隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,，在視頻顯示終端的原始圖像上額外疊加一些文字信息或圖形界面,，向用戶(hù)提供更多的附加信息已不再是什么難事，通過(guò)屏顯示系統(tǒng)OSD（On Screen Display）就能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能,。近年來(lái),，OSD的設(shè)計(jì)受到越來(lái)越多的關(guān)注^[1]，OSD系統(tǒng)已然成為用戶(hù)與顯示終端之間交互的橋梁,。

        OSD系統(tǒng)通常采用專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)^[2-4],，這類(lèi)方案或是以專(zhuān)用芯片內(nèi)部微控制器作為核心，或是以外部單片機(jī)作為控制核心,。由于OSD技術(shù)對(duì)同步時(shí)序的要求非常嚴(yán)格,，所以用微控制器控制時(shí)序的可靠性較差^[5]。隨著視頻顯示技術(shù)的飛速發(fā)展,，市場(chǎng)對(duì)電路集成度和視頻數(shù)據(jù)處理速度的要求越來(lái)越高（同步時(shí)序要求更嚴(yán)格），采用專(zhuān)用芯片的實(shí)現(xiàn)方案越來(lái)越難以滿(mǎn)足要求,。很多廠(chǎng)商早已開(kāi)始將OSD功能集成到一塊包含其他功能模塊的芯片上(即片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)),，國(guó)外一些廠(chǎng)商推出了采用FPGA實(shí)現(xiàn)OSD功能且具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IP核，但其硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)一般處于封鎖狀態(tài),；國(guó)內(nèi)也有采用FPGA實(shí)現(xiàn)OSD功能的研究^[5-8],，但仍處于探索階段。因此,，研究OSD功能的FPGA實(shí)現(xiàn)方案具有深遠(yuǎn)意義,。

        據(jù)此，本文提出一種基于SoPC的OSD控制器實(shí)現(xiàn)方案,。該方案應(yīng)用了一種OSD界面自定義布局方法和一種改進(jìn)型二步索引算法[7],，以軟硬件協(xié)同的方式著重實(shí)現(xiàn)在源視頻圖像上疊加一個(gè)可自定義布局風(fēng)格的OSD界面，整體上可實(shí)現(xiàn)自定義OSD功能,。

1 OSD控制器的總體設(shè)計(jì)

        本OSD控制器使用自定義OSD界面布局方法,。首先基于像素掃描坐標(biāo)在OSD界面內(nèi)劃分出字符顯示區(qū)，將剩下的區(qū)域作為背景區(qū),，并基于OSD界面內(nèi)一起止坐標(biāo)可調(diào)的矩形區(qū)域（如圖1中的矩形區(qū)域5）將背景區(qū)分為9個(gè)矩形區(qū)域,，對(duì)不同區(qū)域選擇輸出所配置顏色的像素?cái)?shù)據(jù)，并直接與源視頻像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行透明度混合運(yùn)算輸出,，以此實(shí)現(xiàn)圖像的疊加,，同時(shí)省去OSD幀緩存的存儲(chǔ)資源消耗。

        基于以上方法的OSD控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。輸入視頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)視頻輸入接口（圖2虛線(xiàn)框內(nèi)部分）提取出源視頻信號(hào)中的像素掃描坐標(biāo)及RGB像素?cái)?shù)據(jù),；OSD區(qū)域識(shí)別模塊基于像素掃描坐標(biāo)判斷當(dāng)前所在位置，并發(fā)出相應(yīng)標(biāo)識(shí)信息,，在整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,，軟核系統(tǒng)通過(guò)寫(xiě)OSD配置寄存器組及字型碼存儲(chǔ)器讀寫(xiě)接口,，實(shí)現(xiàn)對(duì)OSD電路運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制；像素?cái)?shù)據(jù)選擇輸出模塊基于標(biāo)識(shí)信息選擇輸出相應(yīng)顏色的像素?cái)?shù)據(jù)至后級(jí),；alpha混合運(yùn)算處理模塊完成OSD界面像素?cái)?shù)據(jù)與從源視頻信號(hào)中提取出的RGB像素?cái)?shù)據(jù)的透明度混合運(yùn)算處理,；處理后視頻信號(hào)輸出至顯示接口。

