CN107529024A - 多功能图像视频切换板 - Google Patents

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严宁
赵青林
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Abstract

本发明公开一种多功能图像视频切换板，包括三个DVI分配模块、一个DVI切换模块、一个全景合成模块、一个视频切换模块及一个CAN接口模块组成。DVI分配模块实现将一路DVI视频分配到多路输出；DVI切换模块和视频切换模块实现从多路视频中选择一路输出；全景合成模块将全周态势感知***的前、后、左、右四路视频输入信号合成一路全景视频输出；CAN接口模块实现与上级CAN接口的对接，传输CAN指令信号。本发明集视频切换、视频分配及视频合成等功能于一体，各功能模块之间采用电磁隔离技术，互不干扰，输出视频清晰无干扰，切换控制命令通过CAN总线命令实现，快捷简单；DVI视频输出端设有专用的接口驱动电路，通用性强，能够满足不同应用中自制线缆的传输需要及特定厂家的显示器兼容需要。

Description

多功能图像视频切换板
技术领域
本发明涉及一种多功能视频切换及分配板卡，可应用于侦察***或者视频监控***。
背景技术
图像和视频是视觉信息的重要载体，约占据人们获取信息总量的70％。视频是人类视觉获得信息的确切、直观、具体、生动、真实和高效的方法之一。在光电侦察***中，随着整车功能的综合以及发展，车载光电侦察***对视频处理与显示的要求不断多元化。有时一个***需要使用几种视频格式组成的显示***，并且各种格式的视频信号可以进行视频切换。同时，为驾驶员提供一致性、直觉化和实时的画面信息，使驾驶员无需在大脑中花费时间对外界环境进行头脑合成变得非常重要，这就需要将各个方位的视频合成一个视频(全景视频)来进行显示。
例如，我国特种车辆上设有指挥席、侦察席和驾驶席等多个席位，侦察到的画面需要同时传递到每个观察席位；而对于每个观察席位来讲，有时又需要同时显示包括高清CCD、热像、操控界面和辅助驾驶等多个视窗，即实现画中画功能；***接收到的多通路视频感知***的多路视频需要合成为一路全景视频为指挥判断提供方便。因此，为实现多席位多视窗和全景合成，基于车载光电侦察***的多功能图像视频切换板的设计研究应运而生。
目前，我国基于车载光电侦察***的集视频切换、视频分配和全景合成的多功能图像视频切换板的技术内容未见公开报道。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种多功能图像视频切换板，该多功能图像视频切换板能够实现如下功能：
(1)能实现将多路视频切换到一路视频输出端的功能；
(2)能实现将一路视频分配到多路视频输出端的功能；
(3)能够实现对多路视频合成一路视频的功能。
本发明的技术方案为：
所述一种多功能图像视频切换板，其特征在于：包括FPGA接口模块和FPGA主算法模块；
所述FPGA接口模块包括PAL输入接口模块、PAL输出接口模块、DVI输入接口模块、DVI输出接口模块、CAN接口模块；所述PAL输入接口模块包括6个PAL视频输入接口，所述PAL输出接口模块包括5个PAL视频输出接口，所述DVI输入接口模块包括3个DVI-D视频输入接口，所述DVI输出接口模块包括6个DVI-D视频输出接口；
所述FPGA主算法模块包括PAL视频数据处理模块和DVI视频数据处理模块；所述PAL视频数据处理模块包括PAL视频全景合成模块、PAL视频切换模块；所述DVI视频数据处理模块包括三个DVI分配模块、一个DVI切换模块；
外部多通路视频感知***的前、后、左、右四路摄像头通过4个PAL视频输入接口向PAL视频数据处理模块输入四路PAL视频信号，并在PAL视频数据处理模块中通过PAL视频全景合成模块得到PAL全景合成视频；外部多通路视频感知***的全景俯视视频信号通过1个PAL视频输入接口输入PAL视频数据处理模块，外部控制***的热像视频信号通过1个PAL视频输入接口输入PAL视频数据处理模块；
外部多通路视频感知***前、后、左、右四路摄像头的四路PAL视频信号、一路PAL全景合成视频信号、外部多通路视频感知***的全景俯视视频信号以及外部控制***的热像视频信号共计七路PAL视频信号在PAL视频数据处理模块内，通过PAL视频切换模块进行切换，切换命令来自通过CAN接口模块接收的CAN总线信号；切换后选择其中一路视频分五路通过5个PAL视频输出接口输出给外部五个显示终端进行显示；
