基于SoPC的视频跟踪系统中OSD功能的实现

OSD(On Screen Display)是指将系统的参数和状态信息在屏幕上显示出来，在电视机、录像机等家电产品中这种技术早已广泛应用。视频跟踪系统要求进行数字、符号、跟踪窗的实时显示，即具有OSD功能，包括无视频输入指示、锁定指示、跟踪状态和性能指示、显示脱靶量数据及其他操作参数等。

OSD的实现方法基本上有三种：使用专用OSD器件；选用支持OSD功能的处理器；采用PLD。在实时性要求较高的视频跟踪系统中，需要使用大规模FPGA进行并行图像处理，并且在FPGA中实现SoPC设计，同时应能减小系统的体积和成本。如果只选用专用OSD器件或带有OSD功能的处理器反而会增加系统硬件设计的复杂度，降低系统的可靠性。因此，有必要采用与SoPC系统相结合的OSD实现方案。

1 视频跟踪系统

基于SoPC技术的视频跟踪系统框图如图1所示。系统采用Altera公司的Stratix 系列FPGA及Nios Ⅱ软核处理器实现SoPC设计，将图像处理、目标识别与跟踪等协处理单元挂在Nios Ⅱ处理器上，并通过SPI、I2C等IP-Core实现对操纵杆、视频编解码器等设备的控制。系统支持PAL-D(576i25)标准输入输出。


2 OSD实现方案

2.1 SoPC系统的配置结构

在SoPC系统中，实现OSD功能要与如图2所示的SoPC系统的配置结构相结合，系统采用Altera公司的MAX-II器件作为配置控制器，在系统启动(boot)时负责将FPGA的配置数据从外部Flash Memory传送到Stratix中。这里将OSD字符/图形库以只读数据的形式存放在外部CFI-Flash中，CFI-Flash同时装有FPGA的配置数据和软件程序，配置结束后MAX-Ⅱ需要将连接CFI-Flash的全部总线置为‘Z’，这样Nios Ⅱ处理器才能够获得CFI-Flash的总线使用权，以读取程序和OSD数据。


2.2 OSD实现结构

OSD实现框图如图3所示。这里采用了FPGA中的一个M-RAM作为OSD缓存，其中每位与视频中的一个像素映射。因PAL-D复合视频信号为隔行扫描，因此，OSD缓存中的数据按奇/偶场方式存放，每场占用720×288/8=25 920B，M-RAM大小为64KB，可实现全视场范围的单色OSD映射。OSD缓存被定义为双口方式，输出与视频数据流同步。

OSD缓存的数据位宽可定义为2n(n=0,1,…)，但应该注意：数据位宽选得越大，NiosⅡ处理器的访问速度就越快，而OSD的水平方向定位也越复杂；数据位宽选得越小，水平方向定位越精确，但访问速度也会越慢，且实时性差。因此，进行折衷处理，选择lpm_width=8。

M-RAM的读地址要根据行、场同步信号生成，图像原始分辨率为864×625，则水平计数器Cnt_Hor和垂直计数器Cnt_Ver为10bit宽，Cnt_Hor的异步清零端接脉冲化后的行同步信号HSYNC，Cnt_Ver的异步清零端接脉冲化后的场同步信号VSYNC。在有效图像分辨率为720×576范围内，使能地址计数器Cnt_Rd_Addr、Cnt_Rd_Addr的计数时钟为像素时钟的8分频，即每8个像素时钟读取一个数据，Cnt_Rd_Addr的异步清零端接脉冲化后的场同步信号VSYNC。

OSD缓存读地址生成逻辑如图4所示。图中，1.6875MHz时钟脉冲化后接74165的STLD(并行数据加载信号)，每隔8个像素时钟载入一个字节的OSD数据并串行输出。图5为最简单的OSD合成逻辑，图中,bit→piexl的映射逻辑用一个8位并-串转换器74165实现，使用两个8bit的Mux2_1，如果ctrl_bit等于‘0’，则YCbCr输出原图像数据；如果ctrl_bit等于‘1’，则Y输出0xEB，CbCr输出0x10。


2.3 OSD API

OSD API的实现包括：创建API硬件接口;建立字符/图形库;OSD显示驱动函数(包括字节重构、字符显示、图形显示、消隐等)。

API硬件接口可以通过SoPCBuilder建立，包括16位地址OSD_ADDR、8位数据OSD_DATA、写使能OSD_WEN和OSD缓存的异步清零信号OSD_ACLR。由于M-RAM不能设置初始数据，因此上电后首先将OSD_ACLR置位，然后对OSD缓存初始化后，再将OSD_ACLR置零，以免开机时系统出现花屏现象。

字符/图形库可以通过字模提取软件得到，并定义到unsigned char const型数组中。打开Nios Ⅱ IDE中的System Library Properties窗口，将read-only data memory(.rodata)项设为ext_flash，即将OSD库放在外部的CFI-Flash中。

OSD数据写入缓存时要注意两个关键问题，一是垂直方向上的隔行处理，即按照奇偶场规则写入缓存；二是水平方向上的字节拆分与重构，因为OSD缓存是整字节(8bit)访问的，为了实现字符/图形的像素级定位，该操作是必要的。例如，为了在位置3开始叠加如图6所示的11个bit‘1’，需要补5个bit的‘0’，并将重构后的“0x3f、0xf8”写入OSD缓存，该操作由软件完成。


3 结果与结论

OSD实现效果如图7所示，监视器上叠加有字符、数字和图形，如果进一步设计，还可以实现彩色OSD、画中画以及透明效果，本文只是对这一方案进行了初步验证。

实际应用证明，本文提出的设计方案新颖、合理，能够有效减小视频跟踪系统的体积、降低系统复杂度和成本，具有极大的实用价值。