CN101303638A - 多usb接口的高性能图像适配装置及其信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多USB接口的高性能图像适配装置及其信号传输方法，所述装置包括顺次连接的USB控制模块、USB信号合成模块、接口信号转换模块和图像处理模块，USB控制模块包括多个USB接口及各自的USB控制器，USB信号合成模块包括一个并串转换器电路，接口信号转换模块包括一块USB转PCI电路芯片，图像处理模块包括自适应数据包解压缩电路、大容量显示缓存器和图像信号输出接口电路；本方法主要是CPU将压缩后的图像数据分割为多个并行的USB数据子流，再通过本适配装置进行合并和解压处理后输出到显示器上。本发明大大提高主机与便携式图像适配器之间的数据传输速率，降低了图像数据的压缩比，减少了CPU的负担。

Description

多USB接口的高性能图像适配装置及其信号传输方法

技术领域

本发明涉及计算机图像显示技术，尤其涉及一种多USB接口的高性能图像适配装置及其信号传输方法。

背景技术

图像适配卡是计算机主机与显示器之间的连接桥梁，主要负责将CPU送来的图像数据进行加工处理，并转变为适合在显示器上显示的数据格式，然后输出到显示器端口。现有的图像适配卡与计算机主机之间的接口主要采用插槽式的接口形式，主要有三种，即PCI、AGP和PCIE-16X，最大传输速率分别可以达到133MBps、2133MBps和8000MBps。然而，这种图像适配卡需要占用计算机主机的接口插槽，所以不具备便携性；而且，如果要实现多屏幕扩展或镜像显示，就必须把更多的适配卡插在计算机主机里，这一方面会增加硬件安装过程的复杂度和难度，另一方面，也会增加计算机主机系统的不稳定性概率。尤其是，当一台笔记本电脑需要扩展或镜像多个屏幕时，几乎是不可能将多个插槽式图像适配卡插入笔记本电脑里，而必须采用其它的接口方式来安装多个图像适配卡，从而来实现多屏幕扩展或镜像显示的功能。

USB接口是通用串行总线接口，是现有计算机硬件系统中最为普遍使用的数据传输接口方式，已经被众多的外围设备所采用。当前，市场上已经出现了采用USB接口来扩展多屏幕显示的便携式装置。而实用新型专利ZL200620016004.X也提出了一种带USB接口的便携式显示适配器装置，其主要思想是先由安装在计算机主机里的软件，将图像数据压缩成USB数据包，然后通过USB接口线传输到该便携式图像适配装置中，再由该装置中的硬解压器将USB数据包还原为能在显示器上直接显示的数据格式。然而，现有的产品和该专利设计的装置无法满足现有的扩展或镜像高性能图像显示的需求，比如3D游戏、高清图像显示等。现有的多屏幕显示一般有扩展和镜像两种用途，多屏幕扩展主要是将原本在一个显示器中显示的内容扩展到多个显示器中显示，其传输速率要求不高；而多屏幕镜像则要求将原本在一个显示器中显示的内容复制到其他多个显示器上，这样就会有较高传输速率的要求。当前的USB2.0接口的理论最大传输速率仅为480Mbps，分辨率为1920*1280、32位、每秒25帧的高清视频信号，其未经压缩的视频信号要求的传输速率大约为1920*1280*32*25≈1.8Gbps，所以，为了传输这种具有较高性能的图像信号，计算机主机就必须对图像数据按一定的压缩倍率进行压缩处理。于是，就带来了许多不利的因素：一方面，复杂的压缩算法会占用更多的CPU资源，增加CPU的负担；另一方面，压缩算法越复杂，那么误差率也就愈大，从而导致解压后会有更多的有效信息丢失，图像信号也就会变得模糊不清。这就是说，已有的产品和专利，无法应用于3D游戏、高清视频信号等高性能图像扩展或镜像显示的场合。

因此，如何设计出一种能实现较高性能图像显示的便携式图像适配装置，成为了计算机主机与显示器接口连接所急待解决的主要课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有计算机显示适配装置存在的上述不足，提供一种多USB接口的高性能图像适配装置及其信号传输方法，从而实现具有较高性能的多屏幕扩展或镜像显示。