外部控制***的一路高清DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为三路视频分别通过3个DVI-D视频输出接口输出给外部三个显示终端显示；
外部指控计算机的一路DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为两路视频，其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示，另一路输入到DVI切换模块；
外部操控计算机的一路DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为两路视频，其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示，另一路输入到DVI切换模块；
所述DVI切换模块对由外部指控计算机得到的1路DVI视频和由外部操控计算机得到的1路DVI视频进行切换后选择其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示，切换命令来自通过CAN接口模块接收的CAN总线信号。
进一步的优选方案，所述一种多功能图像视频切换板，其特征在于：所述FPGA主算法模块由FPGA芯片及其配置电路、***电源模块、时钟模块、复位电路、外扩DDR3数据存储电路硬件实现。
进一步的优选方案，所述一种多功能图像视频切换板，其特征在于：所述PAL输入接口模块采集外部的合计6路PAL视频图像，根据外部输入像素时钟，采集行有效信号，场有效信号，以及有效的图像像素数据，形成对应的图像帧数据。
进一步的优选方案，所述一种多功能图像视频切换板，其特征在于：所述DVI输入接口模块采集外部的3路DVI数字视频图像，根据外部输入像素时钟，采集行有效信号，帧有效信号，以及有效的图像像素数据，形成对应的图像帧数据。
有益效果
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
1、能够将多路视频切换到一路视频输出端；将一路视频分配到多路视频输出端；对多路视频能够合成一路视频进行输出。
2、集视频切换、视频分配及视频合成等功能于一体、各功能模块之间采用电磁隔离技术，互不干扰，输出视频清晰无干扰，切换控制命令通过CAN总线命令完成；
3、DVI视频输出端设有专用的接口驱动电路，能够满足不同应用中自制线缆的传输需要及特定厂家的显示器兼容需要。
附图说明
图1是本发明数字处理板总体框图。
图2是本发明主模块组成框图及信号流图。
图3是本发明功能级数据流图。
图4是本发明电源方案图。
图5是本发明时钟方案图。
图6是本发明视频切换板原理及组成框图。
图7是本发明全景视频格式。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种多功能图像视频切换板，具有(1)能实现将多路视频切换到一路视频输出端的功能，(2)能实现将一路视频分配到多路视频输出端的功能，(3)能够实现对多路视频合成一路视频的功能，等三种功能。主要的视频格式分为PAL格式与DVI格式。
如图1所示，该多功能图像视频切换板，采用FPGA+DDR3+接口芯片的硬件架构进行设计，由硬件模块加上必要的驱动程序共同形成一个完整的、一体化的数字***硬件平台，提供给客户使用。主要包括FPGA接口模块和FPGA主算法模块。
如图2所示，所述FPGA接口模块包括PAL输入接口模块、PAL输出接口模块、DVI输入接口模块、DVI输出接口模块、CAN接口模块；所述PAL输入接口模块包括6个PAL视频输入接口，所述PAL输出接口模块包括5个PAL视频输出接口，所述DVI输入接口模块包括3个DVI-D视频输入接口，所述DVI输出接口模块包括6个DVI-D视频输出接口。
所述FPGA主算法模块包括PAL视频数据处理模块和DVI视频数据处理模块；所述PAL视频数据处理模块包括PAL视频全景合成模块、PAL视频切换模块；所述DVI视频数据处理模块包括三个DVI分配模块、一个DVI切换模块。
外部多通路视频感知***的前、后、左、右四路摄像头通过4个PAL视频输入接口向PAL视频数据处理模块输入四路PAL视频信号，并在PAL视频数据处理模块中通过PAL视频全景合成模块得到PAL全景合成视频；外部多通路视频感知***的全景俯视视频信号通过1个PAL视频输入接口输入PAL视频数据处理模块，外部控制***的热像视频信号通过1个PAL视频输入接口输入PAL视频数据处理模块。
外部多通路视频感知***前、后、左、右四路摄像头的四路PAL视频信号、一路PAL全景合成视频信号、外部多通路视频感知***的全景俯视视频信号以及外部控制***的热像视频信号共计七路PAL视频信号在PAL视频数据处理模块内，通过PAL视频切换模块进行切换，切换命令来自通过CAN接口模块接收的CAN总线信号；切换后选择其中一路视频分五路通过5个PAL视频输出接口输出给外部五个显示终端(显示终端1、显示终端2、显示器1、显示器2、显示器3)进行显示。
