《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SoPC的OSD控制器設(shè)計
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
喻金華，符浩敏，肖鐵軍
1.南京視威電子科技股份有限公司，江蘇 南京210038； 2.江蘇大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，
摘要： OSD系統(tǒng)是人機(jī)交互的橋梁，為滿足市場需求及迎合當(dāng)前高清視頻發(fā)展趨勢，應(yīng)用一種自定義OSD界面布局方法和一種改進(jìn)型二步索引算法，并對透明度混疊算法進(jìn)行了變換及硬件實現(xiàn)，以軟硬件協(xié)同的方式實現(xiàn)自定義OSD功能，具有界面控制靈活及低硬件資源消耗等特點。本設(shè)計通過以Xilinx公司XC7K325T-2FFG900為核心芯片的Kintex7 FPGA開發(fā)板進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該設(shè)計方案具有可行性。
關(guān)鍵詞： FPGA OSD SoPC 軟硬件協(xié)同 Kintex7
中圖分類號： TP302
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)06-0010-04
Design of OSD controller based on SoPC
Yu Jinhua1，F(xiàn)u Haomin2，Xiao Tiejun2
1.Nanjing SWIT Electronics Co., Ltd., Nanjing 210038，China；2.School of Computer Science and Telecommunications Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China
Abstract： The OSD system is the interactive bridge of the user and display terminal. So in order to meet market demand and the current high-definition video developmental trends，a custom interface layout method and a two-step-index algorithm for OSD are applied, and the alpha overlay algorithm is converted to make it suitable for FPGA hardware implementation. The design achieves custom OSD function in a software-hardware co-operating way, which has the features like flexible to control and low resource consumption. Simulation is done on Xilinx′s Kintex7 FPGA development board，in which the core-chip is XC7K325T-2FFG900. The result proves that the design is available.
Key words : OSD；SoPC；software-hardware co-operating；FPGA

       隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，在視頻顯示終端的原始圖像上額外疊加一些文字信息或圖形界面，向用戶提供更多的附加信息已不再是什么難事，通過屏顯示系統(tǒng)OSD（On Screen Display）就能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能。近年來，OSD的設(shè)計受到越來越多的關(guān)注[1]，OSD系統(tǒng)已然成為用戶與顯示終端之間交互的橋梁。

        OSD系統(tǒng)通常采用專用芯片實現(xiàn)[2-4]，這類方案或是以專用芯片內(nèi)部微控制器作為核心，或是以外部單片機(jī)作為控制核心。由于OSD技術(shù)對同步時序的要求非常嚴(yán)格，所以用微控制器控制時序的可靠性較差[5]。隨著視頻顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，市場對電路集成度和視頻數(shù)據(jù)處理速度的要求越來越高（同步時序要求更嚴(yán)格），采用專用芯片的實現(xiàn)方案越來越難以滿足要求。很多廠商早已開始將OSD功能集成到一塊包含其他功能模塊的芯片上(即片上系統(tǒng)SoC(System on Chip))，國外一些廠商推出了采用FPGA實現(xiàn)OSD功能且具有知識產(chǎn)權(quán)的IP核，但其硬件實現(xiàn)技術(shù)一般處于封鎖狀態(tài)；國內(nèi)也有采用FPGA實現(xiàn)OSD功能的研究[5-8]，但仍處于探索階段。因此，研究OSD功能的FPGA實現(xiàn)方案具有深遠(yuǎn)意義。

        據(jù)此，本文提出一種基于SoPC的OSD控制器實現(xiàn)方案。該方案應(yīng)用了一種OSD界面自定義布局方法和一種改進(jìn)型二步索引算法[7]，以軟硬件協(xié)同的方式著重實現(xiàn)在源視頻圖像上疊加一個可自定義布局風(fēng)格的OSD界面，整體上可實現(xiàn)自定義OSD功能。

1 OSD控制器的總體設(shè)計

        本OSD控制器使用自定義OSD界面布局方法。首先基于像素掃描坐標(biāo)在OSD界面內(nèi)劃分出字符顯示區(qū)，將剩下的區(qū)域作為背景區(qū)，并基于OSD界面內(nèi)一起止坐標(biāo)可調(diào)的矩形區(qū)域（如圖1中的矩形區(qū)域5）將背景區(qū)分為9個矩形區(qū)域，對不同區(qū)域選擇輸出所配置顏色的像素數(shù)據(jù)，并直接與源視頻像素數(shù)據(jù)進(jìn)行透明度混合運(yùn)算輸出，以此實現(xiàn)圖像的疊加，同時省去OSD幀緩存的存儲資源消耗。

