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基于H.265標準的機載HDMI視頻處理系統設計

2016年微型機與應用第13期

陳紹祥,劉星月，歐小凡

（成都大學信息科學與工程學院,四川成都 610106）

摘要： 基于H.265標準的機載HDMI視頻信號處理系統具備多種視頻預處理功能，有利于提高視頻質量。與采用H.264標準的視頻處理系統相比，該系統的頻壓縮效率顯著提高，降低了機載HDMI視頻對存儲空間和傳輸帶寬的要求，便于機載視頻的存儲和無線傳輸。

關鍵詞： H.265標準 HDMI 機載視頻視頻預處理

Abstract：

Key words :

　　陳紹祥,劉星月，歐小凡

　　（成都大學信息科學與工程學院,四川成都 610106）

　　摘要：基于H.265標準的機載HDMI視頻信號處理系統具備多種視頻預處理功能，有利于提高視頻質量。與采用H.264標準的視頻處理系統相比，該系統的頻壓縮效率顯著提高，降低了機載HDMI視頻對存儲空間和傳輸帶寬的要求，便于機載視頻的存儲和無線傳輸。

　　關鍵詞：H.265標準；HDMI；機載視頻；視頻預處理

0引言

　　飛機在飛行過程中，機載儀表、顯示終端的相關圖表、數據以及機艙內部的視頻圖像場景需要通過機載視頻處理系統進行記錄或及時回傳到地面，以便于事后分析或實時導航。為了提高飛行的安全性和實現精準導航，要求視頻圖像具有更高的清晰度，由于高清視頻的數據量非常巨大，對存儲空間和傳輸帶寬的需求增大，因而要求機載圖像處理系統在不大幅犧牲圖像質量的前提下盡可能地對海量圖像數據進行壓縮，以便節省存儲空間或降低對傳輸圖1系統結構圖帶寬的要求［1］。

　　機載視頻圖像的壓縮經歷了從MPEG1、MPEG2、MPEG4到目前廣泛應用的H.264的演進歷程，H.265是繼H.264之后的最新視頻編碼標準，該標準于2013年4月13日正式成為國際標準。H.265/HEVC標準的目標是，相比H.264/AVCHP(HighProfile)的圖像質量，碼率降低50% ［23］。

　　高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）作為一種先進的高清多媒體視頻接口，被廣泛用作機載儀表、顯示終端及其機載視頻采集設備（如攝像機等）的視頻輸出接口［4］。本文介紹了一種基于H.265視頻壓縮標準對機載HDMI視頻圖像進行壓縮的視頻處理系統，從硬件設計原理的角度介紹了該系統的設計。

1系統結構設計

　　本系統主要完成對機載HDMI視頻源的采集和壓縮處理，因此本系統主要由HDMI接口模塊、壓縮及控制模塊和電源變換模塊組成，系統結構如圖1所示。

　　本系統通過HDMI接口模塊接收由機載儀表、顯示終端及其機載視頻采集設備（如攝像機等）輸出的HDMI視頻信號，完成HDMI視頻信號的解碼，并將其轉換為標準的BT1120并行視頻數據流輸入到壓縮及控制模塊。在壓縮及控制模塊內部，針對機載視頻圖像的特點對視頻圖像進行預處理之后按照H.265標準進行壓縮，壓縮后的數據流通過機載無線發送設備傳輸到地面飛行控制中心，也可以通過機載存儲設備進行存儲。系統原理圖如圖2所示。

2HDMI視頻接口模塊的設計　

　　HDMI是一種數字化視頻/音頻接口技術，可同時傳送音頻和影像信號，最高數據傳輸速度為2.25 GB/s，可以支持1080P的分辨率，兼容數字視頻接口（Digital Visual Interface，DVI）［5］。在本系統中，選用ADI公司的ADV7610作為HDMI視頻接口芯片，完成HDMI視頻信號的接收和解碼。ADV7610是一款高質量、單輸入HDMI接收器，支持HDMI 1.4規范規定的所有強制性3D電視格式，最高可達1 600×1 200 60 Hz、8位的分辨率。它集成一個CEC（Consumer Electronics Control）控制器，支持能力發現和控制(CDC)特性。內置一個主分量處理器(CP)，提供的功能包括：對比度、亮度和飽和度調整，以及同步對準控制等。

　　機載HDMI視頻輸出接口與ADV7610之間通過3對最小差分變換信號（Transition Minimized Differential Signaling，TMDS）RXA_0±、RXA_1±、RXA_2±來傳遞三基色（紅R、藍G、綠B）通道信號，采用一對TMDS信號RXA_C±來傳遞參考時鐘信號。通過DDCA_SCL和DDCA_SDA串行接口可以實現高帶寬數字內容保護(Highbandwidth Digital Content Protection，HDCP)功能，從而可以接收全部格式的高清HDMI視頻信號。RXA_5V用于HDMI接口連接檢測，HPA_A用于對外部HDMI接口設備的連接指示，以支持熱拔插檢測和指示功能。

