基于FPGA的高清视频键控器的设计

汪清 杨厂锋 徐晶

摘  要：随着电子科学技术的不断发展，高清数字电视因其优质的视音频效果已被广泛推广应用。在电视播出系统中，视频键控技术为增强数字电视播出时的多样性提供了支持。由于数字化系统具备开发难度低、系统稳定和价格低廉等优势，传统的模拟视频键控设备也将转变成数字化的设备。本文深入研究了一种高清视频键控方案，提出了一种使用FPGA来实现主视频信号和台标信号的键控的方案。

关键词：高清视频;键控;FPGA

中图分类号：TN791;TN949.197    文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0046-03

0  引  言

随着数字电视技术的发展，高清及极清数字电视已经进入人们的生活，它给人们带来了高清的画面质量和身临其境的感染力，而高清晰度电视（HDTV）也因此成为数字电视发展的首选。为了实现播出节目的多样性和增加电视节目播出的观赏性，这就需要一个高清视频键控器来完成台标、脚标等信号与主电视视频信号的混合，给观众以全新的视觉享受。

目前随着可编程技术应用领域的不断扩展，使用可编程逻辑器件进行开发可大大提高开发效率，节约开发成本。本文就是基于一款Xilinx公司的FPGA芯片XC6SLX75T来进行高清视频键控器的开发，使设计简单，使用方便快捷。

1  键控技术的基本原理

“键控”（Key）即抠像，是一种分割屏幕的特技，在电视节目的制作中应用极为普遍。它的本质就是“抠”和“填”。“抠”就是利用前景物体轮廓作为遮挡，将背景画面的颜色沿该轮廓线抠掉;“填”就是将所要显示的高清视频信号填到被抠掉的区域，而最终形成前景与背景相合成的图像。以B表示背景信号，F表示前景信号，V表示输出信号，K表示键信号，则键控技术可用式（1）来表示：

V=F*K+（1-K）*B                           （1）

键控可分为两类：硬键和软键。本文采用硬键方式。

（1）硬键：键信号：Key为0或者1，当键信号K为0输出背景信号，当K为1时输出前景信号。在硬键中，键信号K为1时视频开关接通，前景图像完全覆盖其后的背景图像，键信号K为0时视频开关切断，完全显示背景图像。因为键信号的波形是矩形脉冲信号，用硬键方式合成的视频图像，前景和背景的分界处有抖动和突变现象，还存在分界处彩色闪烁和有幕布色镶边等现象，所以硬键技术常常出现失真的情况。

（2）软键：即K的值在0-1之間变化，输出V按照上面的公式计算而来。软键技术中的键信号波形图是与前景信号透明度相关联的梯形信号，键信号的上升和下降都有一定的坡度，很大程度上解决了硬键的缺点。目前，在软键技术的基础上又提出了线性键控技术。线性键控技术是解决半透明物体的抠像最有效的技术。线性键的数学模型也可用上式表示。为了方便设计本文采用硬键的方式。

2  高清视频键控系统硬件设计

高清视频键控系统主要由HD-SDI接收模块、视频混合模块、HD-SDI发送驱动模块组成，系统框图见图1。

（1）HD-SDI接收模块：其主要功能是先将经过同轴电缆的HD-SDI信号进行电缆均衡以补偿信号的衰减和相移，然后解码解扰，最后将串行数据转成20位并行视频数据，并提取视频时钟后将数据和时钟输出给视频混合模块。

（2）HD-SDI发送模块：是接收模块的一个逆过程。主要完成并行视频数据的加码加扰，并串转换功能。

（3）视频混合模块：其主要功能是接收经过处理的外来20位的并行主视频数据，并接收DDR2存储器里的20位台标视频数据，然后将主视频数据和台标数据混合输出。输出的视频数据与主视频时钟同步。该模块主要由Xilinx公司的XC6SLX75T系列的FPGA完成。

本系统的硬件电路框图如图2所示。主要分为三个模块：HD-SDI收发模块、视频混合模块、电源模块。

HD-SDI接收模块由GS2984和GS2970组成，主要完成电缆均衡、时钟提取，HD-SDI的解扰解码解串等处理;GS2972完成HD-SDI的发送以及输出驱动功能;视频混合模块主要由FPGA芯片XC6SLX75T完成;台标的存储由DDR2芯片MT47H64M16HR-25E来完成。电源模块主要提供+3.3V、+1.8V、+1.2V的供电电路。