        基于以上方法的OSD控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸入視頻信號首先經(jīng)過視頻輸入接口（圖2虛線框內(nèi)部分）提取出源視頻信號中的像素掃描坐標(biāo)及RGB像素數(shù)據(jù)；OSD區(qū)域識別模塊基于像素掃描坐標(biāo)判斷當(dāng)前所在位置，并發(fā)出相應(yīng)標(biāo)識信息，在整個數(shù)據(jù)處理過程中，軟核系統(tǒng)通過寫OSD配置寄存器組及字型碼存儲器讀寫接口，實現(xiàn)對OSD電路運(yùn)行狀態(tài)的實時控制；像素數(shù)據(jù)選擇輸出模塊基于標(biāo)識信息選擇輸出相應(yīng)顏色的像素數(shù)據(jù)至后級；alpha混合運(yùn)算處理模塊完成OSD界面像素數(shù)據(jù)與從源視頻信號中提取出的RGB像素數(shù)據(jù)的透明度混合運(yùn)算處理；處理后視頻信號輸出至顯示接口。

 

 

2 OSD控制器硬件平臺的實現(xiàn)

        根據(jù)實際情況，選擇以Xilinx公司XC7K325T-2FFG900為核心芯片的Kintex7 FPGA開發(fā)板作為OSD控制設(shè)計的硬件平臺，采用內(nèi)嵌MicroBlaze軟核的系統(tǒng)作為上位機(jī)。該開發(fā)板配有一定數(shù)量的I/O和各種數(shù)據(jù)接口，另外通過USB電纜將PC與Kintex7連接起來就能進(jìn)行編程調(diào)試，使用方便可靠。圖3所示為基于該硬件平臺的OSD控制器系統(tǒng)框圖。

2.1 SDI接口與HDMI接口模塊

        輸入視頻信號是數(shù)據(jù)格式為YUV的 20 bit串行數(shù)字接口SDI(Serial Digital Interface)信號，該模塊首先將YUV444轉(zhuǎn)換為YUV422，再轉(zhuǎn)換為30 bit的RGB（各分量占10 bit）像素數(shù)據(jù)并將其作為整個處理過程的數(shù)據(jù)格式，從時序信號中提取出視頻像素掃描坐標(biāo)（X_scan，Y_scan）。為節(jié)省視頻圖像幀緩存資源，采用了高清晰度多媒體接口HDMI(High Definition Multimedia Interface）將處理得到的數(shù)據(jù)輸出顯示。

2.2 軟核系統(tǒng)模塊

        通過Xilinx 公司ISE（Integrated Software Environment）內(nèi)嵌的XPS（Xilinx Platform Studio）軟件可以搭建以MicroBlaze軟核處理器為控制核心的、具有AXI總線架構(gòu)的軟核系統(tǒng)，本設(shè)計中選擇添加了axi_gpio接口組件和IIC_MAIN接口組件IP，另外自定義OSD配置寄存器組件layer、chars和字型碼存儲器讀寫接口index組件。

        其中，axi_gpio接口組件與外部按鍵和LED相連，以實現(xiàn)對按鍵的檢測及相關(guān)狀態(tài)的顯示；IIC_MAIN接口組件則作為軟核對內(nèi)部SDI信號接口模塊的視頻配置通道；自定義組件chars和layers分別為與字符顯示屬性和OSD界面屬性相關(guān)的配置寄存器組；自定義組件index用于暫存軟核寫入的待顯示字符索引號信息，并作為訪問字型碼存儲器的接口，產(chǎn)生相應(yīng)的訪問地址。圖4所示為本軟核系統(tǒng)中各組件及其地址分配情況。

2.3 OSD配置寄存器組

        組件chars和layers作為OSD配置寄存器組，每個組件最多包含32個32 bit的寄存器，這些寄存器位的含義可根據(jù)需要進(jìn)行自定義。

        對于chars組件，定義為32個字符串或進(jìn)度條顯示區(qū)的配置寄存器，其含義如表1所示。

        本設(shè)計OSD界面的進(jìn)度條顯示區(qū)和字符顯示區(qū)是分時復(fù)用的，且字符串所代表的含義也會有不同類別（如主、子菜單項和設(shè)置項等），因此采用D31~D29編碼來體現(xiàn)這些差異。

        組件layer中包含了與OSD界面屬性配置相關(guān)的寄存器，如起點坐標(biāo)（X_osd，Y_osd）、長L_osd、寬W_osd、布局坐標(biāo)、各區(qū)域顏色和透明度等參數(shù)配置寄存器，共23個。

