基于FPGA的视频应用OSD设计
近年来，数字视频监控系统在银行、高速公路、楼宇等各个领域取得了广泛的应用。在数字视频监控系统中，osd(on screen display)技术是不可或缺的部分。osd为用户提供友好的人机界面，能够使用户获得更多的附加信息。
系统构成
本文介绍的系统是基于ti dsp tms320dm6?3与fpga的完整视频监控系统，支持1路视频的输入和1路视频输出，此外还提供网络接口。
视频输入采用ti的高性价比视频解码器tvp5150a来实现，tvp5150a可实现两路复合视频输入或一路s-video视频信号的采集。通过i2c进行寄存器配置，输出数字视频信号遵循itu656标准。
tvp5150a解码后的数字视频信号通过dm6?3的视频端口1传送给dsp，由dsp进行必要的视频处理，由网络接口输出给远端设备。另一方面，dm6?3把从网络接收的视频数据处理后，通过视频端口2，经过fpga，由saa7105显示输出，具体结构如图1所示。
输出部分采用saa7105实现。saa7105是nxp公司的一款高性能视频编码器，可提供复合视频输出、vga视频输出以及hdtv高清视频信号的输出。saa7105的控制也通过i2c实现，接收复合itu656标准的数字视频信号。
视频处理部分采用的是ti的dsp tms320dm6?3来实现。dm6?3主频可达600mhz，有2个20位的视频端口，视频端口支持bt.656、y/c等数字视频接口，dm6?3还集成了网络mac，可实现网络接入。
硬件性能的发展速度总是很难满足软件的需求。在视频处理越来越复杂的应用中，dsp承担着繁杂的视频处理任务，资源变得非常紧张，所以在本系统设计中，采用了fpga实现osd的设计，可以减轻dsp的负担。
osd实现部分选用的是赛灵思公司的xc3s250e。xc3s250e是赛灵思spartan-3e系列的fpga，有25万个逻辑门。
图1：基于tms320dm6?3与fpga的完整视频监控系统架构示意图
osd实现
saa7105无法实现osd功能，而由xc3s250e来实现。主控芯片dm6?3只需要通知fpga要显示的内容和位置，具体的工作由fpga执行。osd的逻辑框图如图2所示。
图2：osd功能框图
osd fpga通过emifa从dsp dm6?3接收osd数据和控制指令，通过dsp的视频端口1接收视频数据，并将osd的信息叠加到视频数据上，输出给视频编码器saa7105。osd的各功能模块描述如下。
地址译码模块的数据端口与dsp dm6?3的emifa低32位数据接口，接收dm6?3发出的数据与控制信息，这些数据和控制信息是dm6?3发出的原始32位数据。地址译码模块将接收到的osd数据，如osd的内容等，以32位数据格式放入到fpga的内部fifo中。而控制信息主要是通过一组控制寄存器对osd实现控制。
与dsp直接连接的模块还有视频接口模块。视频接口模块与dsp的视频端口2相连，存储来自dsp视频端口的数据与控制信息。这些控制信息被直接传输给osd多路控制模块，同时控制信息也直接控制视频解码器saa7105。
osd控制逻辑把从控制寄存器组得到的控制信息输出到osd的各个功能模块，实现对osd的控制。寄存器组主要分为两个部分：一是异步寄存器组，向osd发送如复位、osd使能和选择数据宽度的控制信息；另一个是同步寄存器组，主要控制osd的位置信息。
osd解码模块根据控制逻辑的控制信息，从fifo中取出要显示的数据，以与视频数据同步的方式输出到osd clut模块。从fifo中获得的数据是原始的dsp 32位数据，而osd clut模块需要的数据是8/16位的，所以osd解包模块需要以一定的规则将32位数据解包，以视频端口的频率将32位数据以8/16的宽度传输给osd clut模块。
fifo模块的另外一个功能是向dma事件发生器模块传递fifo的状态信息，如fifo满或fifo空。dma事件发生器监控这些事件，如果发生，则以中断的模式发送给dm6?3，以实现对fifo的正确读写操作。
osd clut模块为从osd解包模块接收的每个象素的数据查找ycbcr的对应值，并控制这些osd clut数据的输出顺序。这种转换关系是由dsp通过24位的数据端口传送过来的。osd clut模块的数据直接输出给osd多路控制器模块。
osd多路控制模块根据从osd clut模块接收到的alpha控制位确定输出视频数据，如果当前为osd信息，即alpha控制位有效，则输出osd数据给数据转换模块。否则，输出从视频接口模块接收的原始视频数据，以此来实现osd功能。
osd多路控制器输出的数据并没有直接送给视频解码器，而是通过数据转换模块，根据具体的应用条件，进行必要的数据格式转换。由saa7105的接口时序可知，当saa7105配置为复合视频输出时，其要求的数据为单时钟沿数据，此时数据转换模块不作任何工作，将从osd多路控制模块接收的数据原封不动地传输给saa7105；如果saa7105配置为vga或hdtv输出模式时，需要双时钟沿数据，此时数据转换模块将从osd控制器接收到的单时钟沿数据转换成双时钟沿数据，输出给视频解码器saa7105。
由此可见，fpga完成了osd的所有工作。如果要显示osd内容，dm6?3只需要通过emfia口向fpga发送控制指令即可，这些指令当然包括osd的内容及位置信息。
osd控制
由xc3s250e实现的osd设计根据接收到的osd位置及内容信息进行osd显示，对osd显示的内容没有任何限制，非常灵活方便。下面以osd汉字显示为例说明osd的控制操作。
要正确的显示汉字，就必须将输入的汉字内码转换成对应的区位码。这一功能我们通过函数uint32 code_converse(unsigned char *codenpointer)，其输入为指针，指向要转换汉字。返回值为该汉字对应的区位码。osd的显示由函数osdhz?isplay实现：
void osdhz_ display{
uint8 *pframe
uint32 pitch
