發(fā)布時(shí)間：2020-09-11 21:04

　　 數(shù)字化多媒體技術(shù)取得了飛速發(fā)展,數(shù)字視頻行業(yè)正快速邁向4K超高清時(shí)代,隨著支持4K超高清分辨率的硬件設(shè)備日益繁多,支持4K信號(hào)傳輸?shù)亩喾N信號(hào)接口也就孕育而生,HDMI信號(hào)接口作為4K電視以及多媒體設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)類電子上,SDI信號(hào)接口則廣泛應(yīng)用于專業(yè)廣播視頻制作設(shè)備中。由于不同接口所支持的信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)不同,不同的信號(hào)源無(wú)法在不同接口的設(shè)備中直接實(shí)現(xiàn)傳輸,接口多樣化使得單一的顯示設(shè)備很難擁有所有的接口來(lái)兼容不同的信號(hào)源,在超高清視頻領(lǐng)域的接口信號(hào)轉(zhuǎn)換便成為了一個(gè)需要解決的問(wèn)題,因此,支持4K分辨率的HDMI至12G-SDI信號(hào)格式轉(zhuǎn)換技術(shù)將具有重要的研究與設(shè)計(jì)意義和較廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。本文以HDMI解碼芯片和FPGA為基礎(chǔ),結(jié)合像素?cái)?shù)據(jù)拼接、圖像分割、數(shù)據(jù)流映射、音頻數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)嵌入以及數(shù)據(jù)流復(fù)用等技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了信號(hào)格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng),能夠滿足具有SDI接口的專業(yè)4K視頻制作設(shè)備對(duì)HDMI信號(hào)輸入的需求,主要包括4K HDMI信號(hào)接收解碼、12G-SDI視頻信號(hào)編碼、12G-SDI音頻信號(hào)嵌入和12G-SDI串行輸出四個(gè)模塊。本文的主要工作內(nèi)容如下:(1)在掌握HDMI2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以及12G-SDI相關(guān)的SMPTE標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,深入研究HDMI解碼,12G-SDI信號(hào)編碼以及音頻嵌入12G-SDI的實(shí)現(xiàn)方法。(2)從信號(hào)格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)用角度出發(fā),詳細(xì)分析信號(hào)格式轉(zhuǎn)換的功能和性能需求,在權(quán)衡各種設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜度和硬件成本情況下制定出本次課題設(shè)計(jì)的方案并進(jìn)行相關(guān)芯片的選型,并運(yùn)用分層理念進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和模塊劃分。(3)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。(4)對(duì)所設(shè)計(jì)的信號(hào)格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能測(cè)試。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的信號(hào)格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)4K分辨率的HDMI視頻源正確轉(zhuǎn)換為12G-SDI視頻信號(hào)輸出,12G-SDI輸出信號(hào)的物理層特性符合SMPTE標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)換后的4K畫面清晰流暢,視音頻同步,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文所設(shè)計(jì)的基于FPGA的4K HDMI至12G-SDI信號(hào)格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有模塊功能分工明確、轉(zhuǎn)換延時(shí)低、轉(zhuǎn)換穩(wěn)定度高、設(shè)計(jì)硬件成本較低的特點(diǎn)。本課題的研究成果對(duì)于4K領(lǐng)域的HDMI轉(zhuǎn)SDI信號(hào)格式轉(zhuǎn)換器具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,對(duì)其他類型的信號(hào)格式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。
【學(xué)位單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN941.1
【部分圖文】：

邐？逡逑圖２－１邋ＨＤＭＩ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逡逑ＨＤＭＩ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖２－１所示，ＨＤＭＩ包含了邋３個(gè)ＴＭＤＳ傳輸通道用于傳輸視逡逑頻（Ｖｉｄｅｏ）、音頻（Ａｕｄｉｏ）、輔助數(shù)據(jù)（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ），還有１個(gè)ＴＭＤＳ時(shí)鐘通道，用逡逑于傳遞時(shí)鐘信號(hào)保證所需的統(tǒng)一時(shí)序［１１］，在一個(gè)時(shí)鐘下，每個(gè)ＴＭＤＳ通道傳輸ｌＯｂｉｔ逡逑數(shù)據(jù)流，這ｌＯｂｉｔ數(shù)據(jù)流可以通過(guò)不同的編碼格式構(gòu)成。ＨＤＭＩ２．０標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定包括支持逡逑ＢＴ．２０２０邋Ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙ的ｌＯｂｉｔ以上色深，ＨＤＭＩ２．０標(biāo)準(zhǔn)支持４ＩＣ的格式如下表２－１所逡逑不。逡逑邐表２－１邋ＨＤＭＩ２．０所支持的４Ｋ格式邐逡逑信號(hào)邐色深邐ｍｍ邐編碼格式邐逡逑２１６０Ｐ邐１０／１２ｂｉｔｓ邐２４／２５／３０Ｈｚ邐ＲＧＢ／４：２：２／４：４：４逡逑２１６０Ｐ邐１０／１２ｂｉｔｓ邐５０／６０Ｈｚ邐ＹＣｂＣｒ邋／ＲＧＢ／４：２：０／４：２：２邐逡逑由于ＨＤＭＩ支持的格式眾多以及我們本次設(shè)計(jì)時(shí)間以工作量有限，所以選取了逡逑分辨率為２１６０Ｐ，色深為ｌＯｂｉｔ，幀率為６０Ｈｚ，編碼格式為ＹＣｂＣｒ邋４：２：２的ＨＤＭＩ視逡逑頻源作為設(shè)計(jì)樣本，２１６０Ｐ的視頻圖像幀一共需要傳遞４４００ｘ２２５０個(gè)像素點(diǎn)，采用逡逑ＹＣｂＣｒ邋４：２：２格式時(shí)