本发明的一种多USB接口的高性能图像适配装置通过如下技术方案实现：

一种多USB接口的高性能图像适配装置，包括顺次连接的USB控制模块、USB信号合成模块、接口信号转换模块和图像处理模块，所述USB控制模块包括多个USB接口及各自的USB控制器，用于接收来自计算机主机的多路USB数据流信号；所述USB信号合成模块包括一个并串转换器电路，用于将接收到的多个USB数据流信号进行同步处理，然后合并成串行的USB数据流信号；所述接口信号转换模块包括一块USB转PCI电路芯片，用于将输入的串行的USB数据流信号转换为开放式的PCI数据流信号，然后，输出到图像处理模块，所述图像处理模块用于将输入的数据包进行解压缩处理并输出能在显示器上直接显示的数据信号。

所述的多USB接口的高性能图像适配装置还包括与所述各模块连接的电源模块，该电源模块是备用模块，当主机提供的USB电源不够用时，作为后备电源，为所述装置的各个模块供电。

上述多USB接口的高性能图像适配装置中，图像处理模块包括自适应数据包解压缩电路、大容量显示缓存器和图像信号输出接口电路；其中，自适应数据包解压缩电路用于计算输入的数据流信号的压缩比率，并按此压缩比率对数据包的进行解压缩处理，使其成为能在显示器上直接显示的图像信号，然后，输出到大容量显示缓存器中，所述大容量显示缓存器是单颗大容量的存储器或者由多个小容量的存储器组成。

本发明一种多USB接口的高性能图像适配装置的信号传输方法，包括如下步骤：

(1)便携式图像适配装置中的三个USB控制器各自接收来自计算机主机的三路USB数据子流信号，将接收的三路USB数据子流信号进行同步处理，确定三个USB数据子流信号的前后顺序；

(2)三路并行的USB数据子流信号被转换为一路串行的USB数据流信号，经过USB-PCI格式转换的处理后，得到了PCI数据信号；

(3)图像处理模块判断PCI数据信号是否进行了压缩处理，并自动地确定压缩比率大小，再进行解压缩处理，得到能直接在显示器上显示的图像数据信号。

上述步骤(1)之前还包括如下步骤：

首先，计算机主机的CPU捕获图像数据信号，然后判断是否为3D或者高清视频流信号，如果是，那么就按照最大传输速率和采用的USB接口数目计算数据信号的压缩比率，然后，将压缩后的数据信号转变为USB数据流信号；如果不是，则直接将数据信号转变为USB数据流信号；

接着，CPU将串行的USB数据流信号平均分割为三路并行的USB数据子流信号，并通过三个并行的USB接口分别输出。

与现有技术相比，本发明具有如下突出优点：

由于本发明装置采用了并行的多个USB传输接口来实现计算机主机与便携式图像适配器之间的数据传输，大大增加了两者之间的数据传输速率，突破了便携式图像适配器实现高性能图像信号显示的数据传输瓶颈，降低了图像数据的压缩比，从而减少CPU的负担。所以，使用本发明装置能实现带USB接口的便携式图像适配器传输高性能图像信号的要求，实现具有较高性能的多屏幕镜像或扩展的目的。同时，由于减少了计算机主机的CPU负担，有效地提高了计算机主机系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例多USB接口的高性能图像显示装置的原理框图。

图2为本发明实施例三个USB接口的高性能图像显示装置的硬件结构框图。

图3为本发明多USB接口的高性能图像显示装置信号传输方法的主机运行流程图。

图4为本发明多USB接口的高性能图像显示装置信号传输方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图1给出了本发明实施例多USB接口的高性能图像适配装置的原理框图，多USB接口的高性能图像适配装置主要包括USB控制模块、USB信号合成模块、接口信号转换模块、图像处理模块和电源模块。USB控制模块包括顺次相连的多个USB接口电路模块，主要由多个USB插座及其相应的控制芯片电路组成，每一个USB插座都可以通过USB延长线与计算机主机的一个USB接口相连，用于接收来自计算机主机的经过压缩和分割后的数据信号。USB信号合成模块主要由一个并串转换电路组成，用于接收USB控制模块的输出多路USB信号，并对其进行同步处理，合并成一路串行的USB信号。接口信号转换模块主要由一个USB转PCI信号的电路组成，主要包括一块USB转PCI电路芯片，用于将USB信号合成模块输出的串行USB数据转换为PCI格式的数据信号。图像处理模块主要由自适应数据包解压缩电路、大容量显示缓存器和图像信号输出接口电路组成，自适应数据包解压缩电路用于检测PCI格式数据信号的压缩率，并根据压缩率进行解压缩处理，大容量显示缓存器用于存储解压缩后的数据图像信号，图像信号输出接口电路用于将缓存器中的图像数据进行格式转换，变换为模拟或者数字图像信号，然后输出到外置的显示设备中。电源模块可提供5V直流电，作为备用电源给装置中的所有模块供电。

