基于SMPTE 274M标准的高清视频发生器设计与实现

姜忠兵

（重庆大学 光电工程学院，重庆 400030）

近年来，随着科技的发展和人民生活的提高，人们对于精神生活的需求越来越高，在视频领域，传统低清晰度的视频质量远远不能满足人们对于视频质量的要求，高清视频在各行业都亟需得到发展和应用。SMPTE是美国电影电视工程师协会，该协会制定了1080P等各种高清视频定义，包括SMPTE 274M、SMPTE 270M、SMPTE 295M等多种高清接口标准定义[1-2]，在实现形式上同 BT．1120 相似[3-6]。SMPTE 274M 标准定义了一系列1080P高清视频传输标准接口，包括1080P 60 fps，1080I 60 fps，1080P 30 fps，1080I 30 fps 等多种方式，支持RGB、YPBPR、YCBCR等颜色空间视频传输，其应用广泛。本课题利用Altera公司Cyclone IVE系列FPGA成功产生基于SMPTE 274M视频标准的1080P视频信号，并用于某视频处理系统中。

1 SMPTE 274M视频标准

1.1 数字行图像存放格式

SMPTE 274M标准中，数字图像数据的存放格式（1920×1080/60/P）及其数据定时关系如图1所示。

图1 数字行图像数据及定时关系Fig．1 Video data of digital line and timing

图1中，T为亮度像素取样时钟周期，例如，传输1920×1080/60/P视频时，该时钟周期即为1/148．5 ms，即亮度取样频率的倒数。由图1可知，一行图像数据由图像定时基准码EAV/SAV，数字行消隐区和图像有效数据组成。在16位YUV422传输系统中，该标准分为两路8位数据传输，一路传输亮度分量Y，一路通过时分复用的方法传输色度分量Cb/Cr。针对一行2 200个时钟周期，图像定时基准码SAV和EAV分别占4个时钟周期，数字行消隐区占272个时钟周期，有效图像数据与其分辨率相同，占1 920个时钟周期。

1.2 图像定时基准码SAV和EAV

SMPTE 274M视频标准是一种内同步方式的图像传输标准，所谓内同步，是指将图像行场同步信号内嵌于图像的图像数据中，不需要单独的外部行场同步信号对图像进行控制。有两种图像定时基准码，一种在图像有效数据块的起始位置处（SAV），用于有效图像的开始控制，另一种出现在有效数据块的末尾，数字行消隐的起始位置，两个定时基准用于控制一行图像的开始与结束。

针对8位传输系统，每个定时基准码由4个字组成，前3个字固定，分别为FF、00、00，第3个字为控制字，定义为1FVHP3P2P1P0，其中，F用于场识别，在隔行系统中传输第二场时设定为1，其他情况设定为0，V用于场/帧消隐期控制，在场/帧消隐期间设定为1，其他时间设为0，H表示行消隐，当定时基准码为EAV时，H设为1，当定时基准码为SAV时设定为0，P3P2P1P0为保护比特，其值由 F、V、H的值决定，对应关系如表1所示。

表1 SAV和EAV保护比特分配Tab.1 Protection bits for SAV and EAV

1.3 图像格式

SMPTE 274M视频标准分为隔行系统和逐行系统，逐行系统中，一帧图像中的有效数据依次存放，在隔行系统中，图像有效数据分为顶场和底场，其中顶场存放偶数行图像数据，底场存放奇数行图像数据。为产生1080P标准视频信号，本系统采用其标准规定的逐行系统图像存放方式，逐行系统帧定时关系如图2所示。

图2 逐行系统帧定时关系Fig.2 Frame timing relationship of progressive system

图2中，1L表示图像首行，41L表示消隐末行，42L表示有效图像首行，1121L表示有效图像末行，1122L表示数字消隐帧首行，1125L表示消隐帧末行。

1.4 消隐数据

在行场消隐期间，需要在该位置上对应填入消隐电平的字，用于防止干扰，便于传输。SMPTE 274M标准中，针对8位数据传输系统，规定了如下的消隐电平填充字：

Y/R/G/B：传输消隐字10h，即消隐期间传输字为：101010……

Cb/Cr：传输消隐字80h，即消隐期间传输字为：808080……

2 SMPTE 274M标准FPGA实现

本课题为实现对1080P高清视频图像的采集，利用Altera公司Cyclone IVE代芯片EP4CE15F17C8核心板根据SMPTE 274M视频标准模拟高清视频图像，作为某采集系统的外部视频源。该视频源要求图像分辨率为1080P，图像采样格式YUV422，数据位数16位，帧速率60 fps。