外部控制***的一路高清DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为三路视频分别通过3个DVI-D视频输出接口输出给外部三个显示终端显示(分别为显示器1、显示器2、显示器3)。
外部指控计算机的一路DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为两路视频，其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示(显示器1)，另一路输入到DVI切换模块。
外部操控计算机的一路DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为两路视频，其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示(显示器2)，另一路输入到DVI切换模块。
所述DVI切换模块对由外部指控计算机得到的1路DVI视频和由外部操控计算机得到的1路DVI视频进行切换后选择其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示(显示器3)，切换命令来自通过CAN接口模块接收的CAN总线信号。
FPGA主算法实现模块由FPGA芯片及其配置电路、***电源模块、时钟模块、复位电路、外扩DDR3数据存储电路等硬件组成，为整个板卡提供逻辑算法。根据相应的配置管理要求，FPGA上设计一个离散量控制电路，对一些离散的接口输出对应的开关量以及控制寄存器的配置。
FPGA在***中主要完成的工作有：
1)、实现PAL视频输入接口到PAL视频输出接口通道间切换；
2)、实现DVI视频输入接口到DVI视频输出接口通道间切换；
3)、其它离散量逻辑控制。
FPGA芯片采用赛灵思XC7K325T-2FFG900I，该芯片是XILINX公司的FPGA逻辑芯片，属于7系列。1.0V内核电压，每个引脚电流最高达24mA，兼容3.3V，2.5V，1.8V，1.5V，1.35V，1.2V IO标准。具有326080LE，34Mb RAM，1个PCIe，10个BANKS，16个GTXs，500个I/O，封装为FG900。供电电压：内核1.0V，IO电压满足3.3V到1.2V标准。
FPGA***各模块电路配合FPGA主处理芯片完成所有功能：
1)FPGA配置芯片
FPGA配置芯片采用SPI方式(型号：M25P64-VMF6TP)，上电时将FPGA配置数据从配置芯片中读出，自动加载到FPGA中，然后FPGA才能开始运行，是FPGA运行所需***电路。
2)电源模块
3)时钟模块
4)复位电路
为了使电路可靠的工作，复位电路极其重要，本板设计了上电复位使用专用复位芯片MAX811与FPGA配合实现，完成全局各芯片复位和解复位。MAX811芯片内部自带上电复位时间控制，该复位信号对FPGA进行上电复位，利用FPGA加载完成DONE信号触发MAX811芯片完成复位信号输出，其最小140ms的复位时间可以保证可靠的复位整个***。
5)DDR3外扩数据存储电路
该电路由DDR3 SRAM芯片构成，主要用来数据缓存、协助***完成多路控制等功能。
根据功能要求采用FPGA外挂2片2×128Mb×16bit容量DDR3，根据实际需求，我们采用MT41J128M16 DDR3芯片，完全满足技术协议要求。该芯片单片为128Mb×16bit容量，挂在FPGA上为***提供数据缓存、协助***完成多路控制等功能。
DVI输入接口模块由接收接口芯片组成，完成DVI视频接收处理。接收外部DVI数据信号通过板内串并转化芯片TFP401输入到FPGA进行视频处理以及通道间切换输出。
DVI输入接口模块主要用于采集外部的3路DVI数字视频图像，根据外部输入像素时钟，采集行有效信号，帧有效信号，以及有效的图像像素数据，形成对应的图像帧数据，以便后级进行处理，支持外部的图像分辨率为1920x1080，帧频60Hz。
DVI输出接口模块由输出接口芯片组成，完成DVI视频输出驱动显示；通过FPGA对视频数据转化RGB888送入TFP410驱动1路DVI接口显示。
DVI视频输出模块用于视频的输出控制，以及输出时序的实现，对外输出的分辨率为1920×1080，帧频60Hz。
PAL输入接口模块由接收接口芯片组成，完成PAL视频接收处理。本模块完成对PAL热像视频数据的采集并转化为BT656格式数据FPGA进行处理，主要PAL单端送入TVP5151进行AD转换为BT656数据流。
