CN109640003B - 一种超高清电视播出多路静净切换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高清电视播出多路静净切换的系统和方法，包括：切换控制台，换控制台与纯硬件构成的一分四分配器连接，一分四分配器与四个分别能够接入至少两路以上视频信号的多选一切换器连接，各个多选一切换器中设有依次连接的命令捕捉装置、防抖滤波装置、音频静音装置、切换行窗口捕捉装置、视音频信号切换装置。本发明通过将切换信号简单化的方式利用多选一切换器的可编程门阵的特点，用TTL电平这种最简洁的信号触发切换，并通过防抖、静音、捕捉行同步窗口等措施，将复杂的切换过程简单化，巧妙的解决了在超高清切换过程中四幅图像拼接为一幅超高清图像的拼接问题，以极简的切换方式实现了超高清的多路切换，降低了成本。

Description

一种超高清电视播出多路静净切换的方法

技术领域

本发明涉及一种超高清电视播出多路静净切换的系统和方法，是一种数字视频处理系统和方法，是一种用于超高清电视播出的数字视频处理系统和方法。

背景技术

4K超高清电视制播技术本身还处于一个启动阶段，众多环节尚存未能很好解决的技术问题。在制作、播出和传输等环节在多个技术发展方向尚处于完善和探索阶段。在系统架构方面，基于SDI与IP的技术都在发展中，IP技术标准因设备生产厂家而不同，还不能实现完全兼容；12G-SDI是新发布技术，也在完善阶段，因此当前多种传输技术还在混合使用中。基于成熟的3G-SDI标准，进行四链路传输Quad-Link是当前4K信号传输切实可行的方案。单路4K信号需4链路3G-SDI，实现多路以上的净静切换，意味着需要实现8路以上的同步切换。传统的3G-SDI 2X1净静切换仅能实现2路信号之间的切换，无法满足8路以上分组净静切换。

现有的4链路3G-SDI的4路以上高清的净静切换方案是基于矩阵分组切换模式。由于在该方案中切换的同步操作控制命令是通过协议传输的。凡通过任何协议传输的控制命令，无论是网络控制协议或者串口协议，即使可保证传输链路延时的一致性，在各个设备接收到命令后其CPU响应协议、处理协议的时间也无法保证完全一致，从而导致各台设备间的切换操作无法完全同步。因此，这一方案很难保证四路切换严格同步，切换时间上相差一帧，在拼接后的画面上就能明显看到节目差别。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种超高清电视播出多路静净切换的系统和方法。所述的方法使用TTL电平作为切换命令直接控制切换，并通过一系列措施保证了四路切换的同步，避免了协议造成的切换不一致。

本发明的目的是这样实现的：一种超高清电视播出多路静净切换的系统，包括：发出TTL切换电平的切换控制台，所述的换控制台与纯硬件构成的一分四分配器连接，所述的一分四分配器与四个分别能够接入至少两路以上视频信号的多选一切换器连接，各个所述的多选一切换器中设有依次连接的命令捕捉装置、防抖滤波装置、音频静音装置、切换行窗口捕捉装置、视音频信号切换装置；所述的多选一切换器还设有行同步相位对齐装置和视音频信号切换装置连接。

进一步的，所述的各个多选一切换器中设有系统同步参考信号接收芯片和时钟锁相电路。

一种使用上述系统的超高清电视播出多路静净切换的方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，发出切换信号的步骤：切换控制台发出TTL切换电平的切换控制信号；

