CN104010136A - 基于机载图形引擎的图形显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机载图形引擎的图形显示系统，包括总线接口、图形引擎、帧存储器、电源模块、配置模块、字库、视频选通/转换模块。本发明是一种具体的机载图形引擎设计方法和图形显示系统架构，图形引擎整个图形系统的核心，负责与上位机的总线通信、图形画面的高速生成、视频画面的缓存以及视频的输入/输出控制等，本发明中的图形显示系统不仅能够实现大屏幕、高分辨率的机载图形画面的实时显示，而且能够实现机载图形画面与外部输入的视频画面的混合显示。本发明与现有技术相比，其具有图形生成和处理速度高、显示分辨率高、功能综合度高、系统集成度高、体积小、功耗低等特点。

Description

基于机载图形引擎的图形显示系统

技术领域

本发明涉及图形生成系统领域，具体涉及一种基于机载图形引擎的图形显示系统。

背景技术

在信息化社会高速发展的今天，机载座舱图形显示系统已经广泛运用于飞机座舱显示中，座舱显示器是飞行员与飞机系统、周围环境之间最重要的人机接口之一。采用大屏幕显示器替代目前使用的多个多功能显示器，能减少飞行员在信息管理和整合上花费的时间，并通过增加座舱仪表板上的有效显示面积可呈现更多的飞行信息，能有效增强飞行员对飞行中“态势”的了解。

目前的机载显示系统主要采用基于DSP+FPGA或基于ARM的硬件架构。在基于DSP+FPGA技术方案中，DSP作为整个系统的核心负责实现图形的生成和处理，FPGA作为图形协处理器实现图形的加速处理；基于ARM技术方案中，ARM负责实现图形的生成和处理。这两种方案的缺点在于图形生成和处理的速度慢，无法满足大屏幕、高分辨率的机载显示要求，也限制的多功能综合显示的性能。

发明内容

本发明所要解决的问题，是提供一种图形显示系统，可以实现图形画面的高速生成、图形真实感处理、模板裁剪、视频混合等，满足机载多功能、大屏幕、高分辨率综合显示要求，而且系统的体积小、重量轻、功耗低、具有自检功能等。

本发明提供了一种上位机与下位机异步通信机制，将双口RAM划分为两个数据区，采用交替轮换的方法，分别对两个数据区进行读/写操作，保证数据传输的连续性和完整性，同时在双口RAM中设置了专用自检存储区，使上位机能即时知道图形显示系统中各部件的工作状态。

本发明提供了一种图形生成和模板裁剪的并行化和流水线机制，图形生成器中各个图元生成单元并行地计算和生成图元栅格点颜色或灰度数据，形成图元数据流，并依次流过各个模板裁剪进行图形裁剪，这种并行化和流水线机制显著提高了图形的生成速度。

本发明提供了一种图形画面输出和视频混合的流水线机制，输出画面各栅格点按流水线方式依次通过视频混合器进行视频混合处理，视频混合处理几乎不会额外消耗时间，节省了混合画面生成的时间，保证了画面刷新速度。

解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：包括总线接口模块、图形引擎、帧存器模块、电源模块、配置模块、字库模块、视频选通/转换模块等部分，

图形引擎：为整个系统的核心，包括接口模块、图形生成器、系统控制器、帧存控制器和视频控制器，接口模块负责与上位机通信并接收其下达的图形指令，图形生成器负责生成图形画面，系统控制器协调整个系统的工作流程，帧存控制器负责将图形生成器所生成的图形存储到帧存储器模块中，视频控制器用于控制将外部输入的视频存储帧存储器模块中以及图形显示系统的视频处理和输出；

帧存储器模块负责缓存图形引擎生成的图形画面以及外部的输入视频，帧存储器模块分别与图形生成器中的帧存控制器和视频控制器通信；

配置模块负责图形引擎的上电功能配置；

字库模块用于存储多种显示字模；

视频选通/转换模块负责输入视频信道的选通和输入/输出视频信号的转换；视频选通/转换模块与视频控制器通信。

电源模块为系统各部件供电。

前述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述总线接口模块中采用双口RAM作为指令数据流的缓存，双口RAM划分为两个缓存区，即A区和B区，两个缓存区以周期交替轮换的工作方式接收和输出数据：在某个周期中，A区缓存上位机传输的一帧图形画面的所有图形指令，此时B区在图形引擎的控制下向其输出前一帧图形画面的指令数据；在下一个周期中，A区和B区的工作状态互换，即B区缓存上位机传输的图形指令，而A区向图形引擎输出图形指令。

