影及專(zhuān)業(yè)的演播室等領(lǐng)域。世界知名的索尼、松下等公司生產(chǎn)的視頻設備均支持SDI接口協(xié)議。
1 系統硬件結構
系統結構如圖1所示，主要由Camera Link接口、千兆網(wǎng)接口、大容量SRAM存儲器、FPGA芯片、SDI接口芯片以及SDI接口監視器等構成。這里FPGA是整個(gè)系統的核心邏輯，采用XILINX公司的V2系列XC2V4000FFG1152芯片，該芯片有1152個(gè)IO引腳，4 MB的系統門(mén)單元，120個(gè)乘法器，12個(gè)數字時(shí)鐘管理器，824個(gè)用戶(hù)可定義IO，120x18 b的塊RAM。豐富的硬件資源給輸入圖像的顯示和增強處理提供了可靠保證。該系統的基本工作過(guò)程首先接收Camera Link接口或千兆網(wǎng)接口的圖像數據，經(jīng)過(guò)專(zhuān)用接口轉換芯片將數據轉換成TTL或者CMOS格式，傳送給FPGA，在FPGA內部經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)圖像處理、協(xié)議轉換，輸出符合SDI接口芯片的數據，經(jīng)過(guò)接口芯片的并串轉換，實(shí)時(shí)輸出SDI標清圖像數據。
這里FPGA的主要工作原理如圖2所示。在該模塊中，系統上電后首先完成對SDI接口芯片工作寄存器的配置，從而完成對其工作模式的選擇；然后需要完成輸入圖像數據接口到接口芯片的行場(chǎng)時(shí)鐘協(xié)議轉換以及數據到YCbCr格式轉換，這里采用FPGA對雙緩存的控制完成格式轉換，本文應用畫(huà)幅縮放、灰度拉伸和偽彩色處理實(shí)現圖像增強處理，這在下一節做具體描述。
2 圖像增強算法
2．1 灰度拉伸算法
現在很多相機都基于CameraLink接口和千兆網(wǎng)接口，它們的輸出數據位存在8 b，10 b和14 b等多種情況，本文在系統設計時(shí)做了智能處理，通過(guò)上位機RS232串口向該系統轉換模塊發(fā)送一個(gè)命令信號，告知系統輸入端的灰度數據位數和系統輸出端的數據位數，從而使算法實(shí)現不同的灰度拉伸。由于一般的監視器只能顯示8 b灰度的圖像數據，SDI信號有8 b和10 b兩個(gè)差別。對灰度圖像做一個(gè)線(xiàn)性拉伸，不論前端輸入圖像數據是多少位，可以利用該算法將圖像數據映射到8 b和10 b空間，即下面介紹的拉伸處理。這里以輸入圖像數據14 b為例，假設輸入為10 b圖像數據，其宏觀(guān)概念是。將14 b數據空間線(xiàn)性映射到10 b空間。假設做灰度拉伸前的灰度值為Yi，則它的灰度取值范圍是[0，16 383]；灰度拉伸之后的灰度值為Yi’，它的取值范圍為[0，1 023]，則Yi和Yi’直接直接的映射關(guān)系為：
式中：Ymax為某幀圖像的灰度最大值；Ymin為某幀圖像的灰度最小值。
如果輸出為8 b圖像數據，則根據需要將14 b灰度轉換到8 b灰度空間，線(xiàn)性映射關(guān)系為：
式中：Ymax為某幀圖像的灰度最大值；Ymin為某幀圖像的灰度最小值。
根據上面的公式可看出，在進(jìn)行拉伸變換時(shí)，需要用到基本的乘除法運算，這在Xilinx公司FPGA內部實(shí)現起來(lái)較困難，最為常用的做法是調用FPGA內部的乘除法IP核，這樣可以極大提高FPGA的工作效率。根據上面的公式，若想實(shí)現算法，還需要知道當前幀圖像數據的灰度最小值和最大值。FPGA工作是以時(shí)鐘為基礎的，具有實(shí)時(shí)性，如果想獲得當前幀的灰度最值，需要對圖像數據進(jìn)行緩存處理，然后二次提取最值。在程序實(shí)現上，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在此利用前一幀數據的灰度最大值和最小值來(lái)代替當前幀的最大值最小值。這樣對當前幀遍歷求取最值，然后應用到下一幀圖像中去，這里認為前后幀相關(guān)性比較大，不會(huì )對算法造成很大影響。
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