CN104660918B - 一种机载视频实时混合显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机载视频实时混合显示系统，包括指令交换区、视频转换/解码模块、帧存储器、视频控制器、电源模块。本发明涉及视频处理领域，是一种具体的机载视频实时混合技术和图像显示系统架构。视频控制器是整个系统的核心，负责与上位机通信、配置解码芯片、放大视频画面、控制帧存储器、控制输入/输出视频、驱动显示等。本发明中的显示系统可以自动配置视频解码芯片、实现动态切换多路背景视频输入及实时放大背景视频画面，并能够将输入的前景和背景根据上位机提供的参数进行混合后显示。本发明与现有技术相比，其具有实时性高、体积小、功耗低、画面刷新率高、视频混合效果好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种机载视频实时混合显示系统，属于视频处理技术领域。
背景技术
伴随着微电子技术的迅速发展，机载座舱显示系统的技术水平突飞猛进。机载座舱显示系统是飞行员与飞机进行实时交互的重要途径，是飞行员了解飞机状态及飞行环境的主要手段。在机载座舱综合系统中通常存在多个视频源供飞行员读取信息，其他图形生成系统或摄像头产生的视频画面通常被呈现在不同的显示器上，但信息呈现的分散势必导致飞行员负担的加重。不同视频信号源提供的信号格式会有所差异，表现为视频分辨率、帧率可能不同，这些因素意味着简单的视频混合方式无法满足机载座舱显示系统的视频混合要求。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机载视频实时混合显示系统，，可以实现多路视频的混合，并可对背景视频画面实时放大，满足机载座舱显示系统对多路视频混合时的要求，而且系统具有实时性高、体积小、功耗低、画面刷新率高、视频混合效果好等特点。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种机载视频实时混合显示系统，其特征在于，包括视频控制器、前景视频信号输入通道、背景视频信号输入通道、指令传输通道、帧存储器、显示控制模块和电源模块；
所述视频控制器负责控制和协调整个显示系统的工作，用于完成视频混合、视频输入/输出控制、视频缓存控制、与上位机通信控制；
所述前景视频信号输入通道负责接收1路XGA格式的前景视频信号，用于对视频流进行解码，将解析出的视频流中包含的行场信号及数字格式的颜色信息，传送给视频控制器；
所述背景视频信号输入通道负责接收2路XGA格式和1路PAL格式的背景视频信号，在视频控制器的控制器下，选择其中1路视频信号，对视频信号进行视频转换/解码，将解析出的视频流中包含的行场信号及数字格式的颜色信息，传送至视频控制器；
所述指令传输通道用于接受上位机对系统的控制指令，所述控制指令的内容包括背景视频通道号和视频混合参数；
所述帧存储器用于缓存由所述背景视频信号输入通道中接收的背景视频的像素信息；
所述显示控制模块用于将显示系统计算完成的像素信息输出至显示器；
所述电源模块用于提供整个系统的供电。
前述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述视频控制器包括指令读取模块、帧存储器控制模块、系统控制器、背景放大模块、视频混合模块、背景视频通道控制模块和显示模块；
所述指令读取模块负责显示系统与上位机进行通信，获取上位机对系统的控制指令；
所述帧存储器控制模块用于将帧画面像素信息写入/读出帧存储器；
所述系统控制器用于调度视频控制器中各模块的工作；
所述背景放大模块用于将分辨率小于前景视频的背景视频画面实时放大，以匹配前景视频的分辨率；
所述视频混合模块用于将前景视频画面与经过放大的背景视频画面进行视频混合运算；
所述背景视频通道控制模块用于控制背景视频输入通道和接收背景视频。
前述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述视频控制器根据上位机下达的背景视频通道选择指令，在将一帧画面送到显示器后，如果背景视频通道需发生改变，由所述背景视频通道控制模块输出复位信号，对背景视频信号输入通道中的视频解码芯片进行复位，根据新选择的背景通道视频格式对视频解码芯片重新配置，视频解码芯片工作后，背景视频信号输入通道将有效的像素传送至视频控制器。
