數(shù)字化手術(shù)室多路hd-sdi視頻合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)字化手術(shù)室多路hd-sdi視頻合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，醫(yī)院數(shù)字計(jì)算機(jī)化程度日益高。在現(xiàn)代醫(yī)療中，醫(yī)生應(yīng)該使用視頻顯示進(jìn)行手術(shù)，這對(duì)于在數(shù)字醫(yī)療中顯示高分辨率視頻非常重要。此外,數(shù)字化手術(shù)室不僅具有對(duì)患者進(jìn)行手術(shù)治療的功能,還應(yīng)滿足手術(shù)教學(xué)觀摩、學(xué)術(shù)交流及遠(yuǎn)程醫(yī)療等諸多新型應(yīng)用的需求,這就對(duì)數(shù)字化手術(shù)室內(nèi)的視頻圖像質(zhì)量和多路視頻信號(hào)的處理和顯示技術(shù)提出了更高的要求,以達(dá)到高質(zhì)量、全方位、多角度的視頻獲取和觀看效果。1根據(jù)手術(shù)患者情況多合一顯示視頻信號(hào)在手術(shù)室內(nèi)部安裝專用攝像頭、錄像設(shè)備等可以獲取手術(shù)室內(nèi)的動(dòng)態(tài)圖像,對(duì)手術(shù)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)控、轉(zhuǎn)播和存儲(chǔ),以便進(jìn)行臨床手術(shù)示教并在術(shù)后對(duì)影像資料進(jìn)行學(xué)術(shù)探討,手術(shù)室視頻系統(tǒng)提升了手術(shù)室的功能和效率,也使得手術(shù)質(zhì)量得到提高。目前,很多醫(yī)院都開(kāi)發(fā)或者引進(jìn)了臨床手術(shù)示教系統(tǒng),但現(xiàn)有的系統(tǒng)普遍存在一些設(shè)計(jì)缺陷和技術(shù)問(wèn)題,最為突出的如手術(shù)視頻清晰度低、圖像失真嚴(yán)重、色彩還原能力弱、圖像質(zhì)量不高等問(wèn)題,并且傳統(tǒng)的顯示系統(tǒng)往往都用一個(gè)顯示器顯示一路視頻信號(hào),無(wú)法全面地獲取手術(shù)室內(nèi)的各種圖像信息,難以滿足全方位、多角度的視頻觀看和研究的需要。當(dāng)需要同時(shí)顯示多路視頻信號(hào)時(shí),就需要多個(gè)顯示器,造成資源浪費(fèi)且操作不便。針對(duì)上述情況,本研究設(shè)計(jì)了高清視頻控制器,可以對(duì)手術(shù)室內(nèi)的多路高清視頻信號(hào)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)高清晰度視頻信號(hào)的多合一顯示。將多路視頻信號(hào)按照一定的比例縮小后合成一路視頻信號(hào),傳送至顯示器屏幕顯示,這樣一臺(tái)顯示器屏幕被分割成多個(gè)大小相等的部分,每一個(gè)部分顯示一路視頻圖像,與此同時(shí),也可以切換至某一路視頻(所輸入的視頻信號(hào)中的一路)的獨(dú)立顯示。這樣,大大增加了顯示器的靈活性,節(jié)約了空間設(shè)備資源2高清視頻信號(hào)HD-SDI的全稱是為高清非壓縮串行數(shù)字接口,數(shù)字視頻接口是非線性編輯系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)輸入和輸出的通道,對(duì)視頻質(zhì)量的好壞有直接的影響。HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)由SMPTE(電影電視工程師協(xié)會(huì))制定,HD-SDI能夠以簡(jiǎn)單、低成本的方式傳送高速率的高清數(shù)字視頻信號(hào),在當(dāng)今的廣播和視頻產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用以隔行掃描1080P50i為例,每幀圖像分兩場(chǎng)掃描。數(shù)字視頻分量采用Y:CHD-SDI信號(hào)里,除了有效視頻信號(hào)之外,在視頻信號(hào)消隱區(qū)間里還有其他的信息(1)EAV/SAV:定時(shí)基準(zhǔn)碼,有效數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束標(biāo)志(樣址:1920~1923,2636~2639);(2)LN:行數(shù)信息(樣址:1924~1925);(3)CRC:冗余校正碼(樣址:1926~1927),檢查亮度信號(hào)、色差信號(hào)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;3核心數(shù)據(jù)處理數(shù)字視頻處理過(guò)程中涉及到大量的數(shù)據(jù)傳輸和交換。其核心數(shù)據(jù)處理單元與片內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖區(qū),以及內(nèi)存控制器與片外存儲(chǔ)芯片之間的數(shù)據(jù)吞吐能力直接影響到視頻處理的速度3.1信號(hào)平衡電路在視頻信號(hào)的傳輸過(guò)程中,輸入信號(hào)的衰減程度不但與電纜長(zhǎng)度成正比,而且與頻率的平方根值也成正比3.2視頻數(shù)據(jù)解碼及誤碼檢測(cè)為實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的編輯處理,需要將串行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。由于高清數(shù)字視頻信號(hào)傳輸速率較高,數(shù)據(jù)量較大,對(duì)傳輸質(zhì)量要求嚴(yán)格,因此本設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)部完成相應(yīng)的功能模塊,無(wú)需其他外圍電路,保證視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。