2 OSD控制器硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

        根據(jù)實(shí)際情況,，選擇以Xilinx公司XC7K325T-2FFG900為核心芯片的Kintex7 FPGA開(kāi)發(fā)板作為OSD控制設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái),，采用內(nèi)嵌MicroBlaze軟核的系統(tǒng)作為上位機(jī)。該開(kāi)發(fā)板配有一定數(shù)量的I/O和各種數(shù)據(jù)接口,，另外通過(guò)USB電纜將PC與Kintex7連接起來(lái)就能進(jìn)行編程調(diào)試,，使用方便可靠。圖3所示為基于該硬件平臺(tái)的OSD控制器系統(tǒng)框圖,。

2.1 SDI接口與HDMI接口模塊

        輸入視頻信號(hào)是數(shù)據(jù)格式為YUV的 20 bit串行數(shù)字接口SDI(Serial Digital Interface)信號(hào),，該模塊首先將YUV444轉(zhuǎn)換為YUV422，再轉(zhuǎn)換為30 bit的RGB（各分量占10 bit）像素?cái)?shù)據(jù)并將其作為整個(gè)處理過(guò)程的數(shù)據(jù)格式,，從時(shí)序信號(hào)中提取出視頻像素掃描坐標(biāo)（X_scan,，Y_scan）。為節(jié)省視頻圖像幀緩存資源,，采用了高清晰度多媒體接口HDMI(High Definition Multimedia Interface）將處理得到的數(shù)據(jù)輸出顯示,。

2.2 軟核系統(tǒng)模塊

        通過(guò)Xilinx 公司ISE（Integrated Software Environment）內(nèi)嵌的XPS（Xilinx Platform Studio）軟件可以搭建以MicroBlaze軟核處理器為控制核心的、具有AXI總線(xiàn)架構(gòu)的軟核系統(tǒng),，本設(shè)計(jì)中選擇添加了axi_gpio接口組件和IIC_MAIN接口組件IP,，另外自定義OSD配置寄存器組件layer、chars和字型碼存儲(chǔ)器讀寫(xiě)接口index組件,。

        其中,，axi_gpio接口組件與外部按鍵和LED相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的檢測(cè)及相關(guān)狀態(tài)的顯示,；IIC_MAIN接口組件則作為軟核對(duì)內(nèi)部SDI信號(hào)接口模塊的視頻配置通道,；自定義組件chars和layers分別為與字符顯示屬性和OSD界面屬性相關(guān)的配置寄存器組；自定義組件index用于暫存軟核寫(xiě)入的待顯示字符索引號(hào)信息,，并作為訪(fǎng)問(wèn)字型碼存儲(chǔ)器的接口,，產(chǎn)生相應(yīng)的訪(fǎng)問(wèn)地址。圖4所示為本軟核系統(tǒng)中各組件及其地址分配情況,。

2.3 OSD配置寄存器組

        組件chars和layers作為OSD配置寄存器組,，每個(gè)組件最多包含32個(gè)32 bit的寄存器，這些寄存器位的含義可根據(jù)需要進(jìn)行自定義,。

        對(duì)于chars組件,，定義為32個(gè)字符串或進(jìn)度條顯示區(qū)的配置寄存器，其含義如表1所示,。

        本設(shè)計(jì)OSD界面的進(jìn)度條顯示區(qū)和字符顯示區(qū)是分時(shí)復(fù)用的,，且字符串所代表的含義也會(huì)有不同類(lèi)別（如主,、子菜單項(xiàng)和設(shè)置項(xiàng)等），因此采用D31~D29編碼來(lái)體現(xiàn)這些差異,。

