CN110944169A - 一种可编程4k视频信号发生器及其信号处理方法 - Google Patents

一种可编程4k视频信号发生器及其信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可编程4K视频信号发生器及其信号处理方法。可编程4K视频信号发生器包括：测试图像序列生成模块；测试图像序列发送模块、图像信噪比测量模块；控制模块。其信号处理方法：分配计算机内存；测试数据写入计算机内存；建立通信客户端并与服务器端连接；根据通信协议发送一个测试数据帧；等待服务器端返回校验成功指令；若校验不成功，则返回上一步，重新根据通信协议发送一个测试数据帧；若校验成功，则发送下一个测试数据帧。本公开设计了适合测量4K视频通信网络图像质量的测试图像，配置了多种网络接口及图像信噪比测量的软件，测试图像序列参数可编程调整，解决了4K视频通信网络质量计量缺少专用测试设备的问题。

Description

一种可编程4K视频信号发生器及其信号处理方法
技术领域
本公开涉及计量领域，尤其涉及一种用于4K视频通信网络质量计量的可编程4K视频信号发生器及其信号处理方法。
背景技术
目前还没有专门用于4K视频通信网络质量计量的可编程4K视频信号发生器，已有的视频信号发生器主要用于对显示设备的测试，产生的测试信号主要用于测量亮度、抖动、拖尾等显示器指标，且仅配置连接显示器的HDMI接口，没有配置网络接口。使用此类视频信号发生器进行4K视频通信网络质量计量时，需要配置网络接入设备，但会引入测量误差，不适合用于4K视频通信网络质量的计量。因此需要使用专门用于4K视频通信网络质量计量的可编程4K视频信号发生器，满足4K视频通信网络质量计量的要求。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种可编程4K视频信号发生器及其信号处理方法，用于4K视频通信网络质量计量。本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种可编程4K视频信号发生器，包括：
测试图像序列生成模块：用于根据测试要求生成测试图像序列；
测试图像序列发送模块：用于将测试图像序列对外发送给视频信号接收端；
图像信噪比测量模块：用于测量测试图像序列的图像信噪比、信噪比均方差和峰值信噪比；
控制模块：用于各模块间的协调控制。
进一步的，所述可编程4K视频信号发生器，数据处理运算速度大于1.24GByte/s，传输带宽满足4K视频通信的要求。
进一步的，所述测试图像序列生成模块，内置4K格式图像，根据测试要求生成测试图像序列。
进一步的，所述测试图像序列生成模块：测试图像序列由极限八灰度等级图像和垂直彩条图像两种类型的图像组成，标准4K格式，尺寸3840×2160，符合MPEG-4/H.264格式；测试图像序列由在水平方向间隔相同像素数的测试图像组成，像素数可通过软件设置，生成的测试图像序列包含不少于400幅测试图像。
进一步的，所述测试图像序列发送模块：配置PCI-Express总线；采用了4块现场可编程逻辑门阵列现场可编程逻辑门阵列FPGA并行运算的方式；配置RJ-45接口、SC光纤接口、FDDI接口；可设置测试图像发送的帧间隔，帧间隔的调整范围为100ns～10μs；。
进一步的，图像信噪比计算公式为：
Figure BDA0002298627280000021
其中Psignal为信号功率；Pnoise为噪声功率；Asignal为信号幅度；Anoise为噪声幅度。
进一步的，信噪比均方误差计算公式为：
Figure BDA0002298627280000022
其中M、N为图像的长和宽，fij表示图像的像素灰度。
进一步的，峰值信噪比计算公式为：
Figure BDA0002298627280000023
其中L为图像中像素的最大灰度值，采用255为最佳，MSE为图像信噪比均方误差。
进一步的,所述控制模块，用于控制各模块的工作流程；形成测试图像序列；固定分配计算机内存；连接网络接收端；发送测试图像序列。
第二方面，本发明提供了一种可编程4K视频信号发生器信号处理方法，步骤如下：
步骤1：分配计算机内存；
步骤2：将测试数据写入计算机内存；
步骤3：建立通信客户端并与服务器端连接；
步骤4：根据通信协议发送一个测试数据帧；
步骤5：等待服务器端返回校验成功指令：若校验不成功，则返回步骤4，重新据通信协议发送一个测试数据帧；若校验成功，则执行步骤6；
步骤6：发送下一个测试数据帧。
进一步的，所述的可编程4K视频信号发生器信号处理方法，步骤1使用HeapAlloc()函数分配计算机内存。
进一步的，所述的可编程4K视频信号发生器信号处理方法，步骤5采用异或校验。
本发明提供了一种可编程4K视频信号发生器及其信号处理方法，设计了适合测量4K视频通信网络图像质量帧时延和信噪比参数的测试图像，配置了适合网络传输的多种网络接口及图像信噪比测量的软件，测试图像序列及参数均可通过编程调整设置，实现了4K视频信号发生器的可编程，解决了4K视频通信网络质量计量缺少专用测试设备的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种可编程4K视频信号发生器示意图；
图2为本发明提供的可编程4K视频信号发生器的硬件原理示意图；