　　在本系統中，為了增強接口的靜電放電（ElectroStatic Discharge，ESD）保護能力，在機載視頻源和HDMI接口芯片ADV7610之間采用TPD12S520進行隔離。TPD12S520是TI公司推出的專用于HDMI接口的單片ESD保護芯片，支持HDMI 1.3數據速率，0.8 pF的超低I/O電容，TMDS間0.05 pF的匹配電容，±8 kV的接觸放電。

　　ADV7610視頻解碼輸出格式可以由視頻壓縮及控制模塊通過I2C總線（SCL和SDATA）來進行配置，根據配置不同，可以選擇支持8/12 bit ITUR BT.656 4:2:2 YCrCb、16/24 bit ITUR BT.11520 4:2:2 YCrCb或24 bit 4:4:4 RGB格式，定時和同步型號可以內嵌編碼中，也可以單獨輸出HS、 VS 、FIELD等信號。解碼后的并行數據和定時信號送到壓縮及控制單元進行壓縮,音頻信號通過I2S接口送到壓縮及控制單元進行壓縮。

3壓縮及控制模塊的設計

　　HDMI視頻信號源經過視頻接口模塊解碼進入壓縮及控制模塊，該模塊主要完成按照H.265標準進行視頻數據的壓縮工作，同時，該模塊也負責對整個系統的配置、管理和控制。

　　在本系統中，選用Hi3516A作為壓縮及控制模塊的核心芯片。Hi3516A是海思公司推出的基于H.265/HEVC標準的高清網絡攝像機處理器。Hi3516A處理器采用海思先進的H.265/HEVC算法，改善了H.265/HEVC標準固有的圖像振鈴效應，極大減少了大運動場景下的拖尾現象和塊效應［5］。支持H.264 BP/MP/HP、H.265 Main Profile、MJPEG/JPEG Baseline 編碼。

　　Hi3516A的視頻捕獲單元 VICAP（Video Capture）通過 BT656/601、 BT1120 接口接收HDMI視頻接口單元輸出的并行視頻數據。VICAP支持內嵌圖像信號處理(Image Signal Processing，ISP)單元，針對機載視頻的特點，可以對視頻圖像進行白平衡調節、降噪、強光抑制、背光補償、色彩增強、壞點校正、數字防抖、去霧等視頻預處理功能，以提高視頻質量。經過預處理后的視頻數據存入輸入圖像緩沖區，作為后續進行H.265視頻壓縮的數據源。

　　Hi3516A完成H.265的壓縮是由內部的VEDU（Video Encode Decode Unit）單元來完成的，VEDU是一個硬件實現的支持 H.265 視頻標準的編碼器。VEDU 編碼實現了運動估計/幀間預測、幀內預測、運動矢量預測、變換/量化、反量化/反變換、 CABAC 編碼及碼流生成、 de-blocking 濾波、 SAO 等協議/算法處理。Hi3516A內嵌CotexA7@600 MHz處理器，通過設計相應的應用軟件可以完成碼率控制和中斷處理等編碼控制處理。編碼壓縮后的視頻碼流存儲在碼流緩沖區內。

　　在本系統中，經過Hi3516A壓縮處理后的視頻流通過SPI(Serial Peripheral Interface)接口傳送到機載無線設備，以便地面控制中心接收。也可以通過USB接口連接存儲介質進行存儲。為了便于調試或測試，壓縮視頻流也可以通過網絡接口傳輸到PC進行H.265解壓，恢復原始視頻。在本方案中，選用RTL8211作為以太網PHY接口芯片，它通過RGMII接口與Hi3516A連接，提供10 MB/100 MB/1 000 MB以太網絡接口。

　　在本系統中，選用兩片H5TC4G63AFR（DDR3SDRAM）提供8 GB存儲空間，以滿足H.265壓縮對于數據緩存空間以及處理器運行對于緩存數據空間的需求。采用256 MB存儲空間的SPI Flash芯片MX25L25635和128 GB存儲空間的NAND Flash芯片MT29F64G08CFABAWP來存儲系統程序和應用程序。

4電源變換模塊設計

　　由于機載設備大多采用DC 24 V供電，因此，本系統接收外部提供DC 24 V電源(可接收9~36 V范圍內變化的直流電源輸入)，經電源變換模塊轉換為系統內部需要的3.3 V、1.8 V、1.5 V和1.1 V電源。為避免IO在上電時電流過大，要求3.3 V先于1.1 V上電。電源變換模塊原理框圖如圖3所示。

5測試結果與總結

　　通過錄制6 min的HDMI視頻對本系統進行測試。如果采用H.264的壓縮方式，其文件大小為305 MB，而采用本文所設計的基于H.265的視頻處理系統來進行錄制，其文件大小為75.6 MB，是前者的四分之一，且視頻效果相當甚至略好。采用本系統所具備的視頻預處理功能能有效地改善機載圖像的質量。