        組件layer中包含了與OSD界面屬性配置相關(guān)的寄存器,，如起點(diǎn)坐標(biāo)（X_osd，Y_osd）,、長(zhǎng)L_osd,、寬W_osd、布局坐標(biāo),、各區(qū)域顏色和透明度等參數(shù)配置寄存器,，共23個(gè)。

2.4 a_blending模塊

        本模塊是整個(gè)OSD控制器的數(shù)據(jù)處理中心,，依次完成圖2所示的OSD區(qū)域識(shí)別,、像素?cái)?shù)據(jù)選擇輸出和alpha混合運(yùn)算處理等過(guò)程。在區(qū)域識(shí)別模塊檢測(cè)到當(dāng)前像素掃描坐標(biāo)處于字符顯示區(qū)時(shí),，該模塊發(fā)出讀字型碼請(qǐng)求以獲取相應(yīng)點(diǎn)陣編碼信息,，在背景區(qū)則直接輸出相應(yīng)標(biāo)識(shí)信號(hào)。后級(jí)模塊根據(jù)點(diǎn)陣編碼信息,、區(qū)域標(biāo)識(shí)信息及相關(guān)配置信息選擇輸出相應(yīng)像素?cái)?shù)據(jù),，最后完成與源視頻像素?cái)?shù)據(jù)的alpha混合運(yùn)算處理,。將alpha混合算法中的浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)2的冪次數(shù)的除法,，便于硬件通過(guò)移位實(shí)現(xiàn)乘除運(yùn)算，通過(guò)軟件對(duì)冪次數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)透明度的實(shí)時(shí)控制,。

3 OSD控制器的軟件設(shè)計(jì)

        基于OSD控制器的軟件平臺(tái),，在Xilinx的SDK（Software Development Kit)開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)控制、顯示等應(yīng)用程序,，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化,、按鍵控制、OSD界面設(shè)計(jì),、字符顯示控制等功能,。

        系統(tǒng)在復(fù)位后對(duì)視頻輸入接口電路進(jìn)行初始化，之后進(jìn)入按鍵控制子程序,，按鍵將引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入OSD界面設(shè)計(jì)模式或者OSD工作模式,，各模式將根據(jù)后續(xù)按鍵情況調(diào)用OSD界面設(shè)計(jì)子程序和字符顯示控制子程序。主程序流程圖如圖5所示,。

4 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)效果

        如圖6所示為1 280×720分辨率的源視頻圖像上疊加的兩種720×360分辨率的自定義OSD界面(截圖),，界面顯示狀態(tài)可由軟核（上位機(jī)）實(shí)時(shí)控制。

        圖6（上）中的布局坐標(biāo)將OSD界面平均分成9個(gè)區(qū)域,，各區(qū)域顏色,、透明度均不同,，界面下欄MENU1~12為12個(gè)主菜單字符串顯示區(qū)；左欄SON1~SON6為6個(gè)子菜單字符串顯示區(qū),；右上部分區(qū)域定義了6個(gè)設(shè)置菜單字符串項(xiàng)SET1~SET6及一個(gè)進(jìn)度條顯示區(qū),；最上方定義了一個(gè)當(dāng)前選中設(shè)置項(xiàng)信息提示字符串顯示區(qū)。這些字符串/進(jìn)度條顯示區(qū)的位置,、顏色等屬性均為實(shí)時(shí)可調(diào)的,，在數(shù)量上也可根據(jù)需要增減。而圖6（下）是對(duì)布局坐標(biāo)及所產(chǎn)生的9個(gè)區(qū)域顏色,、透明度參數(shù)進(jìn)行了一定調(diào)整后形成的另一種界面,。

4.2 資源消耗統(tǒng)計(jì)與分析

        本OSD控制器模塊所占用片內(nèi)存儲(chǔ)資源主要消耗在字型碼存儲(chǔ)器、索引號(hào)存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)以及軟核系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)實(shí)現(xiàn)字符串顯示而進(jìn)行的程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。