图3为极限八灰度等级图像示意图；
图4为垂直彩条图像示意图；
图5为帧间隔示意图；
图6为本发明提供的可编程4K视频信号发生器信号处理方法示意图。
具体实施例
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
实施例一
本发明实施例提供了一种可编程4K视频信号发生器，用于4K视频通信网络质量计量。本发明实施例提供的可编程4K视频信号发生器，配置有RJ-45接口、SC光纤接口、FDDI接口类型的网络通信接口，数据处理运算速度大于1.24GByte/s，传输带宽满足4K视频通信的要求，内置4K格式图像，可根据测试要求生成测试图像序列，测试图像序列的图像组成、帧间隔等参数可以调整。本发明具有图像信噪比测量功能和数据发送功能，使用本发明可以直接将测试图像序列发送至通信网络，进行4K视频通信网络质量的计量。
参见图1和图2，本发明实施例提供的可编程4K视频信号发生器，包括：
测试图像序列生成模块：用于根据测试要求生成测试图像序列；
本公开具体实施时，测试图像序列由极限八灰度等级图像和垂直彩条图像两种类型的图像组成，标准4K格式，尺寸3840×2160，符合MPEG-4/H.264格式。测试图像序列由在水平方向间隔相同像素数的测试图像组成，像素数可通过软件设置，生成的测试图像序列包含不少于400幅测试图像。
极限八灰度等级图像如图3所示，是在50％的灰色背景上产生两排灰度等级的图像，第一排灰度为：0％、5％、10％、15％；第二排灰度为：85％、90％、95％、100％，每个灰度矩形占满屏面积的5％。
垂直彩条图像如图4所示，由白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑垂直色带组成，按亮度高低从左至右排列。
本公开具体实施时，根据视频通讯网络传输内容(实时视频通讯、视频文件传输、灰度图像等)，设置图像类型。例如：实时视频通讯、视频文件传输使用彩条信图像，灰度图像使用极限八灰度等级图像。
测试图像序列发送模块：用于将测试图像序列对外发送给视频信号接收端；
本公开具体实施时，测试图像序列发送模块配置PCI-Express总线，采用了4块现场可编程逻辑门阵列FPGA(FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY)并行运算的方式，将内存中存储的测试图像序列传输至网络接口。可编程4K视频信号发生器配置RJ-45接口、SC光纤接口、FDDI接口，直接将测试图像序列通过不同网络接口发送。可根据不同类型通讯网络设置测试图像发送的帧间隔。
帧间隔可调整：按照MPEG-4/H.264格式，控制软件把多帧图像分为一组，将每组内各帧图像定义为三种类型，即I帧、B帧和P帧，以I帧做为基础帧，以I帧确定P帧，再由I帧和P帧确定B帧。第一个I帧叫IDR，IDR帧的作用是立刻刷新，从IDR帧开始，重新算一个新的帧序列开始编码，如图5所示，帧间隔可调整就是调整I帧间隔，设置IDR帧的最大间隔帧数。根据接收端高速相机性能的不同，通过控制软件对帧间隔进行设置，可以确保接收端采集测试图像的完整及帧时延的测试精度。
本公开具体实施时，根据测试视频通讯网络网速(10Mbps、100Mbps、1000Mbps、2.5Gbps)，设置帧间隔，帧间隔的调整范围为100ns～10μs；。
图像信噪比测量模块：用于测量测试图像序列的信噪比；
本公开具体实施时，信噪比测量模块，可以对发送的测试图像序列的信噪比测量。信噪比SNR或S/N(SIGNAL NOISE RATIO)是信号与噪声的功率谱之比。对于图像，峰值信噪比(PSNR，peak signal to noise rate)是衡量图像质量的重要指标，是最大信号量与噪声强度的比值。由于数字图像都是以离散的数字表示图像的像素，因此采用图像的最大象素值来代替最大信号量。均方误差(MSE，Mean Squared Error)是数据误差平方的平均数，是衡量“平均误差”的一种较方便的方法，用于计算峰值信噪比。图像信噪比、信噪比均方差及峰值信噪比计算公式如公式1至公式3所示：
Figure BDA0002298627280000071
Figure BDA0002298627280000072
Figure BDA0002298627280000073
其中Psignal为信号功率(Power of Signal)；Pnoise为噪声功率(Power of Noise)；Asignal为信号幅度(Amplitude of Signal)；Anoise为噪声幅度(Amplitude of Noise)；L为图像中像素的最大灰度值，采用255为最佳，M、N为图像的长和宽，fij表示图像的像素灰度。
控制模块：用于各模块间的协调控制。
本公开具体实施时，控制模块实现视频信号发生器工作流程的控制，具体功能如下：控制各模块的工作流程；形成测试图像序列；固定分配计算机内存；作为客户端连接网络接收端；根据不同通信协议，作为客户端将测试图像序列按设置的间隔发送。
实施例二
本发明实施例二提供了一种可编程4K视频信号发生器信号处理方法，参见图6，根据本公开实施例的一种具体实现方式，本发明提供的可编程4K视频信号发生器信号处理方法步骤如下：
步骤1：分配计算机内存；