osdutil_point* loc
uint32 codeq
osdhz?ont *font
uint8 fgcolor
uint8 bgcolor
}
其中，uint8 *pframe为osd输出的buffer缓冲区；uint32 pitch为每行显示的象素值；osdutil_point *loc为第一个字符的显示位置；uint32 codeq为要显示汉字的区位码；osdhz?ont *font为显示汉字所用的字体；uint8 fgcolor显示汉字的前景色；uint8 bgcolor显示汉字的背景色。
所以，如果需要显示汉字，只需要将汉字进行必要的码制转换，然后将转换后的区位码，给出显示的位置，输出给osd fpga即可。当然要显示汉字，汉字字库是必不可少的。
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本文介绍的系统是基于ti dsp tms320dm6?3与fpga的完整视频监控系统，支持1路视频的输入和1路视频输出，此外还提供网络接口。
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tvp5150a解码后的数字视频信号通过dm6?3的视频端口1传送给dsp，由dsp进行必要的视频处理，由网络接口输出给远端设备。另一方面，dm6?3把从网络接收的视频数据处理后，通过视频端口2，经过fpga，由saa7105显示输出，具体结构如图1所示。
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硬件性能的发展速度总是很难满足软件的需求。在视频处理越来越复杂的应用中，dsp承担着繁杂的视频处理任务，资源变得非常紧张，所以在本系统设计中，采用了fpga实现osd的设计，可以减轻dsp的负担。
osd实现部分选用的是赛灵思公司的xc3s250e。xc3s250e是赛灵思spartan-3e系列的fpga，有25万个逻辑门。
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osd实现
saa7105无法实现osd功能，而由xc3s250e来实现。主控芯片dm6?3只需要通知fpga要显示的内容和位置，具体的工作由fpga执行。osd的逻辑框图如图2所示。
图2：osd功能框图
osd fpga通过emifa从dsp dm6?3接收osd数据和控制指令，通过dsp的视频端口1接收视频数据，并将osd的信息叠加到视频数据上，输出给视频编码器saa7105。osd的各功能模块描述如下。
地址译码模块的数据端口与dsp dm6?3的emifa低32位数据接口，接收dm6?3发出的数据与控制信息，这些数据和控制信息是dm6?3发出的原始32位数据。地址译码模块将接收到的osd数据，如osd的内容等，以32位数据格式放入到fpga的内部fifo中。而控制信息主要是通过一组控制寄存器对osd实现控制。
与dsp直接连接的模块还有视频接口模块。视频接口模块与dsp的视频端口2相连，存储来自dsp视频端口的数据与控制信息。这些控制信息被直接传输给osd多路控制模块，同时控制信息也直接控制视频解码器saa7105。
osd控制逻辑把从控制寄存器组得到的控制信息输出到osd的各个功能模块，实现对osd的控制。寄存器组主要分为两个部分：一是异步寄存器组，向osd发送如复位、osd使能和选择数据宽度的控制信息；另一个是同步寄存器组，主要控制osd的位置信息。
osd解码模块根据控制逻辑的控制信息，从fifo中取出要显示的数据，以与视频数据同步的方式输出到osd clut模块。从fifo中获得的数据是原始的dsp 32位数据，而osd clut模块需要的数据是8/16位的，所以osd解包模块需要以一定的规则将32位数据解包，以视频端口的频率将32位数据以8/16的宽度传输给osd clut模块。
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osd多路控制模块根据从osd clut模块接收到的alpha控制位确定输出视频数据，如果当前为osd信息，即alpha控制位有效，则输出osd数据给数据转换模块。否则，输出从视频接口模块接收的原始视频数据，以此来实现osd功能。
osd多路控制器输出的数据并没有直接送给视频解码器，而是通过数据转换模块，根据具体的应用条件，进行必要的数据格式转换。由saa7105的接口时序可知，当saa7105配置为复合视频输出时，其要求的数据为单时钟沿数据，此时数据转换模块不作任何工作，将从osd多路控制模块接收的数据原封不动地传输给saa7105；如果saa7105配置为vga或hdtv输出模式时，需要双时钟沿数据，此时数据转换模块将从osd控制器接收到的单时钟沿数据转换成双时钟沿数据，输出给视频解码器saa7105。
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uint8 *pframe
uint32 pitch
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osdhz?ont *font
uint8 fgcolor
uint8 bgcolor
}
其中，uint8 *pframe为osd输出的buffer缓冲区；uint32 pitch为每行显示的象素值；osdutil_point *loc为第一个字符的显示位置；uint32 codeq为要显示汉字的区位码；osdhz?ont *font为显示汉字所用的字体；uint8 fgcolor显示汉字的前景色；uint8 bgcolor显示汉字的背景色。
所以，如果需要显示汉字，只需要将汉字进行必要的码制转换，然后将转换后的区位码，给出显示的位置，输出给osd fpga即可。当然要显示汉字，汉字字库是必不可少的。
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