        對(duì)于軟核系統(tǒng)平臺(tái)在OSD控制器實(shí)現(xiàn)方面的資源消耗,，自定義組件index、chars及l(fā)ayers各占4 KB,，共計(jì)12 KB,；axi_bram_ctrl_0組件用于存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)OSD控制器模塊字符串顯示的程序數(shù)據(jù)，共用了64-16=48 KB,。綜上所述,，OSD控制器模塊最多消耗存儲(chǔ)資源為2.1 KB+1 KB+12 KB+48 KB=63.1 KB。

        在具體實(shí)現(xiàn)硬件電路時(shí),，多余的資源消耗將會(huì)被優(yōu)化,，因此OSD控制器模塊實(shí)際消耗的存儲(chǔ)資源將小于63.1 BK。圖7所示為添加OSD控制器模塊前后系統(tǒng)生成的片內(nèi)RAM資源消耗報(bào)告表,。由圖可知OSD控制器模塊消耗12個(gè)RAM36E1/FIFO36E1s,，即12×(36/8)=54 KB。

        而對(duì)于采用OSD界面幀緩存的設(shè)計(jì)方案,，即使實(shí)現(xiàn)720×360的4色圖像界面顯示,，至少也要消耗存儲(chǔ)資源2×720×360/8/1 024=63.281 25 KB，這還不包括系統(tǒng)在其他方面的資源消耗,。若要實(shí)現(xiàn)更多色彩圖像的顯示,，則存儲(chǔ)資源消耗將會(huì)成倍地增加。

        OSD作為人機(jī)交互的橋梁,，是視頻處理模塊的重要組成部分,，而當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)視頻處理模塊電路集成度和數(shù)據(jù)處理速度要求越來(lái)越高。本文提出了一種基于SoPC的OSD控制器設(shè)計(jì)方案,，其中應(yīng)用了一種自定義界面布局方法和一種改進(jìn)型二步索引算法,，節(jié)省了系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源開(kāi)銷(xiāo)。另外對(duì)透明度混疊算法進(jìn)行了取整變換,，使之便于FPGA硬件實(shí)現(xiàn)及軟件控制,?？傮w上該方案以軟硬協(xié)調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)OSD控制器功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該控制器極大地節(jié)約了資源,，并且在實(shí)現(xiàn)OSD功能時(shí)也有很好的靈活性。

參考文獻(xiàn)

[1] 修曉琴,，楊秀芝,，鄭明魁.基于FPGA內(nèi)嵌軟核的機(jī)頂盒OSD設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2013,，37(13)：70-72.

[2] 王艷艷,，郅晨.基于TMS320DM6446的OSD顯示技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)新通信（技術(shù)版），2008(3)：45-50.

[3] 雷永鋒.基于OSD選單的KVM系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),，2008,，32(1)：50-52.

[4] 王瑞胡.基于OSD技術(shù)的數(shù)字電視機(jī)頂盒漢字顯示解決方案[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003,，9（1）：102-105.

[5] 黃燕群,，李利品，王爽英.基于FPGA的OSD設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,，2010,，25(3)：429-433.

[6] 羅韜，姚素英,，史再峰,，等.視頻芯片中的OSD核的設(shè)計(jì)及FPGA的實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008,，38(6)：1452-1457.

[7] 劉科,，張生才,，史在鋒,，等.基于改進(jìn)型二步索引算法OSD電路的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007,，30（7）：94-96.

[8] 杜升平,，曹劍中，田雁,，等.FPGA在OSD中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程,，2006，6(14)：2065-2067.

[9] Zhang Sheng,，Zhang Hao,，CHEN B，et al.On-screen-display(OSD) and SPI interface on CMOS image sensor for automobile application[C].Computational Intelligence,，Communication Systems and Networks(CICSYN),，2013 Fifth International Conference on,，IEEE，2013：405-408.