计算机主机的CPU捕获已有图像显示卡的接口输出图像信号，并根据图像显示的最大传输速率要求和采用的多个USB接口数，计算出图像信号的压缩比率，并进行压缩处理，然后，将压缩的图像信号转变成USB数据流信号。接着，按照采用的多个USB接口数目，将串行的USB数据流信号分割为多个并行的USB数据子流信号，同时将这些并行的USB数据子流信号从多个USB接口发送，通过多条并行的USB数据延长线传输后，USB数据子流信号被传输到便携式图像适配器的多个并行的USB接口中。适配器装置中的多个USB控制模块接收到达的USB数据子流信号，并同时输出到USB信号合成模块中。USB信号合成模块将接收到的USB数据子流信号执行并串转换处理，并行的USB数据子流信号被转换为串行的USB数据信号流，然后输出到接口信号转换模块。接口信号转换模块接收输入的USB数据信号流，将其转换为PCI接口格式的数据流信号，然后，输出到图像处理模块中。图像处理模块接收PCI接口格式的数据流信号，然后进行解压缩处理，并将解压缩得到的图像数据信号存储到大容量显示缓存器中，当显示缓存器中的数据容量达到一帧大小时，数据将被发送到VGA或者时DVI接口中，再由此传输到外置的显示设备中。电源模块是备用的，可以给装置中的各个模块供电。

图2给出了本发明实施例三个USB接口的高性能图像显示装置的硬件结构框图，个人计算机主机的CPU捕获本机中已有的图像显示卡输出接口中的高清视频图像信号，然后按照未经压缩的高新视频流最大传输速率为1.8Gbps和采用3个并行USB接口进行传输的参数，计算出图像数据的压缩比率为1.8Gbps/3/480Mbps≈1.25，按此压缩比率对捕获的图像数据信号进行压缩处理，然后，将压缩后的数据信号转换为串行的USB数据流信号，再平均分割为三个并行的USB数据子流信号。这些并行的USB数据子流信号通过三条USB延长线传输到便携式USB图像适配装置中。装置中的三个USB接口控制电路分别接收输入的USB数据子流信号，并将USB数据子流信号同时输出到并串转换电路。并串转换电路先将三路USB数据子流信号进行同步处理，然后再合并为一路串行的USB数据流信号，接着输出到USB-PCI信号转换电路。USB-PCI转换电路将USB数据流信号转换为适合图像处理电路处理的信号格式，即PCI数据信号，然后输出到自适应数据包解压器。自适应数据包解压器可以是一块ASIC图像处理芯片，内嵌一个数字信号处理器内核和一块大容量缓存器，数字信号处理器分析输入的PCI数据信号的压缩比率，然后以此比率将其解压缩，再将解压缩后的图像数据信号，放入大容量显示缓存器中，当显示缓存器中有一帧大小的图像数据信号时，信号处理器就将图像信号输出到VGA或DVI接口。最后，图像数据信号在与VGA或DVI相连的显示器上显示出来。

图3给出了本发明装置的信号传输方法中的计算机主机软件运行流程图，首先，计算机主机的CPU捕获图像数据信号，然后判断是否为3D或者高清视频流信号，如果是，那么就按照最大传输速率和采用的USB接口数目计算数据信号的压缩比率，然后，将压缩后的数据信号转变为USB数据流信号。接着，再将串行的USB数据流信号平均分割为三路并行的USB数据子流信号，并通过三个并行的USB接口分别输出。