2.1 输入时钟信号

1080P/60视频格式要求输入标准时钟频率为148.5MHz，Cyclone IV核心板上的最高晶振频率为50MHz，为设置标准时钟输出，本文通过Quartus II软件自带PLL模块对原晶振频率经过三次分频和倍频达到标准时钟信号，50×（11/10）×（9/10）×3，实现标准1080P时钟采样和数据输出。

2.2 SAV和EAV设定

本课题中设定输入图像格式为逐行图像输入，根据逐行图像格式和EAV和SAV的定义，在1至42，1122至1125消隐行中，定时基准码EAV控制位FVH为011，对应保护比特P3P2P1P0为0110，因此EAV第 4个字为0xB6B6；定时基准码SAV控制位为010，对应保护比特为1011，SAV第4个字为0xABAB。在42~1121图像有效数据行中，定时基准码EAV控制位FVH为001，对应保护比特P3P2P1P0为1101，由此，EAV第4个控制字位9D9D；SAV第 4字控制位FVH为 000，对应保护比特为 0000，因此 SAV第 4字为 0x8080。同时，根据视频处理系统要求，16位传输系统的高8位传输Y信号，低8位传输CBCR信号，因此本课题设定的行场控制信号SAV和EAV设定如图3所示，其中XXXX代表有效图像数据。

2.3 视频信号发生器程序设计

图3 SAV和EAV值Fig.3 SAV and EAV value

本课题利用verilog硬件描述语言对视频信号发生器进行描述，为简便测试图像采集效果，该模块利用计数的方法产生一个固定的亮度和色度信息，用于检测系统完整性。计数方式分为行计数信号和帧计数信号，行计数信号counter1用于控制一行的图像数据，帧计数信号counter2用于控制一帧图像的开始和结束。

3 仿真验证

本文首先利用Quartus II自带仿真软件对基于SMPTE 274M标准的视频信号发生器做仿真验证，然后在FPGA硬件平台上完成实际测试并在某高清视频处理系统中得到成功应用。

3.1 仿真测试

仿真测试时，在图像有效数据区产生固定的图像数据0xA0B0用于验证设计的正确性，仿真结果如图4所示。

图4 仿真结果Fig．4 Simulation results

从图5的仿真结果中可知，时钟信号为输入时钟信号的3倍左右，达到1080P/60视频标准的标准时钟信号148．5 MHz，其产生的SAV信号正确，时钟与图像数据匹配延迟两个时钟周期，在其误差范围之内，所产生有效图像数据与设定值一致，符合SMPTE 274M高清视频标准规范。

3.2 实验测试

为验证该视频发生器在实际中应用的有效性，本文将该系统应用到实际的某视频处理系统中，该系统通过采集和显示视频发生器的图像用以验证设计实用性。根据ITU-R BT．709规定的颜色分量值和所对应的图像颜色，图像颜色为绿色是所对应的YCbCr亮度和色度分量值分别为534，253，207，本文即用产生的绿色图像用以验证设计有效性，实际验证图像如图5所示。

图5 测试图像Fig．5 Test picture

由图5可知，系统采集到的视频图像与视频发生器所设定的图像颜色一致，所设计的视频信号发生器在实际应用中性能优异，符合设计要求。

4 结 论

本文在Altera公司的Cyclone IVE系列开发平台上设计了一种基于SMPTE 274M标准的高清视频信号发生器。该视频信号发生器实现简单，灵活性强，方便与其他视频信号进行混合使用，具有广泛的应用前景，现已在某视频处理系统中得到广泛应用。仿真结果和实际测试表明该视频信号发生器设计合理，满足实际应用要求。

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