前述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：在双口RAM中设置一个专用自检存储区，图形引擎定期对图形显示系统中的各部件进行在线自检，并将各部件是否出现故障的信息保存到双口RAM中的专用自检存储区，上位机定期读取自检存储区中的数据以便在线了解图形显示系统各部件的工作状态。

自检方法是由图形引擎周期性的向图形显示系统各部件发出自检信号，采集相应部件输出的应答信息，若图形引擎采集到的应答信息正确，则判定该部件工作正常，若采集到的应答信息不正确或未采集到应答信息，则判定该部件有故障。

图形引擎作为整个图形生成和显示系统的核心，其采用单片FPGA器件构建的SOC图形引擎，其内部采用分层结构和模块化设计方法。图形引擎内部主要包括接口模块、系统控制器、图形生成器、帧存控制器、视频控制器等几个模块组成。系统控制器作为核心，控制和协调各模块工作。

前述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述图形引擎的图形生成器采用管线化方法进行工作，即将并行化处理方法和流水线方法相结合，生成图形上各点的坐标并进行光栅化处理，在图形生成器中构建各种图形的IP核库，在图形绘制光栅化阶段，图形生成器从图元起点开始逐点计算其在屏幕上坐标值，以坐标值的整数部分作为该点在栅格点位置，取图元RGB值作为该栅格点的颜色，根据坐标的小数部分，计算出栅格点相邻点的灰度值系数，从而实现图元点的栅格化和图元的硬件反走样处理，实现真实感图形生成。

对于某个图元上的各个栅格点以及相邻的反走样点的颜色值的计算，图元上的栅格点依次流过图形生成器各个计算单元，即采用流水线的方式进行计算，而在图形生成器中，多个不同图元的生成过程是并行执行的。

管线化方法是在FPGA中将并行化处理方法和流水线方法相结合的高效方法，即将不同的任务并行化的处理，同时将每个任务分解成多个工序，每个工序的时间相同，任务在执行如同流水线一样，所述流水线工作方式是：第一个周期内，第一个计算对象执行第一道工序，第二个周期内，第一个计算对象进入第二道工序，同时第二个计算对象进入第一道工序，第三个周期内，第一个计算对象进入第一个计算对象进入第三道工序，第二个计算对象进入第二道工序，同时第三个计算对象进入第一道工序，依次类推。

前述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述图形引擎的帧存控制器按照栅格化后的图形点位置将其RGB灰度值存储到帧存控制器的指定存储单元中；在帧存控制器内部设置了裁剪模板，当裁剪模板被使能时，帧存控制器对所有要存储的图形点进行过滤，只有位于裁剪模板内部的图形点的RGB灰度值才存储到帧存控制器中，而位于裁剪模板外的图形点不被保存；当裁剪模板未被使能时，所有生成的图形点都被存储到帧存控制器。

所述的图形引擎通过裁剪模板使能指令与图形生成指令的序列位置，控制帧存控制器对图形画面的局部区域进行裁剪或不裁剪。

前述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述帧存器模块内部划分为图形帧存器和视频帧存器，图形帧存器用于缓存图形生成引擎生成图形画面，视频帧存器用于缓存外部输入的视频画面。

前述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：图形帧存器和视频帧存器又各自划分为2个缓存区，即图形帧存器A区和图形帧存器B区、视频帧存器A区和视频帧存器B区，帧存器的A区和B区以周期交替轮换的工作方式接收和输出数据：在某个周期中，图形帧存器A区缓存图形生成引擎生成图形画面，视频帧存器A区缓存外部输入的视频画面，此时图形帧存器B区和视频帧存器B区在视频控制器的控制下输出所缓存的画面数据；在下一个周期中，图形帧存器的A区和B区的工作状态互换，同时视频帧存器的A区和B区的工作状态也互换。