PAL输入接口模块主要用于采集外部的合计6路PAL视频图像，根据外部输入像素时钟，采集行有效信号，场有效信号，以及有效的图像像素数据，形成对应的图像帧数据，以便后级进行处理，支持外部的图像分辨率为720x576，帧频25Hz。
PAL输出接口模块由输出接口芯片组成，完成PAL视频输出驱动显示；本模块的功能完成对PAL热象视频数据的采集并转化为8bit视频数据流输出给AVD7179芯片处理，完成PAL单端通道切换输出。
PAL视频输出模块用于视频的输出控制，以及输出时序的实现，对外输出的分辨率为720×576，帧频25Hz。
CAN接口模块通过CAN接口芯片MCP2515IST接收来自工控计算机的命令，转化为SPI接口与FPGA对接，实现命令的解析和对视频相应的控制操作。
CAN接口模块解析其他单体设备发送过来的控制命令，并将该控制命令发送到对应的输出模块进行处理，比较状态查询，版本查询，切换控制等。
PAL视频数据处理模块主要将前级采集到的各路图像帧进行去隔行处理，图像的鱼眼校正，再将校正后的图像送往下一级，进行处理。
DVI视频数据处理模块主要实现DVI数据的数据分配处理，以支持多路DVI数字视频的输出
在图2中，标示了数据处理的具体流程：
->①->②->③:①数据通过PAL输入接口模块进行成帧处理，②PAL视频数据处理模块将接收到成帧数据，进行处理，包括去隔行处理，鱼眼矫正处理，数据裁剪和拉伸处理，数据拼接处理。③处理后的数据，通过PAL输出接口模块按照输出时序要求进行分配输出。
<->④->⑤：④从***的其他单体设备接收命令，并进行解析，处理，如果该命令属于本模块可以完成的即在本模块内完成，比如版本查询，状态自检等，根据命令接口向发起命令的单体设备进行反馈。⑤其他命令，比如输出切换命令，则发往PAL视频处理模块进行处理。
->⑥->⑦->⑧：⑥数据通过DVI输入接口模块进行成帧处理，②DVI视频数据处理模块将接收到成帧数据，进行缓存处理，同时进行数据分配，帧平滑处理。⑧处理后的数据，通过DVI输出模块按照输出时序要求进行分配输出。
<->④->⑨：④从***的其他单体设备接收命令，并进行解析，处理，如果该命令属于本模块可以完成的即在本模块内完成，比如版本查询，状态自检等，根据命令接口向发起命令的单体设备进行反馈。⑨其他命令，比如输出切换命令，则发往DVI视频处理模块进行处理。
<->⑨<->(11)：⑨直接和调试诊断设备进行交互(如PC机)，实现一些自定义的命令，用于调试阶段的诊断。(11)部分命令和CAN接口模块耦合，目的是模拟CAN命令实现一些控制调试功能。
如图3所示，按照多功能视频切换板的3个主要功能提供其数据流向。
(a)一路来自控制***的热像视频，一路合成的全景视频和五路来自多通路视频感知***的视频(包括四路来自前后左右摄像头的输入视频和一路全景俯视视频)，共七路视频由视频切换模块根据CAN总线的切换命令进行切换。视频切换模块由FPGA芯片及其配置电路组成并实现，切换后的视频选择其中一路送往五个显示终端进行显示(显示终端1、显示终端2、显示器1、显示器2、显示器3)。
(b)来自控制***的一路高清DVI视频由DVI分配模块分为三路视频分别送往三个显示器进行显示(分别为显示器1、显示器2、显示器3)。来自指控计算机的一路DVI视频与来自操控计算机的一路DVI视频分别进入两个DVI分配模块，各自分为两路视频。从指控计算机分配出的双路视频中的一路视频直接送往显示器1进行显示，从操控计算机分配出的双路视频中的一路视频直接送往显示器2进行显示，这两组双路视频中的另外一路由DVI视频切换模块切换后选择其中一路送往显示器3进行显示，切换命令来自CAN总线。DVI分配模块由FPGA芯片及其配置电路组成，将接收到成帧数据进行缓存处理，同时进行数据分配，在帧平滑处理之后按照输出时序进行分配输出。
(c)全景合成模块接收来自多通路视频感知***的四路视频，即来自前后左右四路摄像头输入的标清视频，按照水平、垂直方向各缩小1/2，由720×576变为320×288，写入DDR3缓存；经由视频合成模块，即通过FPGA内部27M时钟，产生标清输出时序作为读驱动，将四路缩小后的视频从DDR3中读出，构建成一路新的720×576全景视频画面，最后送往显示器进行显示。
如图4所示，是电源模块实现方案。***通过连接器提供电源DC 5V(±5％)，总功耗不大于15W，板上所有芯片所需的工作电源全部需要从5V转换出来。FPGA的核电压和IO电压，共四种分别为：1.0V，1.5V，1.8V和3.3V，其中TVP5151核电压和IO电压，共2种分别为：1.8V，3.3V，除要求1.8V先上电外，其他无上电顺序要求。
