基于SDI 接口的实时图像增强显示系统
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2020-08-30
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基于基于SDI 接口的实时图像增强显示系统接口的实时图像增强显示系统
为了改善实时图像输出质量，研究基于SDI接口的增强显示系统软硬件设计.利用模块化思想提出一个基于SDI接
口输出的硬件架构，以FPGA作为处理核心，通过2片SRAM的双缓存结构实现图像的乒乓控制，使输出图像满
足SDI接口协议.在此提出了灰度拉伸.伪彩色处理以及画幅缩放3种实时图像增强算法。
0 引言引言
SDI 接口（Serial Digital Interface）是直接通过采用数字化的方法对视频信号进行控制。处理和传输，将数字视频或者音频信
号按有效行场方式通过单芯同轴电缆传输，而后将数字信号直接接入后续的处理系统，避免传统的模拟信号因A/D 和D/A 转换
带来的图像细节和质量损失，也使得设备间的交互变得更加简单方便。
SDI接口传输速率高。适应性强。即插即用。对环境要求不高以及应用范围广等特点，目前SDI已经作为国内很多战略靶场军
工图像设备的一种协议标准。
目前在民用方面，SDI接口作为一种标准视频传输接口已被世界上多数视频设备厂商接受并采纳，涉足数字摄像领域。电视电
影及专业的演播室等领域。世界知名的索尼。松下等公司生产的视频设备均支持SDI接口协议。
1 系统硬件结构系统硬件结构
系统结构如图1所示，主要由Camera Link接口。千兆网接口。大容量SRAM存储器.FPGA芯片.SDI接口芯片以及SDI接口监视
器等构成。这里FPGA是整个系统的核心逻辑，采用XILINX 公司的V2 系列XC2V4000FFG1152 芯片，该芯片有1 152 个IO
引脚，4 MB 的系统门单元，120个乘法器，12个数字时钟管理器，824个用户可定义IO，120×18 b的块RAM.丰富的硬件资源
给输入图像的显示和增强处理提供了可靠保证。该系统的基本工作过程首先接收Camera Link接口或千兆网接口的图像数据，
经过专用接口转换芯片将数据转换成TTL 或者CMOS 格式，传送给FPGA，在FPGA内部经过实时图像处理。协议转换，输出
符合SDI接口芯片的数据，经过接口芯片的并串转换，实时输出SDI标清图像数据。
这里FPGA的主要工作原理如图2所示。在该模块中，系统上电后首先完成对SDI接口芯片工作寄存器的配置，从而完成对其工
作模式的选择；然后需要完成输入图像数据接口到接口芯片的行场时钟协议转换以及数据到YCbCr格式转换，这里采用FPGA
对双缓存的控制完成格式转换，本文应用画幅缩放。灰度拉伸和伪彩色处理实现图像增强处理，这在下一节做具体描述。
2 图像增强算法图像增强算法
2.1 灰度拉伸算法灰度拉伸算法
现在很多相机都基于CameraLink接口和千兆网接口，它们的输出数据位存在8 b，10 b 和14 b 等多种情况，本文在系统设计
时做了智能处理，通过上位机RS232串口向该系统转换模块发送一个命令信号，告知系统输入端的灰度数据位数和系统输出
端的数据位数，从而使算法实现不同的灰度拉伸。由于一般的监视器只能显示8 b灰度的图像数据，SDI信号有8 b和10 b两个
差别。对灰度图像做一个线性拉伸，不论前端输入图像数据是多少位，可以利用该算法将图像数据映射到8 b和10 b 空间，即
下面介绍的拉伸处理。这里以输入图像数据14 b为例，假设输入为10 b图像数据，其宏观概念是，将14 b 数据空间线性映射
到10 b 空间。假设做灰度拉伸前的灰度值为Yi ，则它的灰度取值范围是［0，16 383］;灰度拉伸之后的灰度值为Yi ′ ，它的取
值范围为［0，1 023］，则Yi 和Yi ′ 直接直接的映射关系为：
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