前述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述视频控制器按照屏幕扫描的顺序依次逐点从图形帧存器和视频帧存器中读取栅格点的RGB值，形成两路视频流，视频控制器按流水线的方式分别对两路视频流进行处理，由图形帧存器输出的视频流首先经过区域填充模块进行图形的区域填充，同时由视频帧存器输出的视频流经过选通器进入背景画面的选择，即背景画面采用纯色，还是以输入的视频为背景，然后两路视频流逐点依次流入视频混合器进行视频混合运算，混合运算中根据预设的透明度确定两路视频数据的权值，对两路视频流的各点进行逐点的加权计算，从而得到混合后的各点的颜色值，形成输出视频信号流。

与现有技术相比，本发明的收益效果在于：

1)采用单片FPGA器件构建的SOC图形引擎，其内部的各种图形生成和处理均采用并行化和流水线技术，显著提高了图形画面的生成速度，减少了图形画面的生成时间，满足了机载大屏幕、高分辨率综合显示的要求；

2)采用单片FPGA器件构建的SOC图形引擎，系统集成度高，系统可移植性好，有利于图形生成和显示系统的升级及后期维护；

3)图形生成和模板裁剪过程采用并行化和流水线机制，并行地计算和处理各个图元的栅格点数据，形成图元数据流，依次流过各个模板裁剪进行图形裁剪，显著提高了图形的生成速度。

4)图形画面与输入视频的混合处理，采用流水线技术，几乎不需要增加额外的处理时间，从而有效地提高了图形显示系统的实时性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的接口模块示意图；

图3是本发明的图形画面生成和模板裁剪过程示意图；

图4是本发明的帧存控制示意图；

图5是本发明的图形画面输出和视频混合示意图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，图形生成和显示系统与上位机的接口模块包括解码器和数据缓存器，其中解码器采用单片CPLD芯片实现，负责接收来由总线的绘图指令数据、解码并将所接收指令数据转存至数据缓存器中；数据缓存器采用双口RAM（64K字），为了保证指令数据传输的连续性和完整性，双口RAM划分为两个数据缓存区（即A区和B区），这两个缓存区以周期交替轮换的工作方式接收和输出数据：在某个周期中，A区缓存来自上位机传输的一帧图形画面的所有图形指令，此时B区在图形引擎的控制下向其输出前一帧图形画面的指令数据；在下一个周期中，A区和B区的工作状态互换，即B区缓存上位机传输的图形指令，而A区向图形引擎输出图形指令。

数据缓存区轮换周期的切换采用异步控制方式，为此利用两个单元（即FFFFH和FFFEH）作为信令字和中断源。当来自总线的一帧画面的全部指令数据存储到双口RAM的某个区（如A区）时，解码器向FFFFH单元写入信令“A”，当双口RAM的FFFFH单元收到信令时，由写信号和地址选通信号触发图形引擎端的中断输出INT_R，从而通知图形引擎，该帧的图形指令已存储完毕（即A区的数据已全部准备好），图形引擎可以读取了；

图形引擎读取双口RAM数据区（如A区或B区）的交替轮换周期是根据图形显示系统的画面刷新速率，对于60Hz刷新速率，图形引擎读取双口RAM数据区的交替轮换周期是16.67ms，即每隔16.67ms轮换读取数据区。当到达新的轮换周期，并且图形引擎读取完某个数据缓存区（如B区）的数据时，将检查中断输出INT_R是否有效，如果INT_R有效，则图形引擎读取FFFFH单元中的信令（“A”），开始读取A数据缓存区中的数据，并向FFFEH单元写入信令“B”，当双口RAM的FFFEH单元收到信令时，双口RAM会触发解码器端的中断输出INT_L，解码器收到中断信号INT_L后，读取FFFEH单元中的信令“B”，则表明B数据缓存区的数据已读完，于是解码器向B数据区写入新的一帧画面的指令数据。如此，解码器与图形引擎的写/读区域完成了一次互换。如果，当到达新的轮换周期，并且图形引擎读取完某个数据缓存区的数据时，检查中断输出INT_R为无效，说明此时解码器对另一个数据区的写入工作还没有完成，则图形引擎不向FFFEH单元写入信令，图形引擎再次读取原数据缓存区的数据，解码器与图形引擎的写/读区域不会互换。