本发明具体实施时，使用HeapAlloc()函数分配计算机内存，HeapAlloc()函数用来在指定的地址上分配内存，分配后的内存不可移动，是一种固定内存分配方式。固定内存分配可以避免动态分配内存造成的时间消耗，消除了由于内存分配造成的传输时间延长。
步骤2：将测试数据写入计算机内存；
本发明具体实施时，将测试数据写入存储于步骤1固定分配的内存。
步骤3：建立通信客户端并与服务器端连接；
本发明具体实施时，可编程4K视频信号发生器的控制模块与服务器建立固定网络连接，测试数据以直接内存读写的方式发送到网络端口。
步骤4：根据通信协议发送一个测试数据帧；
步骤5：等待服务器端返回校验成功指令：若校验不成功，则返回步骤4，重新据通信协议发送一个测试数据帧；若校验成功，则执行步骤6；
本发明具体实施时，可编程4K视频信号发生器的控制模块在发送每帧数据后增加bcc异或校验位，服务器收到数据后进行bcc异或校验，校验成功返回成功指令，否则返回重发指令。控制软件收到重发指令将数据再次发送，收到成功指令则发送下一帧数据。确保了传输4K图像的正确性、完整性。
步骤6：发送下一个测试数据帧。
本发明提供了一种可编程4K视频信号发生器，设计了适合测量4K视频通信网络图像质量帧时延和信噪比参数的测试图像，配置了适合网络传输的多种网络接口及图像信噪比测量的软件，测试图像序列及参数均可通过编程调整设置，实现了4K视频信号发生器的可编程，解决了4K视频通信网络质量计量缺少专用测试设备的问题。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种可编程4K视频信号发生器，其特征在于，包括：
测试图像序列生成模块：用于根据测试要求生成测试图像序列；
测试图像序列发送模块：用于将测试图像序列对外发送给视频信号接收端；
图像信噪比测量模块：用于测量测试图像序列的图像信噪比、信噪比均方差和峰值信噪比；
控制模块：用于各模块间的协调控制。
2.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于,数据处理运算速度大于1.24GByte/s，传输带宽满足4K视频通信的要求。
3.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于，所述测试图像序列生成模块，内置4K格式图像，根据测试要求生成测试图像序列。
4.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于，所述测试图像序列生成模块：测试图像序列由极限八灰度等级图像和垂直彩条图像两种类型的图像组成，标准4K格式，尺寸3840×2160，符合MPEG-4/H.264格式；测试图像序列由在水平方向间隔相同像素数的测试图像组成，像素数可通过软件设置，生成的测试图像序列包含不少于400幅测试图像。
5.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于，所述测试图像序列发送模块：配置PCI-Express总线；采用了4块现场可编程逻辑门阵列现场可编程逻辑门阵列FPGA并行运算的方式；配置RJ-45接口、SC光纤接口、FDDI接口；可设置测试图像发送的帧间隔，帧间隔的调整范围为100ns～10μs。
6.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于，图像信噪比计算公式为：
Figure FDA0002298627270000011
其中Psignal为信号功率；Pnoise为噪声功率；Asignal为信号幅度；Anoise为噪
声幅度。
7.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于，信噪比均方误差计算公式为：
Figure FDA0002298627270000021
其中M、N为图像的长和宽，fij表示图像的像素灰度。
8.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于，峰值信噪比计算公式为：
Figure FDA0002298627270000022
其中L为图像中像素的最大灰度值，采用255为最佳，MSE为图像信噪比均方误差。
9.根据权利要求1所述的可编程4K视频信号发生器，其特征在于，所述控制模块，用于控制各模块的工作流程；形成测试图像序列；固定分配计算机内存；连接网络接收端；发送测试图像序列。
10.一种可编程4K视频信号发生器信号处理方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：分配计算机内存；
步骤2：将测试数据写入计算机内存；
步骤3：建立通信客户端并与服务器端连接；
步骤4：根据通信协议发送一个测试数据帧；
步骤5：等待服务器端返回校验成功指令：若校验不成功，则返回步骤4，重新据通信协议发送一个测试数据帧；若校验成功，则执行步骤6；
步骤6：发送下一个测试数据帧。
11.根据权利要求10所述的可编程4K视频信号发生器信号处理方法，其特征在于，所述步骤1，使用HeapAlloc()函数分配计算机内存。
12.根据权利要求10所述的可编程4K视频信号发生器信号处理方法，其特征在于，所述步骤5，采用异或校验。
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