下面在具体描述当CPU需要对捕获的图象数据进行压缩时的工作过程：

a、计算机主机的CPU捕获图像显示卡接口输出的一定时间长度的图像数据信号，并将图像数据存储在主机的物理内存空间里；

b、CPU计算待传输的图像数据所需压缩的比率，然后，按此压缩比率将物理内存中的图像数据进行压缩处理，并将压缩后的数据信号存储到物理内存空间中；

c、CPU从物理内存中读取已压缩的图像数据，将其转换为USB数据流信号，然后存储到物理内存空间中；

d、CPU根据实际应用的最大图像传输速率以及采用的并行USB接口数目，将USB数据流信号分割为多个并行的USB数据子流信号；

e、CPU将内存中的所有USB数据子流信号分别从多个并行的USB接口同时发送；

f、重复步骤a～e。

图4给出了本发明装置信号传输方法中的一个实施例流程图。首先，便携式图像适配装置中的三个USB控制器各自接收来自计算机主机的三路USB数据子流信号，然后将接收的三路USB数据子流信号进行同步处理，确定三个USB数据子流信号的前后顺序，然后，三路并行的USB数据子流信号被转换为一路串行的USB数据流信号，经过USB-PCI格式转换的处理后，得到了PCI数据信号。随后，判断PCI数据信号是否进行了压缩处理，并自动地确定压缩比率大小，再进行解压缩处理，得到能直接在显示器上显示的图像数据信号。然后，被解压缩的图像数据信号被存入大容量显示缓存器中，当得到一帧图像数据信号时，显示缓存器中的图像数据信号被输出到VGA或DVI接口中。最后，通过VGA或DVI延长线，图像数据信号被传输到显示器中显示。

Claims (5)

1、一种多USB接口的高性能图像适配装置，其特征在于包括顺次连接的USB控制模块、USB信号合成模块、接口信号转换模块和图像处理模块，所述USB控制模块包括多个USB接口及各自的USB控制器，用于接收来自计算机主机的多路USB数据流信号；所述USB信号合成模块包括一个并串转换器电路，用于将接收到的多个USB数据流信号进行同步处理，然后合并成串行的USB数据流信号；所述接口信号转换模块包括一块USB转PCI电路芯片，用于将输入的串行的USB数据流信号转换为开放式的PCI数据流信号，然后，输出到图像处理模块，所述图像处理模块用于将输入的数据包进行解压缩处理并输出给显示器直接显示。

2、根据权利要求1所述的一种多USB接口的高性能图像适配装置，其特征在于还包括与所述各模块连接的电源模块，该电源模块是备用模块，当主机提供的USB电源不够用时，作为后备电源，为所述装置的各个模块供电。

3、根据权利要求2所述的一种多USB接口的高性能图像适配装置，其特征在于所述的图像处理模块包括自适应数据包解压缩电路、大容量显示缓存器和图像信号输出接口电路；其中，自适应数据包解压缩电路用于计算输入的数据流信号的压缩比率，并按此压缩比率对数据包进行解压缩处理，使其成为能在显示器上直接显示的图像信号，然后，输出到大容量显示缓存器中，所述大容量显示缓存器是单颗大容量的存储器或者由多个小容量的存储器组成。

4、权利要求1～3任一项所述的一种多USB接口的高性能图像适配装置的信号传输方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)便携式图像适配装置中的三个USB控制器各自接收来自计算机主机的三路USB数据子流信号，将接收的三路USB数据子流信号进行同步处理，确定三个USB数据子流信号的前后顺序；

(2)三路并行的USB数据子流信号被转换为一路串行的USB数据流信号，经过USB-PCI格式转换的处理后，得到了PCI数据信号；

(3)图像处理模块判断PCI数据信号是否进行了压缩处理，并自动地确定压缩比率大小，再进行解压缩处理，得到能直接在显示器上显示的图像数据信号。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于在步骤(1)之前还包括如下步骤：

首先，计算机主机的CPU捕获图像数据信号，然后判断是否为3D或者高清视频流信号，如果是，那么就按照最大传输速率和采用的USB接口数目计算数据信号的压缩比率，

然后，将压缩后的数据信号转变为USB数据流信号；如果不是，则直接将数据信号转变为USB数据流信号；

接着，CPU将串行的USB数据流信号平均分割为三路并行的USB数据子流信号，并通过三个并行的USB接口分别输出。

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