步骤2，一分四的步骤：纯硬件的一分四分配器将TTL切换电平分为四路发至四个多选一切换器；

以下步骤在一个多选一切换器中执行：

步骤3，命令捕捉的步骤：命令捕捉装置接收TTL切换电平作为启动信号，启动切换过程；

步骤4，防抖滤波的步骤：防抖滤波装置将启动信号做防抖处理；

步骤5，音频静音的步骤：音频静音装置将切换命令应处于等待状态，直至静音完成；

步骤6，视频切换行捕捉的步骤：切换行窗口捕捉装置将切换命令应处于等待状态，直至等到切换行窗口出现；

步骤7，行同步相位对齐的步骤：在执行步骤4-6的同时，将行同步相位对齐；

步骤8，切换的步骤：切换行窗口捕捉装置在切换行窗口出现时，将切换指针指向准备输出的信号源；

在净静切换过程中各个多选一分配器使用系统同步参考信号作为同步信号，以系统同步参考信号的频率为基准，作为多选一切换器中各步骤执行的计时时钟，以系统同步参考信号的相位为基准，校准多选一切换器中各步骤进程的计时相位。

步骤9，开启音频的步骤：以淡入方式打开音频，完成净静切换；

进一步的，所述的步骤4中的防抖处理是确认作为启动信号的TTL电平由低跳变到高之后在高电平维持一段时间。

进一步的，所述的启动信号在高电平维持时间为80~120毫秒。

本发明产生的有益效果是：本发明通过将切换信号简单化的方式利用多选一切换器的可编程门阵的特点，用TTL电平这种最简洁的信号触发切换，并通过防抖、静音、捕捉行同步窗口等措施，将复杂的切换过程简单化，巧妙的解决了在超高清切换过程中四幅图像拼接为一幅超高清图像的拼接问题，以极简的切换方式实现了超高清的多路切换，降低了成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一所述纯硬件设计的切换命令一分四分配器原理图；

图3是由于计时系统相位差而造成的问题示意图；

图4是本发明的实施例三所述方法的流程图；

图5是本发明的实施例四所述防抖滤波在整个切换过程中所处环节的示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种超高清电视播出多路静净切换的系统，如图1所示。本实施例包括：发出TTL切换电平的切换控制台，所述的换控制台与纯硬件构成的一分四分配器连接，所述的一分四分配器与四个分别能够接入至少两路以上视频信号的多选一切换器连接，各个所述的多选一切换器中设有依次连接的命令捕捉装置、防抖滤波装置、音频静音装置、切换行窗口捕捉装置、视频音信号切换装置；所述的多选一切换器还设有行同步相位对齐装置和视音频信号切换装置。

Quad-Link四链路超高清传输系统，是将一路超高清节目源分成4根信号线（即4个链路）同时传输，显示时再拼接为一副完整画面。因此，在多组节目源间进行切换时，需要对四路信号同时切换。如图1所示是四组节目之间的切换，每组节目有四路信号，四组共十六路信号进行切换，切换后形成四路输出信号，拼接为一幅完整的超高清图像。

在实际系统要求中，需要使用多路节目源进行备份，以保证输出的安全性。同时，切换操作要支持净静切换。净静切换是指，基于SMPTE RP 168标准，两路信号源在VANC区域进行的切换行，以保证输出节目全帧画面的完整性，实现视频的净切换。同时，音频采用V渐变效果处理，先静音再恢复，从而实现音频的静切换。

在图1所示的实现方案中，采用四台四选一切换器组成一个完整的切换系统，每台切换器分别接入某路节目源的一个链路信号，以实现最多4路超高清节目间的净静切换需求。图1展示了支持四路超高清节目（A、B、C、D）的切换系统。

要实现节目源间的净切换，首先要保证节目源在进入到切换点前，相位完全一致。这可以通过现有的行同步技术来实现。因此，本实施例的关键点的在于实现四台切换器的完全同步操作。

现有的技术是，切换控制台和多选一切换器之间采用协议通讯。凡通过任何协议传输的控制命令，无论是网络控制协议或者串口协议，即使可保证传输链路延时的一致性，在各个设备接收到命令后其CPU响应协议、处理协议的时间也无法保证完全一致，从而导致各台多选一切换器之间的切换操作无法完全同步，影响四幅拼接图像的质量。