如图3所示，根据绘图指令，图形生成器内部的生成包含多个图元发生单元，每个图元生成单元包括一个图元发生器和一个FIFO，图元发生器用于计算和生成图形元素栅格点的颜色值和坐标值，多个图元发生器并行地计算，并将其结果缓存在各自FIFO中。生成控制器根据各FIFO的状态，控制读取某个FIFO中的数据（即栅格点的颜色值和坐标），将其依次将传送给裁剪模板缓冲区中。当图元发生器的计算过程还没有结束，其Busy信号置为有效，当图元发生器的计算过程完成，其Busy信号置为无效；当FIFO中的数据还未读完，其Empty信号置为无效，当FIFO中的数据已读完，其Empty信号置为有效。当某个图元生成单元的Busy为无效，且Empty信号为有效，表明该图元生成单元所计算的图元已生成完毕，生成控制器将会为该图元生成单元下达新的图元生成指令。

生成控制器根据裁剪指令控制裁剪模板缓冲区中各模板的使能，并控制图元生成单元输出的数据流依次通过每个被使能的模板，根据图元数据中的坐标位置判断其是否位于裁剪模块的内部，只有位于裁剪模板内部的图元数据被传送到帧存控制器中，并在其控制下存储到帧存器，而位于裁剪模板外的图元数据将被滤掉而无法保存到帧存器，从而实现了裁剪的功能。对于未被使能的裁剪模板，图元数据流将不会经过该模板，即该模板不起过滤作用。

如图4，帧存控制器接收来自图形生成器的图元数据流，根据数据流中的图元数据解算出各图元点在帧存中的存储地址，并提取出图元点的颜色信息，在系统控制器的控制下，交替地存储到图形帧存器中的图形帧存器A或图形帧存器B中。

如图4所示，输出画面时，图形引擎内部的视频控制器负责输入视频的存储、读取帧存的切换、生成视频时序信号（包括时钟信号、行同步信号和帧同步信号）以及视频混合。图4中，图形帧存器中的两个帧存（即图形帧存器A和图形帧存器B）交替地存储图形生成器生成的图形画面，视频帧存器中的两个帧存（即视频帧存器A和视频帧存器B）交替地存储外部输入视频的画面。视频控制器从图形帧存器中的一个帧存按画面中栅格点的位置顺序依次读取图形画面各栅格点的信息，视频控制器同步地从视频帧存器中的一个帧存按画面中栅格点的位置顺序依次读取所储存的外部输入视频画面的栅格点信息，显然在同一时刻视频控制器从两个帧存中所读取的栅格点在画面中的位置是重叠的，各栅格点按流水线方式依次通过视频混合器，由其完成各栅格点上的混合处理，混合处理后将栅格点颜色依次经视频输出通道输出到显示器进行像素点刷新（即显示）。如果不要与外部输入视频混合，只要显示图形生成器生成的机载图形画面，则由视频控制器通过控制选通信号Sel_bk，选择纯色背景即。图中视频混合器的硬件结构采用流水并行方式，依次计算出“流过的”各栅格点混合后的颜色值，除了带来几个时钟周期的延时外（潜伏期），混合结果能够源源不断的计算并输出，并不会占用额外的时间，从而保证了画面刷新速度。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于，包括：

图形引擎：包括接口模块、图形生成器、系统控制器、帧存控制器和视频控制器，接口模块负责与上位机通信并接收其下达的图形指令，图形生成器负责生成图形画面，系统控制器协调整个图形引擎的工作流程，帧存控制器负责将图形生成器所生成的图形存储到帧存储器模块中，视频控制器用于控制将外部输入的视频存储帧存储器模块中以及图形显示系统的视频处理和输出；