前述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述机载视频实时混合显示系统将不同帧率的前景视频与背景视频进行混合；所述机载视频实时混合显示系统接收的前景视频为XGA格式，其帧率为60FPS，背景视频为PAL格式，其帧率为25FPS；所述帧存储器用于缓存背景视频画面，由帧存储器控制模块按不同的速率完成写入/读出操作；所述视频控制器进行视频混合，从帧存储器读出已存储的背景视频信息时，按帧率为60FPS时的像素时钟速率读出。
前述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述帧存储器由两个存储芯片组成，即存储芯片A和存储芯片B，存储芯片A和存储芯片B均独立的保存一帧完整的背景视频画面，存储芯片A和存储芯片B的写入/读出状态相反；当视频控制器向存储芯片A写入背景视频画面时，视频控制器同时从存储芯片B中读出已保存的背景视频画面；反之，当视频控制器向存储芯片B写入背景视频画面时，视频控制器同时从存储芯片A中读出已保存的背景视频画面；每次完成一帧画面输出时，存储芯片A和存储芯片B的写入/读出状态互换。
前述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述机载视频实时混合显示系统将分辨率不同的前景视频和背景视频进行全屏混合，当背景视频选择分辨率为720×576的PAL画面时，视频控制器从帧存储器中顺序读出背景视频画面信息，按视频流的形式传送到所述背景放大模块；所述背景放大模块负责将背景视频画面放大至1024×768，在放大时采用流水线的方式，逐点地进行位置映射和颜色插值。
前述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述视频混合模块负责将放大后的背景画面与分辨率为1024×768的前景视频画面进行连续的逐点混合，形成输出视频流；所述视频混合模块利用前景视频像素点信息、背景视频像素点信息及上位机下达的混合参数进行视频叠加运算，上位机通过混合参数影响前景视频的透明度和背景视频自身亮度；所述视频叠加运算采用流水线方式，计算出的混合像素点信息连续的输出至显示模块。
前述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述显示模块包含不同驱动模式的驱动芯片；所述视频控制器对显示模块进行控制，在将视频混合模块的输出转换成不同格式的视频信号并发送至显示器时，同时驱动XGA接口和LVDS接口的显示器。
本发明所达到的有益效果：1.实现了多路视频混合输出，减少了用于显示的显示器数量，减少了多个显示系统造成的资源浪费和空间布局的复杂程度，并实现了多路视频的实时切换，满足了机载座舱显示系统的性能要求。2.实现了不同帧率视频的混合，利用缓存的机制对帧率进行了同步。3.实现了不同分辨率视频的混合，对低分辨率进行了放大，实现不同分辨率的前景视频和背景视频画面的全幅叠加。4.对图像放大和视频混合采用了流水线的处理方式，在输出视频流的消隐时间进行流水线的准备，不占用额外的处理时间，提高了系统的实时性。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明一种应用场景的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种机载视频实时混合显示系统，可以进行多路视频混合，上位机通过不同的命令字选择不同的背景通道参与混合，背景通道的切换可发生在系统运行过程的任意时刻，通道切换后背景视频将进行重新解码并获取新通道的视频流输入信号。同时，本发明还可以将不同帧率不同分辨率的视频混合，在输入的前景画面和背景画面在帧率、分辨率上存在差异时，通过缓存背景视频画面的机制，同步参与混合的两路视频的帧，同时对较小分辨率的背景视频画面进行实时的放大，将分辨率提高至前景视频的分辨率水平。