为解决这一问题，本实施例采用切换命令以最基本的传输方式送达到各台受控设备的方式，力求控制信号的简洁和信号传输处理的简洁，使各台受控设备以最高的精度及时响应操作命令，实现各台设备精准同步。

为此，本实施例采用切换命令为TTL电平形式，通过纯硬件设计的一分四分配器，下发到各台多选一切换器中。利用多选一切换器的主要芯片是能够直接响应TTL电平的FPGA的特点，使各个多选一切换器能够直接响应高度简洁的TTL电平切换命令，从而实现无延时处理。其切换信号的传输处理过程高度简洁，完全摒弃了协议传输处理过程中的协议响应、协议处理的时间，使切换同步变得轻而易举。

纯硬件设计的切换命令一分四分配器的实现如附图2所示。

切换控制台发出的切换命令由四根TTL电平组成。某一时刻，其中只会有一根TTL电平幅度为高，表征需要切换到该路信号源上，其余三根TTL电平为低。

切换控制台的每根TTL电平通过“一分四”设备，均复制为四根相同的输出，即共16根TTL电平输出。其中使用的“一分四驱动器”为最简单的TTL分配及驱动芯片，可视为零延时电路。

将复制后的TTL电平A(n)、B(n)、C(n)、D(n)打包为一组，分别送至四台“四选一切换器”。这样，每台“四选一切换器”均可同时接收到相同的切换命令。

为实现这一方案，本实施例首先将切换控制台的切换命令输出修改为TTL电平，即：切换时输出一个高电平触发信号。

由于切换控制信号是电平，因此一分四分配器也可以使用纯硬件处理，使控制信号以电平形式一分四，以极简洁、极快的速度通过一分四分配器。

本实施例所述的多选一切换器，其基本原理和形式与常规的多选一分配器相同，只是省略了处理控制信号中协议的部分，同时增加了四路净静切换所必要的处理装置。

为实现净静切换，本实施例还设置了命令捕捉装置、防抖滤波装置、音频静音装置、切换行窗口捕捉装置、行同步相位对齐装置、视音频信号切换装置。

命令捕捉装置用以接收切换控制信号，防抖滤波装置用以消除传播线路上的毛刺电平，避免干扰控制信号，这是电平信号传输所必须的，音频静音装置用于对音频信号进行静音处理，切换行窗口捕捉装置用于等待行切换窗口的出现，行同步相位对齐装置将各个行同步相位对齐，避免行差异造成图像扭曲，视音频信号切换装置则最终实现节目的切换。

为实现净静切换，还需要将各个多选一切换器完全同步，包括频率同步和相位同步，为此，本实施例可以通过获取系统同步参考信号实现，或者通过其他方式进行同步。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于多选一切换器的细化。本实施例所述的各个多选一切换器中设有系统同步参考信号接收芯片和时钟锁相电路。

各个多选一切换器之间，必须要保证各个处理环节都完全同步，才可以实现节目间的同步切换。由于切换行窗口可是通过系统同步参考信号获得。系统同步参考信号是有权威机构发布的标准同步信号。只要所有设备连接相同的系统同步参考信号，那么切换行窗口也必然一致。因此，时间精度控制是较容易实现的。

问题的关键在于各设备间产生同步的定时系统。定时系统的同步，包括两个环节：频率同步和相位同步。

频率同步即用于计算时间的主时钟的频率完全一致，从而计时长度完全一致。而相位同步，是需要定时脉冲的相位也要完全一致，否则会因为相位偏差造成操作命令的不同步。例如，定时脉冲的最小精度如果是1ms，那么两台设备之间的最大计时误差就是1ms，这对于1080p/50格式的视频信号来说是1/20帧的时间长度。因此，理论上来说，会出现1/20概率使得两台设备间的操作不同步。这是普通高清传输所允许的，或者说这个故障概率是普通高清能够忍受的。但是对于需要四台设备联动的超高清系统，四路信号切换时有任意两路不同步的概率将增加至(4x3/2)*1/20=30%，成为一个较大概率事件，或者说在超高清系统中这个故障概率是无法忍受的。

