双路视频动态特效显示设计

俞瑾珂

摘 要：课题研究是基于DSP的双路视频动态显示系统，通过串行口实现系统与电脑主机的交互。双路视频动态显示系统包括单路画面显示、组合显示、画中画显示、混合缩放和alpha混合显示，以双路视频分别采集的两帧图像作为设计对象进行特效算法的设计和实现。电脑主机可以通过串行口控制DSP系统的特效显示动态切换。实验结果验证了系统设计的正确性，它在多路视频监控、视觉特效显示等领域具有比较高的使用价值。

关键词：双路视频；特效显示；混合显示；多路视频监控

中图分类号：TP37 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.069

现如今，不管是安防系统，还是各种需要实时检测目标状态的领域，多路视频的采集及其按照用户的各种需求控制视频显示方式十分常见。各个行业的技术水平在不断提高，人们对多路视频的要求也越来越高，以满足不同情况下的需求。多路视频采集及其特效混合显示是安防、舞台转播、新闻转播等方面的重要组成部分，是一种高效实用的综合性系统。当然，因为多路视频的特效混合显示能够对多路图像进行多样的实时处理，所以，在多种场合都会应用它。随着计算机和网络的迅速发展，图像处理与数字信息传输技术也不断发展，多路视频的采集及其混合特效显示也随之发展，并且在视频显示模式上应用了许多图像处理的算法，提高了图像质量，使视觉效果越来越好。

现今，多路视频采集与显示活跃在各个领域，比如钢铁冶炼，利用视频监控来代替人工监控，有效避免了工人在高温环境下的作业危险；在农业中，则利用双路视频实时记录农作物的生长情况，以便更详细地了解农作物的生长；在日常生活中，多路视频的运用更是数不胜数，包括各种生活的实际需要、娱乐需要和监控需要等。

在视频、图像处理中，每一帧图片都是由分辨率所对应数量的像素组成的，每个像素的表示则是由几个不同的颜色通道组成，而颜色通道则对应着色彩空间，即用若干维度的变量来表示某一色彩。在色彩空间中，同样有着如同几何空间一样的三维描述方式，它一般会用3种相对独立的通道来表述颜色，但从不同的角度来描述就会有不同的色彩空间，它们从不同的角度去衡量对象时有不同的侧重点。常见的色彩空间有RGB、HSV和YUV等。

本文主要提出了一种基于DSP高速计算系统的实时双路视频动态特效显示设计方案，实验结果验证了包括组合特效、混合特效、alpha混合等特效效果设计的正确性。

1 雙路视频动态特效显示系统与特效设计

1.1 双路视频动态特效显示系统

本设计以双路视频信号采集、处理和显示为内容，基于DSP硬件平台，利用视频解码芯片和2个捕获视频端口VPO、VP1组成了既互相独立又互相联系的双通道视频捕获系统，以此实现对输入视频的双通道实时采集。这样做的目的是设计一种基于DSP的双路视频信号实时动态显示系统，实现多种双路视频交互功能，包括单独显示、组合显示、画中画显示和画面缩放，并支持混合特效显示，以满足多种情况下的显示需求。这是一种低成本的视频信号特效显示系统方案。

1.2 双路视频动态特效设计

1.2.1 画中画特效设计

画中画指的是在一段视频中的一个小面积区域上播放另外一段视频，而本设计中还添加了画中画区域的放大、缩小、移动。它的实现方式是，在576×720分辨率的帧图片下，利用摄像头采集到的两路视频帧，通过输出到特定缓存区来改变不同像素的色彩空间值，从而达到画中画的显示效果，继而再通过主机与DSP的串行通信，实现对画中画区域大小、移动等操作。具体操作就是将capFrameBuf_1根据指定的范围缩小，capFrameBuf_2不变，分别赋值给disFrameBuf的不同区域。画中画分为背景与景中画，所以，需要定义景中画的范围，其余的则都是背景。本设计中利用景中画起始坐标、大小来确定景中画位置，并且通过串口来控制起始坐标、大小，从而实现对画中画整体效果的控制。