如图1所示，本发明结构包括指令交换区、视频转换/解码模块、帧存储器、视频控制器、电源模块。其中指令交换区通过一片双口RAM实现，该双口RAM具备状态字修改时自动产生中断信号的能力。视频转换/解码芯片包含两片解码芯片，分别用于前景视频信号的解码和背景视频信号的解码，并且用于背景视频的解码芯片具备多路视频通道解码的能力。帧存储器通过两片SSRAM实现，两片SSRAM可独立操作，即其中一片进行写入操作时，另一片可进行读出操作。视频控制器由单片FPGA实现，负责调度整个系统的所有资源，并对上位机下达的指令做出相应的动作；电源模块由外部供电和电源转换芯片实现，用于提供不同电压等级的电源以为整个显示系统供电。
本发明在上电时，首先进行帧存自检的操作，自检操作是通过向帧存中写入一定数据后读出以判断数据准确性的方法实现的，帧存自检完成后的显示系统将向上位机反馈自身状态并开始等待上位机的视频混合指令，等待时不断查询指令交换区是否产生了新的中断信号。
指令交换区是上位机与机载视频实时混合显示系统进行通信的数据存储区，当上位机向指令交换区中写入指令数据后，修改双口RAM状态字以产生中断信号通知机载视频实时混合显示系统读取上位机下达的指令。机载视频实时混合显示系统获得上位机下达的指令后，根据指令信息选择需要参与混合的背景通道，并对视频转换/解码模块中的解码芯片进行复位及重新配置。
视频转换/解码模块具备接受动态配置的能力，其中的解码芯片的配置是通过I2C总线实现，配置的主要内容为解码芯片的配置寄存器，配置完成后解码芯片开始工作，并对输入的视频信号进行解码，解调出视频输入信号中的行场信号和像素点的颜色分量信号交由视频控制器进行处理。
视频控制器获取解码芯片输入的行场信号和颜色分量信号，并对行场进行计数以得到像素点的位置坐标，并将像素点的颜色分量信号保存至帧存储器中可进行写入操作的SSRAM。同时，视频控制器从帧存储器中可进行读出操作的SSRAM中读出已经保存完整的视频帧画面用于视频混合，从帧存储器读出已存储的背景视频信息时，按帧率为60FPS时的像素时钟速率读出。在视频混合时，考虑前景视频信号分辨率和背景视频分辨率可能存在差异，需要控制背景放大模块对背景视频画面的分辨率进行放大。比如，当背景视频选择分辨率为720×576的PAL画面时，视频控制器从帧存储器中顺序读出背景视频画面信息传送到背景放大模块。背景放大模块负责将背景视频画面放大至1024×768。视频混合模块负责将放大后的背景画面与分辨率为1024×768的前景视频画面进行连续的逐点混合，形成输出视频流。视频混合模块利用前景视频像素点信息、背景视频像素点信息及上位机下达的混合参数进行视频叠加运算，上位机通过混合参数影响前景视频的透明度和背景视频自身亮度。视频叠加运算采用流水线方式，计算出的混合像素点信息连续的输出至显示模块。
背景放大模块对背景视频画面的放大设计了流水线的处理方式，在视频连续输入输出的情况下，视频画面的放大不占用额外的工作时间。在流水线启动时，需要短时间的准备时间，此时间保证流水线第一次流通。在后续连续的“流水”过程中，背景视频画面的像素点连续不断的流入流水线，每一个像素点经过流水线进行完全相同的处理过程，在流水线的输出端可获得连续输出的放大后的背景视频画面的像素信息。在视频控制器的控制下，背景视频画面可无时间延迟的放大至同前景视频画面具有同等分辨率的状态，并经视频混合模块与前景视频画面进行全幅画面的混合。
视频混合模块根据输入的前景视频像素点和背景视频像素点以及上位机下达的混合参数进行视频画面的混合处理，计算完成时经显示模块驱动外部显示器以供显示。
显示模块能将混合后的画面像素信息转换成符合视频标准的视频流，在每帧视频结束时切换帧存储器中SSRAM的写入/读出操作方式，并将单端视频信号转换成差分格式的视频信号以适应远距离的传输要求，同时显示模块提供多种输出格式的视频以作冗余，保证显示系统的可靠性。
视频控制器包括指令读取模块、帧存储器控制模块、系统控制器、背景放大模块、视频混合模块、背景视频通道控制模块和显示模块。指令读取模块负责显示系统与上位机进行通信，获取上位机对系统的控制指令。帧存储器控制模块用于将帧画面像素信息写入/读出帧存储器。系统控制器用于调度视频控制器中各模块的工作。背景放大模块用于将分辨率小于前景视频的背景视频画面实时放大，以匹配前景视频的分辨率。视频混合模块用于将前景视频画面与经过放大的背景视频画面进行视频混合运算。背景视频通道控制模块用于控制背景视频输入通道和接收背景视频。显示模块包含不同驱动模式的驱动芯片，视频控制器对显示模块进行控制，在将视频混合模块的输出转换成不同格式的视频信号并发送至显示器时，同时驱动XGA接口和LVDS接口的显示器。