如图5所示，是时钟模块的实现方案。其中，14.7456MHz单独供FPGA使用，主要是串口处理模块；27MHz过2片时钟驱动器CY2305出8路时钟，分别给FPGA和TVP5151使用；20M时钟单独供CAN接口芯片工作；27MHz过2片时钟驱动器CY2305出8路时钟，分别给FPGA和TVP5151使用；25MHz单独供时钟合成器使用，输出2路差分200M时钟；200MHz单独供FPGA使用，DDR3接口处理工作时钟。
如图6所示，包括三个DVI分配模块、一个DVI切换模块、一个全景合成模块(PAL视频)、一个视频切换模块(PAL视频)及一个CAN接口模块组成。切换模块从多路视频中选择一路输出；分配模块将一路视频分为多路视频输出；全景合成模块将多路输入视频合成一路全景视频输出；CAN接口模块实现与上级CAN接口的对接传输CAN指令信号。四路视频输入信号合成一路全景视频，全景视频格式如图7所示。

Claims (4)

1.一种多功能图像视频切换板，其特征在于：包括FPGA接口模块和FPGA主算法模块；
所述FPGA接口模块包括PAL输入接口模块、PAL输出接口模块、DVI输入接口模块、DVI输出接口模块、CAN接口模块；所述PAL输入接口模块包括6个PAL视频输入接口，所述PAL输出接口模块包括5个PAL视频输出接口，所述DVI输入接口模块包括3个DVI-D视频输入接口，所述DVI输出接口模块包括6个DVI-D视频输出接口；
所述FPGA主算法模块包括PAL视频数据处理模块和DVI视频数据处理模块；所述PAL视频数据处理模块包括PAL视频全景合成模块、PAL视频切换模块；所述DVI视频数据处理模块包括三个DVI分配模块、一个DVI切换模块；
外部多通路视频感知***的前、后、左、右四路摄像头通过4个PAL视频输入接口向PAL视频数据处理模块输入四路PAL视频信号，并在PAL视频数据处理模块中通过PAL视频全景合成模块得到PAL全景合成视频；外部多通路视频感知***的全景俯视视频信号通过1个PAL视频输入接口输入PAL视频数据处理模块，外部控制***的热像视频信号通过1个PAL视频输入接口输入PAL视频数据处理模块；
外部多通路视频感知***前、后、左、右四路摄像头的四路PAL视频信号、一路PAL全景合成视频信号、外部多通路视频感知***的全景俯视视频信号以及外部控制***的热像视频信号共计七路PAL视频信号在PAL视频数据处理模块内，通过PAL视频切换模块进行切换，切换命令来自通过CAN接口模块接收的CAN总线信号；切换后选择其中一路视频分五路通过5个PAL视频输出接口输出给外部五个显示终端进行显示；
外部控制***的一路高清DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为三路视频分别通过3个DVI-D视频输出接口输出给外部三个显示终端显示；
外部指控计算机的一路DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为两路视频，其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示，另一路输入到DVI切换模块；
外部操控计算机的一路DVI视频通过1个DVI-D视频输入接口输入DVI视频数据处理模块，并在DVI视频数据处理模块中通过一个DVI分配模块分为两路视频，其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示，另一路输入到DVI切换模块；
所述DVI切换模块对由外部指控计算机得到的1路DVI视频和由外部操控计算机得到的1路DVI视频进行切换后选择其中一路通过1个DVI-D视频输出接口输出给外部一个显示终端显示，切换命令来自通过CAN接口模块接收的CAN总线信号。
2.根据权利要求1所述一种多功能图像视频切换板，其特征在于：所述FPGA主算法模块由FPGA芯片及其配置电路、***电源模块、时钟模块、复位电路、外扩DDR3数据存储电路硬件实现。
3.根据权利要求1所述一种多功能图像视频切换板，其特征在于：所述PAL输入接口模块采集外部的合计6路PAL视频图像，根据外部输入像素时钟，采集行有效信号，场有效信号，以及有效的图像像素数据，形成对应的图像帧数据。
4.根据权利要求1所述一种多功能图像视频切换板，其特征在于：所述DVI输入接口模块采集外部的3路DVI数字视频图像，根据外部输入像素时钟，采集行有效信号，帧有效信号，以及有效的图像像素数据，形成对应的图像帧数据。
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