一种基于国产图形处理器的视频叠加显示系统设计

李宇

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所 江苏省连云港市 222061）

1 概述

在工程应用中，为了快速全面地给指挥人员提供信息，需要将雷达和电视视频进行实时处理，与计算机生成的图形按照一定的层次叠加显示在同一个屏幕的不同窗口中，通过数据整合的方式获得更加全面、精确的信息[1]。以往多采用的DSP 和FPGA 结合的实现方式结构较为复杂，不利于未来的系统升级和移植，为满足未来更高效、小型化的系统需求，本文针对视频叠加显示系统开展了进一步研究。

近年来国产图形处理器发展迅速，其应用由单纯的图形图像处理逐步向并行计算、信号处理、VR 显示、AI 计算等方向发展，并在雷达探测、光电探测、云计算、人工智能等多个领域开始得到应用[2]。本交充分利用了国产图形处理器JARI G12 的优势，基于该图形处理器的特点设计一种视频叠加显示系统，兼顾高效性、实时性和小型化，为视频叠加显示处理提供了一种新的硬件设计方案，扩展了国产图形处理器的应用方向。

2 视频叠加显示系统设计

2.1 方案设计

JARI G12 是一款国产图形处理器[3]，支持4 个独立的显示控制接口单元，每个显示控制接口单元都支持图形视频的叠加显示。同时JARI G12 提供了4 路独立的数字视频输入端口，支持视频的高效输入，基于以上特点，本文设计了一种视频叠加显示系统，具体思路为将雷达、电视视频通过FPGA 进行预处理，然后通过图形处理器的视频输入端口直接送入图形处理器内部，在图形处理器内部完成视频叠加处理，最后通过图形处理器的视频输出端口进行显示输出。该系统最多可支持4 路雷达或电视视频的同时处理，在实时处理效率上具有显著优势。

2.2 核心元件选型

该系统的核心元件主要有国产图形处理器、FPGA、内存模块和电源管理单元等，其中采用的国产图形处理器JARI G12 是由中国船舶集团第七一六研究所研发的一款高性能图形处理器，其功能特点如下：

（1）支持 OpenCL2.0，提供1.5TFlops 峰值单精度浮点计算能力；

（2）支持 OpenGL4.5，且兼容 OpenGLES3.0；

（3）支持2 路H.264、H.265 编解码，每路解码通道支持3840×2160@60Hz，每路编码通道支持3840×2160@30Hz；

（4）支持4 路数字输出，每路数字通道显示分辨率可达3840x2160@60Hz；

（5）支持PCIe3.0/2.0/1.0 标准，支持x16、x8、x4、x1 链路；

（6）支持DP、eDP、HDMI、DVI 等显示接口；

（7）支持国产x86、龙芯、飞腾等国产处理器，支持银河麒麟、中标麒麟、Jari-Works 等国产操作系统；

（8）对外提供4 路独立数字视频输入。

该系统的FPGA 拟选用Xilinx 公司的XC7K325T-2FFG900I，利用其丰富的逻辑资源来实现视频数据的格式转换[5]。JARI G12图形处理器共有3 个内存通道，每通道可控制4 片内存颗粒，所以

图1：视频叠加显示系统印制板结构图

图2：视频信号流走向图

图3：JARI G12 视频叠加信号流分析图

内存模块拟选用12 片DDR4 SDRAM 内存颗粒，电源管理单元则选用了3 个JCER4630 和2 个JCER4644 电源集成芯片来实现。

2.3 结构设计

该系统在设计时遵循通用化、系列化和模块化的设计要求，并参考有关规定的6U CPEX[6]结构以及下列要求进行设计：

（1）GPU 芯片放置于PCB 板中间；

（2）DDR4 内存颗粒放置在GPU 芯片旁边，且在PCB 板正反面对贴放置；

（3）视需求情况放置FPGA、电源等器件。

该视频叠加显示系统的布局如图1 所示。

3 视频信号流分析

该系统支持4 路雷达或电视视频的同时输入，以一路雷达或者电视视频为例分析该系统的主要信号流走向。如图2 所示，外部的雷达或电视视频以差分对的形式通过PCIe 总线传输到FPGA，经过格式转换后通过图形处理器的视频输入端口直接送入图形处理器内部，存储在显存中。视频输入端口还包括2 路I2C 总线，用于与图形处理器的外部进行数据交互。

JARI G12 图形处理器内部包含了4 个独立的显示控制接口单元，每个显示控制接口单元包含多个子单元，如图3 所示，以一个显示控制接口单元为例分析图形处理器内部视频叠加处理过程的信号走向。显示控制接口单元是通过显存接口子单元从显存中抓取图形和视频数据等信息，再依次经过数据放大和彩色空间转换子单元，然后以任意指定次序互相叠加在一起。某些特定应用对图形数据窗口尺寸有固定的大小要求，为了适应不同的显示器分辨率，叠加完成后的图形和视频数据可以通过显示尺寸放大子单元一起放大到显示器满屏幕。最后，叠加后的图形、视频数据编码成HDMI 或DP等标准数据流，通过PCIe 总线送达传输接口，送到显示器进行显示。数据放大子单元的作用是将数据窗口尺寸任意放大，直至满屏幕，彩色空间转换子单元的作用则是将RGB 数据和YUV（YCbCr）数据互相转换[4]，以适应后续数据处理或显示需要。每个显示接口控制单元都含有独立的时序控制子单元，产生显示器的扫描、同步时序，并协调其它子模块进行显存读写和显示器的同步机制。

4 总结

本文介绍了一种基于国产图形处理器的视频叠加显示系统设计，基于国产图形处理器 JARI G12 的功能特点实现雷达或电视视频的高效叠加显示，该系统能够满足海军特色应用需求，且视频传输快捷高效，同时拓展了国产图形处理器的应用方向，应用前景十分广阔。叠加效果图如图4 所示。

图4：叠加效果图