在机载视频实时混合显示系统进行工作的时候，前景视频信号输入通道负责接收1路XGA格式的前景视频信号，用于对视频流进行解码，将解析出的视频流中包含的行场信号及数字格式的颜色信息，传送给视频控制器。前景视频为XGA格式，其帧率为60FPS。
背景视频信号输入通道负责接收2路XGA格式和1路PAL格式的背景视频信号，在视频控制器的控制器下，选择其中1路视频信号，对视频信号进行视频转换/解码，将解析出的视频流中包含的行场信号及数字格式的颜色信息，传送至视频控制器。背景视频为PAL格式，其帧率为25FPS。
帧存储器用于缓存由背景视频信号输入通道中接收的背景视频的像素信息，按不同的速率完成写入/读出操作。帧存储器由两个存储芯片组成，即存储芯片A和存储芯片B，存储芯片A和存储芯片B均独立的保存一帧完整的背景视频画面，存储芯片A和存储芯片B的写入/读出状态相反。当视频控制器向存储芯片A写入背景视频画面时，视频控制器同时从存储芯片B中读出已保存的背景视频画面；反之，当视频控制器向存储芯片B写入背景视频画面时，视频控制器同时从存储芯片A中读出已保存的背景视频画面；每次完成一帧画面输出时，存储芯片A和存储芯片B的写入/读出状态互换。
在进行工作时，视频控制器根据上位机下达的背景视频通道选择指令，在将一帧画面发送给显示器后，如果背景视频通道需发生改变，由背景视频通道控制模块输出复位信号，对背景视频信号输入通道中的视频解码芯片进行复位，根据新选择的背景通道视频格式对视频解码芯片重新配置，视频解码芯片工作后，背景视频信号输入通道将有效的像素传送至视频控制器。
图2为具有不同背景视频流的机载视频实时混合显示系统的应用场景，以下为系统的工作过程：
1)显示系统上电后视频控制器进行帧存自检，自检成功后向上位机PowerPC反馈状态，PowerPC收到状态后给出应答信号；
2)PowerPC向显示系统发出视频混合指令，并在指令数据中包含视频混合相关的参数及背景通道号；
3)显示系统根据PowerPC下达的指令对解码芯片进行配置，解码芯片配置完成开始工作，解析视频流中的的行场信号以及像素点颜色分量信息，并将背景画面写入SSRAM中；
4)视频控制器对SSRAM中保存完整的帧画面进行读取用于视频画面混合，当选择的背景视频为PAL信号时，由于PAL信号的分辨率低于前景XGA的分辨率，所以对背景信号进行画面的放大；
5)前景画面和经过放大的背景画面交由视频混合模块，同时根据上位机下达的前景透明度和背景强度对输入的画面像素点进行调节，通过计算得到混合后的像素点信息；
6)计算完成的像素点由显示模块调制为差分格式的XGA和LVDS输出至外部显示器。
与现有技术相比，本发明的收益效果在于：
1.实现了多路视频混合输出，减少了用于显示的显示器数量，减少了多个显示系统造成的资源浪费和空间布局的复杂程度，并实现了多路视频的实时切换，满足了机载座舱显示系统的性能要求；
2.实现了不同帧率视频的混合，利用缓存的机制对帧率进行了同步；
3.实现了不同分辨率视频的混合，对低分辨率进行了放大，实现不同分辨率的前景视频和背景视频画面的全幅叠加；
4.对图像放大和视频混合采用了流水线的处理方式，在输出视频流的消隐时间进行流水线的准备，不占用额外的处理时间，提高了系统的实时性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种机载视频实时混合显示系统，其特征在于，包括视频控制器、前景视频信号输入通道、背景视频信号输入通道、指令传输通道、帧存储器、显示控制模块和电源模块；
所述视频控制器负责控制和协调整个显示系统的工作，用于完成视频混合、视频输入/输出控制、视频缓存控制、与上位机通信控制；
所述前景视频信号输入通道负责接收1路XGA格式的前景视频信号，用于对视频流进行解码，将解析出的视频流中包含的行场信号及数字格式的颜色信息，传送给视频控制器；
所述背景视频信号输入通道负责接收2路XGA格式和1路PAL格式的背景视频信号，在视频控制器的控制器下，选择其中1路视频信号，对视频信号进行视频转换/解码，将解析出的视频流中包含的行场信号及数字格式的颜色信息，传送至视频控制器；