2.4 a_blending模塊

        本模塊是整個OSD控制器的數(shù)據(jù)處理中心，依次完成圖2所示的OSD區(qū)域識別、像素數(shù)據(jù)選擇輸出和alpha混合運(yùn)算處理等過程。在區(qū)域識別模塊檢測到當(dāng)前像素掃描坐標(biāo)處于字符顯示區(qū)時，該模塊發(fā)出讀字型碼請求以獲取相應(yīng)點陣編碼信息，在背景區(qū)則直接輸出相應(yīng)標(biāo)識信號。后級模塊根據(jù)點陣編碼信息、區(qū)域標(biāo)識信息及相關(guān)配置信息選擇輸出相應(yīng)像素數(shù)據(jù)，最后完成與源視頻像素數(shù)據(jù)的alpha混合運(yùn)算處理。將alpha混合算法中的浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為兩個2的冪次數(shù)的除法，便于硬件通過移位實現(xiàn)乘除運(yùn)算，通過軟件對冪次數(shù)的設(shè)置實現(xiàn)對透明度的實時控制。

3 OSD控制器的軟件設(shè)計

        基于OSD控制器的軟件平臺，在Xilinx的SDK（Software Development Kit)開發(fā)環(huán)境中編寫控制、顯示等應(yīng)用程序，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、按鍵控制、OSD界面設(shè)計、字符顯示控制等功能。

        系統(tǒng)在復(fù)位后對視頻輸入接口電路進(jìn)行初始化，之后進(jìn)入按鍵控制子程序，按鍵將引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入OSD界面設(shè)計模式或者OSD工作模式，各模式將根據(jù)后續(xù)按鍵情況調(diào)用OSD界面設(shè)計子程序和字符顯示控制子程序。主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果

4.1 實驗效果

        如圖6所示為1 280×720分辨率的源視頻圖像上疊加的兩種720×360分辨率的自定義OSD界面(截圖)，界面顯示狀態(tài)可由軟核（上位機(jī)）實時控制。

        圖6（上）中的布局坐標(biāo)將OSD界面平均分成9個區(qū)域，各區(qū)域顏色、透明度均不同，界面下欄MENU1~12為12個主菜單字符串顯示區(qū)；左欄SON1~SON6為6個子菜單字符串顯示區(qū)；右上部分區(qū)域定義了6個設(shè)置菜單字符串項SET1~SET6及一個進(jìn)度條顯示區(qū)；最上方定義了一個當(dāng)前選中設(shè)置項信息提示字符串顯示區(qū)。這些字符串/進(jìn)度條顯示區(qū)的位置、顏色等屬性均為實時可調(diào)的，在數(shù)量上也可根據(jù)需要增減。而圖6（下）是對布局坐標(biāo)及所產(chǎn)生的9個區(qū)域顏色、透明度參數(shù)進(jìn)行了一定調(diào)整后形成的另一種界面。

4.2 資源消耗統(tǒng)計與分析

        本OSD控制器模塊所占用片內(nèi)存儲資源主要消耗在字型碼存儲器、索引號存儲器的實現(xiàn)以及軟核系統(tǒng)平臺對實現(xiàn)字符串顯示而進(jìn)行的程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲。

        對于軟核系統(tǒng)平臺在OSD控制器實現(xiàn)方面的資源消耗，自定義組件index、chars及l(fā)ayers各占4 KB，共計12 KB；axi_bram_ctrl_0組件用于存儲實現(xiàn)OSD控制器模塊字符串顯示的程序數(shù)據(jù)，共用了64-16=48 KB。綜上所述，OSD控制器模塊最多消耗存儲資源為2.1 KB+1 KB+12 KB+48 KB=63.1 KB。

        在具體實現(xiàn)硬件電路時，多余的資源消耗將會被優(yōu)化，因此OSD控制器模塊實際消耗的存儲資源將小于63.1 BK。圖7所示為添加OSD控制器模塊前后系統(tǒng)生成的片內(nèi)RAM資源消耗報告表。由圖可知OSD控制器模塊消耗12個RAM36E1/FIFO36E1s，即12×(36/8)=54 KB。

        而對于采用OSD界面幀緩存的設(shè)計方案，即使實現(xiàn)720×360的4色圖像界面顯示，至少也要消耗存儲資源2×720×360/8/1 024=63.281 25 KB，這還不包括系統(tǒng)在其他方面的資源消耗。若要實現(xiàn)更多色彩圖像的顯示，則存儲資源消耗將會成倍地增加。

        OSD作為人機(jī)交互的橋梁，是視頻處理模塊的重要組成部分，而當(dāng)前市場對視頻處理模塊電路集成度和數(shù)據(jù)處理速度要求越來越高。本文提出了一種基于SoPC的OSD控制器設(shè)計方案，其中應(yīng)用了一種自定義界面布局方法和一種改進(jìn)型二步索引算法，節(jié)省了系統(tǒng)的存儲資源開銷。另外對透明度混疊算法進(jìn)行了取整變換，使之便于FPGA硬件實現(xiàn)及軟件控制?？傮w上該方案以軟硬協(xié)調(diào)的方式實現(xiàn)OSD控制器功能。實驗結(jié)果表明，該控制器極大地節(jié)約了資源，并且在實現(xiàn)OSD功能時也有很好的靈活性。

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