逑據(jù)包括音頻數(shù)據(jù)（Ａｕｄｉｏ邋Ｄａｔａ），有效載荷識(shí)別（Ｐａｙｌｏａｄ邋Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ），時(shí)間碼數(shù)據(jù)（Ｔｉｍｅ逡逑Ｃｏｄｅ邋Ｄａｔａ）邋［２３］。ＳＤＩ—行數(shù)據(jù)流格式如下圖２－３所示。逡逑ＥＡＶ＋逡逑ＬＮ＋邋行消隱區(qū)邋ＳＡＶ邐有效視頻像素區(qū)邐……逡逑ＣＲＣ逡逑圖２－３邋ＳＤＩ—行數(shù)據(jù)流格式逡逑ＳＤＩ信號(hào)為未經(jīng)壓縮的數(shù)字信號(hào)，在傳輸過(guò)程中采用自同步和自時(shí)鐘機(jī)制。在接逡逑收端通過(guò)檢測(cè)特定的同步字節(jié)ＥＡＶ和ＳＡＶ來(lái)處理幀數(shù)據(jù)，ＳＤＩ數(shù)據(jù)流中沒有攜帶時(shí)鐘逡逑信號(hào)，它的原始視音頻數(shù)據(jù)是采用ＮＲＺ邋（歸零碼），這樣就有可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連續(xù)“０”逡逑或者連續(xù)“１”，會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘信息缺乏，因此ＳＤＩ信號(hào)在輸出前采用ＬＳＲ線性反饋移位逡逑寄存器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼處理，編碼成ＮＲＺＩ（反向不歸零碼），以減少連續(xù)“０”和“１”逡逑的出現(xiàn)，使得電平跳變數(shù)增多，時(shí)鐘信息更加豐富，時(shí)鐘信息提取更加容易，方便解逡逑碼。編碼的具體過(guò)程是通過(guò)兩個(gè)生成多項(xiàng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼，用生成多項(xiàng)式如公式２－３所逡逑示：逡逑Ｇ＾Ｘ）邋＝ｘ９邋＋邋ｘ４邋＋邋１邐公式（２－３）逡逑來(lái)實(shí)現(xiàn)ＮＲＺ擾碼

逑據(jù)包括音頻數(shù)據(jù)（Ａｕｄｉｏ邋Ｄａｔａ），有效載荷識(shí)別（Ｐａｙｌｏａｄ邋Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ），時(shí)間碼數(shù)據(jù)（Ｔｉｍｅ逡逑Ｃｏｄｅ邋Ｄａｔａ）邋［２３］。ＳＤＩ—行數(shù)據(jù)流格式如下圖２－３所示。逡逑ＥＡＶ＋逡逑ＬＮ＋邋行消隱區(qū)邋ＳＡＶ邐有效視頻像素區(qū)邐……逡逑ＣＲＣ逡逑圖２－３邋ＳＤＩ—行數(shù)據(jù)流格式逡逑ＳＤＩ信號(hào)為未經(jīng)壓縮的數(shù)字信號(hào)，在傳輸過(guò)程中采用自同步和自時(shí)鐘機(jī)制。在接逡逑收端通過(guò)檢測(cè)特定的同步字節(jié)ＥＡＶ和ＳＡＶ來(lái)處理幀數(shù)據(jù)，ＳＤＩ數(shù)據(jù)流中沒有攜帶時(shí)鐘逡逑信號(hào)，它的原始視音頻數(shù)據(jù)是采用ＮＲＺ邋（歸零碼），這樣就有可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連續(xù)“０”逡逑或者連續(xù)“１”，會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘信息缺乏，因此ＳＤＩ信號(hào)在輸出前采用ＬＳＲ線性反饋移位逡逑寄存器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼處理，編碼成ＮＲＺＩ（反向不歸零碼），以減少連續(xù)“０”和“１”逡逑的出現(xiàn)，使得電平跳變數(shù)增多，時(shí)鐘信息更加豐富，時(shí)鐘信息提取更加容易，方便解逡逑碼。編碼的具體過(guò)程是通過(guò)兩個(gè)生成多項(xiàng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼，用生成多項(xiàng)式如公式２－３所逡逑示：逡逑Ｇ＾Ｘ）邋＝ｘ９邋＋邋ｘ４邋＋邋１邐公式（２－３）逡逑來(lái)實(shí)現(xiàn)ＮＲＺ擾碼

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本文編號(hào)：2817173