所述指令传输通道用于接受上位机对系统的控制指令，所述控制指令的内容包括背景视频通道号和视频混合参数；
所述帧存储器用于缓存由所述背景视频信号输入通道中接收的背景视频的像素信息；
所述显示控制模块用于将显示系统计算完成的像素信息输出至显示器；
所述电源模块用于提供整个系统的供电；
所述视频控制器包括指令读取模块、帧存储器控制模块、系统控制器、背景放大模块、视频混合模块、背景视频通道控制模块和显示模块；
所述指令读取模块负责显示系统与上位机进行通信，获取上位机对系统的控制指令；
所述帧存储器控制模块用于将帧画面像素信息写入/读出帧存储器；
所述系统控制器用于调度视频控制器中各模块的工作；
所述背景放大模块用于将分辨率小于前景视频的背景视频画面实时放大，以匹配前景视频的分辨率；
所述视频混合模块用于将前景视频画面与经过放大的背景视频画面进行视频混合运算；
所述背景视频通道控制模块用于控制背景视频输入通道和接收背景视频。
2.根据权利要求1所述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述视频控制器根据上位机下达的背景视频通道选择指令，在向显示器发送一帧画面完成时，如果背景视频通道需发生改变，由所述背景视频通道控制模块输出复位信号，对背景视频信号输入通道中的视频解码芯片进行复位，根据新选择的背景通道视频格式对视频解码芯片重新配置，视频解码芯片工作后，背景视频信号输入通道将有效的像素传送至视频控制器。
3.根据权利要求1所述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述机载视频实时混合显示系统将不同帧率的前景视频与背景视频进行混合；所述机载视频实时混合显示系统接收的前景视频为XGA格式，其帧率为60FPS，背景视频为PAL格式，其帧率为25FPS；所述帧存储器用于缓存背景视频画面，由帧存储器控制模块按不同的速率完成写入/读出操作；所述视频控制器进行视频混合，从帧存储器读出已存储的背景视频信息时，按帧率为60FPS时的像素时钟速率读出。
4.根据权利要求3所述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述帧存储器由两个存储芯片组成，即存储芯片A和存储芯片B，存储芯片A和存储芯片B均独立的保存一帧完整的背景视频画面，存储芯片A和存储芯片B的写入/读出状态相反；当视频控制器向存储芯片A写入背景视频画面时，视频控制器同时从存储芯片B中读出已保存的背景视频画面；反之，当视频控制器向存储芯片B写入背景视频画面时，视频控制器同时从存储芯片A中读出已保存的背景视频画面；每次完成一帧画面输出时，存储芯片A和存储芯片B的写入/读出状态互换。
5.根据权利要求1所述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述机载视频实时混合显示系统将分辨率不同的前景视频和背景视频进行全屏混合，当背景视频选择分辨率为720×576的PAL画面时，视频控制器从帧存储器中顺序读出背景视频画面信息，按视频流的形式传送到所述背景放大模块；所述背景放大模块负责将背景视频画面放大至1024×768，在放大时采用流水线的方式，逐点地进行位置映射和颜色插值。
6.根据权利要求5所述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述视频混合模块负责将放大后的背景画面与分辨率为1024×768的前景视频画面进行连续的逐点混合，形成输出视频流；所述视频混合模块利用前景视频像素点信息、背景视频像素点信息及上位机下达的混合参数进行视频叠加运算，上位机通过混合参数影响前景视频的透明度和背景视频自身亮度；所述视频叠加运算采用流水线方式，计算出的混合像素点信息连续的输出至显示模块。
7.根据权利要求1所述的机载视频实时混合显示系统，其特征在于：所述显示模块包含不同驱动模式的驱动芯片；所述视频控制器对显示模块进行控制，在将视频混合模块的输出转换成不同格式的视频信号并发送至显示器时，同时驱动XGA接口和LVDS接口的显示器。
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