帧存储器模块负责缓存图形引擎生成的图形画面以及外部的输入视频，帧存储器模块分别与图形生成器中的帧存控制器和视频控制器通信；

配置模块负责图形引擎的上电功能配置；

字库模块用于存储多种显示字模；

视频选通/转换模块负责输入视频信道的选通和输入/输出视频信号的转换；视频选通/转换模块与视频控制器通信。

2.根据权利要求1所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述总线接口模块中采用双口RAM作为指令数据流的缓存，双口RAM划分为两个缓存区，即A区和B区，两个缓存区以周期交替轮换的工作方式接收和输出数据：在某个周期中，A区缓存上位机传输的一帧图形画面的所有图形指令，此时B区在图形引擎的控制下向其输出前一帧图形画面的指令数据；在下一个周期中，A区和B区的工作状态互换，即B区缓存上位机传输的图形指令，而A区向图形引擎输出图形指令。

3.根据权利要求2所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：在双口RAM中设置一个专用自检存储区，图形引擎定期对图形显示系统中的各部件进行在线自检，并将各部件是否出现故障的信息保存到双口RAM中的专用自检存储区，上位机定期读取自检存储区中的数据以便在线了解图形显示系统各部件的工作状态。

4.根据权利要求3所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：自检方法是由图形引擎周期性的向图形显示系统各部件发出自检信号，采集相应部件输出的应答信息，若图形引擎采集到的应答信息正确，则判定该部件工作正常，若采集到的应答信息不正确或未采集到应答信息，则判定该部件有故障。

5.根据权利要求1所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述图形引擎的图形生成器采用管线化方法进行工作，生成图形上各点的坐标并进行光栅化处理，在图形生成器中构建各种图形的IP核库；在图形绘制光栅化阶段，图形生成器从图元起点开始逐点计算该图元在屏幕上坐标值，以坐标值的整数部分作为该点在栅格点位置，取图元RGB值作为该栅格点的颜色，根据坐标的小数部分，计算出栅格点相邻点的灰度值系数，从而实现图元点的栅格化和图元的硬件反走样处理，实现真实感图形生成。

6.根据权利要求5所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：对于某个图元上的各个栅格点以及相邻的反走样点的颜色值的计算，图元上的栅格点依次流过图形生成器各个计算单元，即采用流水线的方式进行计算，而在图形生成器中，多个不同图元的生成过程是并行执行的。

7.根据权利要求1或4所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述图形引擎的帧存控制器按照栅格化后的图形点位置将其RGB值存储到帧存控制器的指定存储单元中；在帧存控制器内部设置了裁剪模板，当裁剪模板被使能时，帧存控制器对所有要存储的图形点进行过滤，只有位于裁剪模板内部的图形点的RGB灰度值才存储到帧存器中，而位于裁剪模板外的图形点不被保存；当裁剪模板未被使能时，所有生成的图形点都被存储到帧存控制器。

8.根据权利要求1所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述帧存控制器模块内部划分为图形帧存器和视频帧存器，图形帧存器用于缓存图形生成引擎生成图形画面，视频帧存器用于缓存外部输入的视频画面。

9.根据权利要求8所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：图形帧存器和视频帧存器又各自划分为2个缓存区，即图形帧存器A区和图形帧存器B区、视频帧存器A区和视频帧存器B区，每个帧存器A区和B区以周期交替轮换的工作方式接收和输出数据：在某个周期中，图形帧存器A区缓存图形生成引擎生成图形画面，视频帧存器A区缓存外部输入的视频画面，此时图形帧存器B区和视频帧存器B区在视频控制器的控制下输出所缓存的画面数据；在下一个周期中，图形帧存器的A区和B区的工作状态互换，同时视频帧存器的A区和B区的工作状态也互换。

10.根据权利要求1所述的基于机载图形引擎的图形显示系统，其特征在于：所述视频控制器按照屏幕扫描的顺序依次逐点从图形帧存器和视频帧存器中读取栅格点的RGB值，形成两路视频流，视频控制器按流水线的方式分别对两路视频流进行处理，由图形帧存器输出的视频流首先经过区域填充模块进行图形的区域填充，同时由视频帧存器输出的视频流经过选通器进入背景画面的选择即背景画面采用纯色，还是以输入的视频为背景，然后两路视频流逐点依次流入视频混合器进行视频混合运算，混合运算中根据预设的透明度确定两路视频数据的权值，对两路视频流的各点进行逐点的加权计算，从而得到混合后的各点的颜色值，形成输出视频信号流。