图3中详细说明了由于计时系统相位差而造成的问题。虽然设备1和设备2同时接收到了切换命令，但由于二者内部计时系统的相位不一致，设备2切换命令刚好错过了最近的切换行，导致切换命令需要在下一帧的切换行才会被执行。这样，经过两台设备输出的画面拼接在一起后，就会出现有一帧画面是由节目A和节目B合成的，这在视觉效果上明显能看出整幅画面的不一致。

为了实现设备间定时系统的完全同步，本实施例同样利用系统同步参考信号。以同步参考信号的频率为基准，作为各台设备的计时时钟。以同步参考信号的相位为基准，校准各台设备的计时相位。而各台设备上均使用了专业级、高精度的同步参考信号接收芯片以及时钟锁相电路，因而可保证所需要的完全同步性。

实施例三：

本实施例一种使用上述系统的超高清电视播出多路静净切换的方法。

本实施例的基本思路是：利用简洁的TTL电平作为切换控制信号，一分四分配器采用纯硬件处理，将一个TTL电平分为四个TTL电平发给四个多选一切换器。每个多选一切换器上连接多路节目信号的四分之一屏幕信号进行切换。同时在多选一切换器中设置一些保证TTL电平的正确性和实现净静切换必要处理的装置，形成完整的切换系统。

所述方法的步骤如下，流程如图3所示：

步骤1，发出切换信号的步骤：切换控制台发出TTL切换电平的切换控制信号。本步骤就是在切换控制台上按下切换按钮，切换控制台发出TTL切换电平的切换控制信号。一般使用一个高电平的前沿作为触发信号，这是一种十分原始的信号形式，但十分简洁明确，作为控制信号，无需做任何与协议有关的处理。

步骤2，一分四的步骤：纯硬件的一分四分配器将TTL切换电平分为四路发至四个多选一切换器。由于切换控制信号是TTL电平，因此，一分四分配器也可以使用简单的硬件实现，是电路大大简化。

步骤3，命令捕捉的步骤：命令捕捉装置接收TTL切换电平作为启动信号，启动切换过程。当切换信号从一分四分配器中发出后，各个多选一切换器的命令捕捉装置就会收到切换命令，这个TTL切换电平会触发多选一切换器FPGA中的一个门电路而启动切换过程。

以下步骤在多选一切换器中执行：

步骤4，防抖滤波的步骤：防抖滤波装置将启动信号做防抖处理。防抖滤波的作用在于消除传输线上的任何毛刺电平，可以设置一个时间阈值，将小于这个时间阈值的脉冲当做毛刺滤除，保证切换信号的正确性。

步骤5，音频静音的步骤：音频静音装置将切换命令应处于等待状态，直至静音完成。音频静音功能是实现音频静切换的必要操作。在视频切换前，首先要将音频静音一段时间。在此时间内，切换命令应处于等待状态，直至静音完成。

步骤6，视频切换行捕捉的步骤：切换行窗口捕捉装置将切换命令应处于等待状态，直至等到切换行窗口出现。本步骤也是实现视频净切换的必要操作。在切换命令到达的时候，不能马上进行切换操作，必须等待至切换行窗口出现，切换命令才会被执行。

步骤7，行同步相位对齐的步骤：在执行步骤4-6的同时，将行同步相位对齐。在执行防抖、静音和等待切换行窗口的同时，还必须将各个图形的行同步相位对齐，使四个图形完全对正，才能在屏幕上显示正确的超高清晰图像。

步骤8，切换的步骤：切换行窗口捕捉装置在切换行窗口出现时，将切换指针指向准备输出的信号源。

在净静切换过程中各个多选一分配器使用系统同步参考信号作为同步信号，以系统同步参考信号的频率为基准，作为多选一切换器中各步骤执行的计时时钟，以系统同步参考信号的相位为基准，校准多选一切换器中各步骤进程的计时相位。

