基于FPGA的视频应用OSD设计

近年来，数字视频监控系统在银行、高速公路、楼宇等各个领域取得了广泛的应用。在数字视频监控系统中，OSD(On Screen Display)技术是不可或缺的部分。OSD为用户提供友好的人机界面，能够使用户获得更多的附加信息。

系统构成
   本文介绍的系统是基于TI DSP TMS320DM6 3与FPGA的完整视频监控系统，支持1路视频的输入和1路视频输出，此外还提供网络接口。
 
    视频输入采用TI的高性价比视频解码器TVP5150A来实现，TVP5150A可实现两路复合视频输入或一路S-video视频信号的采集。通过I2C进行寄存器配置，输出数字视频信号遵循ITU656标准。
 
    TVP5150A解码后的数字视频信号通过DM6 3的视频端口1传送给DSP，由DSP进行必要的视频处理，由网络接口输出给远端设备。另一方面，DM6 3把从网络接收的视频数据处理后，通过视频端口2，经过FPGA，由SAA7105显示输出，具体结构如图1所示。
 
    输出部分采用SAA7105实现。SAA7105是NXP公司的一款高性能视频编码器，可提供复合视频输出、VGA视频输出以及HDTV高清视频信号的输出。SAA7105的控制也通过I2C实现，接收复合ITU656标准的数字视频信号。
 
    视频处理部分采用的是TI的DSP TMS320DM6 3来实现。DM6 3主频可达600MHz，有2个20位的视频端口，视频端口支持BT.656、Y/C等数字视频接口，DM6 3还集成了网络MAC，可实现网络接入。
 
   硬件性能的发展速度总是很难满足软件的需求。在视频处理越来越复杂的应用中，DSP承担着繁杂的视频处理任务，资源变得非常紧张，所以在本系统设计中，采用了FPGA实现OSD的设计，可以减轻DSP的负担。
 
    OSD实现部分选用的是赛灵思公司的XC3S250E。XC3S250E是赛灵思SPARTAN-3E系列的FPGA，有25万个逻辑门。
 

图1：基于TMS320DM6 3与FPGA的完整视频监控系统架构示意图
 
OSD实现
 
    SAA7105无法实现OSD功能，而由XC3S250E来实现。主控芯片DM6 3只需要通知FPGA要显示的内容和位置，具体的工作由FPGA执行。OSD的逻辑框图如图2所示。
 

图2：OSD功能框图 [p]

 OSD FPGA通过EMIFA从DSP DM6 3接收OSD数据和控制指令，通过DSP的视频端口1接收视频数据，并将OSD的信息叠加到视频数据上，输出给视频编码器SAA7105。OSD的各功能模块描述如下。
 
   地址译码模块的数据端口与DSP DM6 3的EMIFA低32位数据接口，接收DM6 3发出的数据与控制信息，这些数据和控制信息是DM6 3发出的原始32位数据。地址译码模块将接收到的OSD数据，如OSD的内容等，以32位数据格式放入到FPGA的内部FIFO中。而控制信息主要是通过一组控制寄存器对OSD实现控制。
 
   与DSP直接连接的模块还有视频接口模块。视频接口模块与DSP的视频端口2相连，存储来自DSP视频端口的数据与控制信息。这些控制信息被直接传输给OSD多路控制模块，同时控制信息也直接控制视频解码器SAA7105。
 
    OSD控制逻辑把从控制寄存器组得到的控制信息输出到OSD的各个功能模块，实现对OSD的控制。寄存器组主要分为两个部分：一是异步寄存器组，向OSD发送如复位、OSD使能和选择数据宽度的控制信息；另一个是同步寄存器组，主要控制OSD的位置信息。
 
    OSD解码模块根据控制逻辑的控制信息，从FIFO中取出要显示的数据，以与视频数据同步的方式输出到OSD CLUT模块。从FIFO中获得的数据是原始的DSP 32位数据，而OSD CLUT模块需要的数据是8/16位的，所以OSD解包模块需要以一定的规则将32位数据解包，以视频端口的频率将32位数据以8/16的宽度传输给OSD CLUT模块。
 
    FIFO模块的另外一个功能是向DMA事件发生器模块传递FIFO的状态信息，如FIFO满或FIFO空。DMA事件发生器监控这些事件，如果发生，则以中断的模式发送给DM6 3，以实现对FIFO的正确读写操作。
 
    OSD CLUT模块为从OSD解包模块接收的每个象素的数据查找YCbCr的对应值，并控制这些OSD CLUT数据的输出顺序。这种转换关系是由DSP通过24位的数据端口传送过来的。OSD CLUT模块的数据直接输出给OSD多路控制器模块。
 
    OSD多路控制模块根据从OSD CLUT模块接收到的Alpha控制位确定输出视频数据，如果当前为OSD信息，即Alpha控制位有效，则输出OSD数据给数据转换模块。否则，输出从视频接口模块接收的原始视频数据，以此来实现OSD功能。
 
OSD多路控制器输出的数据并没有直接送给视频解码器，而是通过数据转换模块，根据具体的应用条件，进行必要的数据格式转换。由SAA7105的接口时序可知，当SAA7105配置为复合视频输出时，其要求的数据为单时钟沿数据，此时数据转换模块不作任何工作，将从OSD多路控制模块接收的数据原封不动地传输给SAA7105；如果SAA7105配置为VGA或HDTV输出模式时，需要双时钟沿数据，此时数据转换模块将从OSD控制器接收到的单时钟沿数据转换成双时钟沿数据，输出给视频解码器SAA7105。
 
    由此可见，FPGA完成了OSD的所有工作。如果要显示OSD内容，DM6 3只需要通过EMFIA口向FPGA发送控制指令即可，这些指令当然包括OSD的内容及位置信息。
 
OSD控制
 
    由XC3S250E实现的OSD设计根据接收到的OSD位置及内容信息进行OSD显示，对OSD显示的内容没有任何限制，非常灵活方便。下面以OSD汉字显示为例说明OSD的控制操作。
 
    要正确的显示汉字，就必须将输入的汉字内码转换成对应的区位码。这一功能我们通过函数Uint32 Code_Converse(unsigned char *CodeNPointer)，其输入为指针，指向要转换汉字。返回值为该汉字对应的区位码。OSD的显示由函数OSDHZ isplay实现：
  void OSDHZ_ Display{
Uint8 *pFrame
Uint32 pitch
OSDUTIL_Point* loc
Uint32 CodeQ
OSDHZ ont *font
Uint8 fgColor
Uint8 bgColor
}
    其中，Uint8 *pFrame为OSD输出的Buffer缓冲区；Uint32 pitch为每行显示的象素值；OSDUTIL_Point *loc为第一个字符的显示位置；Uint32 CodeQ为要显示汉字的区位码；OSDHZ ont *font为显示汉字所用的字体；Uint8 fgColor显示汉字的前景色；Uint8 bgColor显示汉字的背景色。
    所以，如果需要显示汉字，只需要将汉字进行必要的码制转换，然后将转换后的区位码，给出显示的位置，输出给OSD FPGA即可。当然要显示汉字，汉字字库是必不可少的。