3  高清视频键控系统软件设计

本系统系统软件设计是根据FPGA设计中自上向下的设计原则，先确定顶层模块，再具体模块化，使用Verilog语言编写。同时软件设计还包括专用芯片的配置。专用芯片GS2970，GS2972的配置都是通过STM32平台进行配置的。整个软件设计实现了高清视频PAL制式和NTSC制式兼容的帧同步。软件系统框图如图3所示。

（1）行场提取模块：检测外来视频流，提取外来视频的行、场信息以生成台标信号。同时生成控制信号将台标写入DDR2存储器中。

（2）视频混合模块：接收外来视频和从DDR2存储器中读取的台标信号，将2路信号混合。

（3）DDR2控制器模块：用来控制对DDR2存储器的访问，实现对产生的台标信号的读写操作。

4  系统测试

为了说明一个系统是否完善，测试是不可或缺的环节。系统测试是对产品的性能进行检测，保证设计能符合标准要求及功能需求。针对高清视频键控系统进行数据分析和测试。本系统采用FPGA内部嵌入式逻辑分析仪采集数据，查看数据是否正确，进行在线测试。除了理论数据得到验证外，系统测试结果的正确性还要靠实际显示效果来判断，因此本设计还根据要求搭建了测试平台。测试平台如图4所示。

图4  高清视频收发器测试平台

整个测试平台由HD-SDI高清信号收发器、高清视频键控系统、HDMI转换器以及显示器组成。FPGA的程序通过JTAG下载线下载到FPGA中的配置芯片中。外来HD-SDI视频信号进入高清视频键控系统，经过和台标信号的混合处理后输出，然后通过HDMI转换器把HD-SDI信号转为HDMI信号，再接到高清LED电视上显示出来。通过观察视频图像的稳定性和鉴定声音的效果来判断视频流经过键控混合后是否能够正确恢复，并判断有没有丢失音频信号。

使用FPGA内部嵌入式逻辑分析仪进行系统测试，用ISE自带的嵌入式逻辑分析仪chipscope从FPGA的JTAG口采集内部数据来便捷地进行观察分析，如图5和图6所示。其中/syshecheng/back表示主视频信号，/syshecheng/front表示台标信号，/syshecheng/sdiout表示合成后输出的视频信号。图五中台标信号front为4C7F8时表示该区域为红色台标区域，此时K为1，合成时输出视频取台标信号的值。图6中无台标信号即K全为0，此时输出视频取背景信号的值。

5  结  论

本文提出了一种基于FPGA的高清视频键控系统的设计方案，介绍了硬件及软件设计，运用了Xilinx公司提供的设计软件ISE，重点介绍了各个模块的功能。通过对系统的联合测试和对采集的实验数据进行分析，本文设计的高清视频键控功能顺利实现，数据结果正确，可应用于相关高清视频处理系统。

参考文献：

[1] 徐俭.键控特技在电视播出系统中的应用 [J].电视工程，2000（3）：17-20.

[2] 梁谦亢.中小型切换台的选型与应用分析 [J].现代电视技术，2005（3）：36-38.

[3] PADMAKALA S，ANANDHAMALA G S，SHALINI M.An effective content based video retrieval utilizing texture，color and optimal key frame features [C]//Image Information Processing（ICIIP），2011 International Conference on.S.l.：s.n.，2011：1-6.

[4] Niels Niessen.ACCESS DENIED：Godard Palestine Representation [J].Cinema Journal，2013.

[5] 陈明义，刘一非.基于FPGA的数字色键器的设计与实现 [J].信息技术，2009，33（9）：73-75.

[6] 刘郑良.基于FPGA的数字切换台系统研究与设计 [D].长沙：中南大学，2011.

[7] 戴卫平.高清电视发展趋势研究（下） [J].有线電视技术，2010，17（4）：57-60+65.

[8] GY-T 157-2000，中华人民共和国广播电影电视行业标准-演播室高清晰度电视数字视频信号接口 [S].北京：国家广播电影电视总局，2000.

[9] HAUCK S.The roles of FPGAs in reprogrammable systems [J].Proceedings of the IEEE，1998，86（4）：615-638.

作者简介：汪清（1987-），男，汉族，安徽桐城人，科员，助理工程师，硕士，研究方向：高清音视频处理。