使用系统同步参考信号意味着所有设备都使用统一的同步信号，而这个同步信号是外部给出的，相当于一个标准时钟，而这个标准时钟对行同步有效，由于这个优势，使多台设备的精确行同步称为可能，即实现了频率同步也实现了相位同步。

步骤9，开启音频的步骤：以淡入方式打开音频，完成净静切换。在图像切换之前，将切换前的音频信号用淡出的方式静音，当视频切换完成后，用淡入的方式开启切换后的音频，这样可以给观众以声音柔和的进出感，而不是生硬的声音断裂。将音频完全开启后整个净静切换过程完成。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于防抖处理的细化，本实施例所述的步骤4中的防抖处理是认作为启动信号的TTL电平由低跳变到高之后在高电平维持一段时间。

防抖滤波的作用在于消除传输线上的任何毛刺电平。本实施例采用将小于一定时间阈值的脉冲当作毛刺滤除，即确认TTL电平由低跳变到高之后在高电平维持一段时间，确保切换信号的正确性。

图5是防抖滤波在整个切换过程中所处环节的示意图。切换命令被捕捉后，首先进行防抖滤波，即确认TTL电平由低跳变到高之后在高电平维持100毫秒，以便去除TTL传输脉冲毛刺，之后音频静音100毫秒。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于确认TTL电平由低跳变到高之后在高电平维持时间的细化。本实施例所述的启动信号在高电平维持时间为80~120毫秒。

可以采用100ms左右的防抖滤波窗口，实际应用时会将确认TTL电平由低跳变到高之后在高电平维持100ms，确认后后再将切换信号传输给下一级，即可以达到滤波的作用。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如屏幕分割的数量、切换系统的形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种超高清电视播出多路静净切换的方法，所述方法所使用的系统包括：发出TTL切换电平的切换控制台，所述的换控制台与纯硬件构成的一分四分配器连接，所述的一分四分配器与四个分别能够接入至少两路以上视频信号的多选一切换器连接，各个所述的多选一切换器中设有依次连接的命令捕捉装置、防抖滤波装置、音频静音装置、切换行窗口捕捉装置、视音频信号切换装置；所述的多选一切换器还设有行同步相位对齐装置和视音频信号切换装置连接；所述的各个多选一切换器中设有系统同步参考信号接收芯片和时钟锁相电路，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，发出切换信号的步骤：切换控制台发出TTL切换电平的切换控制信号；

步骤2，一分四的步骤：纯硬件的一分四分配器将TTL切换电平分为四路发至四个多选一切换器；

以下步骤在一个多选一切换器中执行：

步骤3，命令捕捉的步骤：命令捕捉装置接收TTL切换电平作为启动信号，启动切换过程；

步骤4，防抖滤波的步骤：防抖滤波装置将启动信号做防抖处理；

步骤5，音频静音的步骤：音频静音装置将切换命令应处于等待状态，直至静音完成；

步骤6，视频切换行捕捉的步骤：切换行窗口捕捉装置将切换命令应处于等待状态，直至等到切换行窗口出现；

步骤7，行同步相位对齐的步骤：在执行步骤4-6的同时，将行同步相位对齐；

步骤8，切换的步骤：切换行窗口捕捉装置在切换行窗口出现时，将切换指针指向准备输出的信号源，完成净静切换；

在净静切换过程中各个多选一分配器使用系统同步参考信号作为同步信号，以系统同步参考信号的频率为基准，作为多选一切换器中各步骤执行的计时时钟，以系统同步参考信号的相位为基准，校准多选一切换器中各步骤进程的计时相位；

步骤9，开启音频的步骤：以淡入方式打开音频，完成净静切换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中的防抖处理是将启动信号延迟一段时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的启动信号延迟时间为80~120毫秒。

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