1.2.2 混合缩放特效设计

图像缩放是数字图像处理中经常用到的，因为设计中需要将某个尺寸的图片放大或缩小到另一个尺寸，所以，本设计使用了消耗资源最少的最近邻插值。最近邻插值是一种比较方便、简单的缩放方式，缩放方案就是将像素指标设置为相距其最短的像素指标，如图1所示。在缩小的过程中，如果2∶1缩小，在最近邻插值中，实际上是简化4个像素为1个，即直接将左上角的像素指标作为缩小后的像素指标。在放大的过程中，如果1∶2放大，在最近邻插值中，实际上是将1个像素扩张为4个，即直接以左上角的像素指标作为放大后图像的4个像素指标。最近邻插值的优点是方便、简单、计算量很小、消耗资源少，直接赋值即可，很适合实时性的处理，缺点就是产生的图像局部有块状。

1.2.3 alpha混合特效设计

alpha混合在游戏领域的应用十分广泛，目的就是实现2帧图片的可调节的半透明混合显示。在实现过程中，对于2帧图片的对应像素，可将其RGB分量按权重相加得到新的像素RGB

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*[基金项目]上海市科委科技支撑项目支持（编号：16441905302）

分量，从而得到alpha混合的初步效果。在alpha混合处理中，它能够达到2帧图片的任意比例透明混合，也可以在图像上添加透明的视觉特效，比如光源、烟雾和火光等。

在alpha混合中，有一个特别需要注意的地方，就是防止色彩的失真。alpha混合算法是在RGB空间进行处理的，所以，对于那些原本不是用RGB色彩空间表示的，就需要转换，转换公式为：

公式中有许多浮点数的计算，并且参数经过一定的近似，会在空间转化过程中造成色彩的失真，并且在alpha混合计算时的乘除法也会造成色彩的失真。因此，在DSP系统的处理过程中，需要控制参数的精度，使程序运行的速度在达到要求的情况下尽量削弱色彩的失真度。当然，最好的方式就是只通过位运算，避免乘除运算。

2 动态特效显示实验结果

2.1 画中画组合特效显示

图2是画中画效果的画面记录。图2（a）为初始化景中画大小的画面，图2（b）和图2（c）为通过串口来控制景中画大小和位置之后的画面。图2（b）是改变大小后的效果，图2（c）是改变位置后的效果。经实验测试，画中画效果程序周期大概在20帧/s，测试方案是：在程序中添加变量frame记录处理帧数，运行程序，经过一段时间后暂停程序，记录frame，再继续运行程序，经过10 s，暂停程序，记录frame。2个frame相减除以10就是每秒处理的平均帧数。

2.2 混合缩放特效显示

图3为混合缩放效果的实验记录，图3（a）左上角缩小图为视频1，整体为视频2。图3（b）和图3（c）是视频1和视频2的转换过程。图3（d）右上角为视频2，整体为视频1。混合缩放实现的是类似各种直播场合切换分会场与主会场的效果。当画面1为主显示画面时，将画面2缩小置于主画面的左上角；同理，当画面2为主显示画面时，将画面1缩小后显示于主画面右上角。本设计实现了两路视频的显示切换，同时，保留非主显示画面的缩小画面。

2.3 alpha混合特效显示

图4为alpha混合效果的实验记录图，它表现了2帧在不同alpha值下的混合效果。其中，下半部分的图像没有处理，是一路原图像，将上下2幅图作对比，上半部分图像的alpha混合效果更为明显。图4（a）到图4（d）分别是alpha值从小到大的一组图片，图4（a）视频1比例最大，图4（d）视频2比例最大。文中已经提到，由于视频数据采集缓存区capFrameBuf里的数据是YUV格式，而alpha混合算法需要的是RGB格式，因此，在转換过程中，计算误差等原因会导致色彩失真。图4中，书架比较亮的地方就出现了色彩失真的情况。在实验设计中，尝试对高亮度区域进行限制处理。这样做，虽然在一定程度上缓解了失真程度，但还是残留着一些失真的像素。

3 结束语

本文简要介绍了一个在电脑主机上通过串口控制的双路视频特效显示系统设计方案，它能够根据用户需求对两路图像进行切换单独显示、组合显示、画中画显示、画面缩放和alpha显示等，并在每个显示特效中控制各种参数的变化，比如画中画的画面大小，支持添加用户可选的图像增强算法，以适应不同的拍摄环境。实验结果表明，画中画组合特效、缩放特效、alpha混合特效满足系统的设计需求，在多种图像显示系统中具有比较强的使用性。

致谢：笔者在暑期项目实践和文中所述研究工作的设计中，得到了上海大学图像处理实验室陆小锋老师和张伟特同学的大力支持。感谢为该设计工作提供实验条件和仪器设备的所有朋友。

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〔编辑：白洁〕