系統(tǒng)選用Xilinx公司的高性能FPGA芯片XC6VLX240T作為核心芯片。其內(nèi)部集成24個(gè)高速串行收發(fā)器(GTX),能以480Mb/s~6.6Gb/s的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行,可以實(shí)現(xiàn)靈活編碼,占用很少的FPGA邏輯資源,非常適合實(shí)現(xiàn)HD-SDI信號(hào)的接受和發(fā)射,Xilinx公司提供的triple-rateSDIcoreIP具有支持SMPTE標(biāo)準(zhǔn)的HD-SDI的接收器和發(fā)射器接口,通過(guò)一個(gè)GTX參考時(shí)鐘頻率就可以確定傳入的SDI的比特率和配置,并完成信號(hào)解碼功能。均衡電路輸出一對(duì)差分信號(hào),送入GTX接收器,通過(guò)對(duì)GTX接收器的控制,輸入的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成20bit的并行信號(hào),同時(shí)輸出并行時(shí)鐘信號(hào)RXRECCLK,傳送到triple-rateSDI,完成視頻信號(hào)分量的提取及信號(hào)誤碼檢測(cè)和糾正。根據(jù)輸入的時(shí)鐘頻率,進(jìn)行信號(hào)模式判斷,并輸出兩路10bit的信號(hào),分別是HD-SDI信號(hào)里的亮度信號(hào)Y和色差信號(hào)C,以及基準(zhǔn)碼、行號(hào)等標(biāo)識(shí)信息,數(shù)據(jù)時(shí)序圖見(jiàn)圖4。后解串后的并行信號(hào)進(jìn)行誤碼檢測(cè)和誤碼糾正(EDH),檢測(cè)并糾正傳輸及解碼過(guò)程中出現(xiàn)的誤碼,包括視頻標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)、循環(huán)冗余碼檢測(cè)、時(shí)鐘基準(zhǔn)誤碼檢測(cè)、鎖定誤碼檢測(cè)、輔助數(shù)據(jù)效驗(yàn)檢測(cè)HD信號(hào)行數(shù)誤碼檢測(cè)及對(duì)應(yīng)的糾正。最后將2路10bit的并行信號(hào)傳輸?shù)较乱荒K進(jìn)行處理,完成HD-SDI數(shù)據(jù)流的解串。3.3奇偶場(chǎng)pi的形成每幀視頻信號(hào)中并非都是有效數(shù)據(jù),因此在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)要將有效視頻信號(hào)分離出來(lái)。對(duì)于HD-SDI,每行有效信號(hào)數(shù)據(jù)起始端有定時(shí)基準(zhǔn)碼SAV,結(jié)束端有EAV。定時(shí)基準(zhǔn)碼由四個(gè)字組成,每個(gè)字為10比特,前三個(gè)字固定不變,為3FF000000,第四個(gè)字是由奇偶場(chǎng)F、場(chǎng)消隱V和行消隱H及保護(hù)比特Pi組成,Pi的狀態(tài)取決于F、V、H的狀態(tài),其比特分配見(jiàn)表1。F為0表示奇數(shù)場(chǎng),1表示偶數(shù)場(chǎng),V為1表示場(chǎng)消隱,0表示場(chǎng)有效,H為1表示在EAV中,0為SAV中。只有在這兩個(gè)標(biāo)志位之間的數(shù)據(jù)才是有效的視頻數(shù)據(jù),要將其分離出來(lái),構(gòu)造一個(gè)檢測(cè)電路,對(duì)定時(shí)基準(zhǔn)碼進(jìn)行檢測(cè),代碼如下:當(dāng)檢測(cè)到三個(gè)存儲(chǔ)器的值為3FF、000、000時(shí),V_check將會(huì)置1,然后存儲(chǔ)下一位數(shù)據(jù)XYZ,由表1可知,區(qū)分SAV和EAV是根據(jù)XYZ3.4外部數(shù)據(jù)讀取以四畫面合成為例,將四路1920×1080格式的高清視頻數(shù)據(jù)合成一路,每一路視頻畫面的有效像素點(diǎn)變換為原始數(shù)據(jù)的1/4,即為960×540,應(yīng)在垂直方向和水平方向上進(jìn)行1/2的抽值?？紤]到系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)單路信號(hào)的切換顯示,應(yīng)對(duì)每路視頻信號(hào)的全部有效數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),在數(shù)據(jù)合成時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隔點(diǎn)和隔行的讀取即可。在外部存儲(chǔ)芯片中,為每路信號(hào)預(yù)留出一幀圖像的存儲(chǔ)空間,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),四路信號(hào)各進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的寫入操作,并對(duì)其中的一路信號(hào)的存儲(chǔ)空間進(jìn)行一次讀操作,其仿真時(shí)序圖如圖5所示。數(shù)據(jù)的寫入操作按照每一路信號(hào)規(guī)定好的起始地址分別進(jìn)行地址累加寫入即可,四路高清視頻信號(hào)的存儲(chǔ)起始地址分別設(shè)為A根據(jù)畫面合成模式要求,對(duì)每路數(shù)據(jù)進(jìn)行隔點(diǎn)和隔行讀取,進(jìn)行組合,構(gòu)成1920×1080個(gè)有效像素?cái)?shù)據(jù)。合成視頻的有效數(shù)據(jù)的前540行由第一、第二路數(shù)據(jù)構(gòu)成,后540行由第三、第四路數(shù)據(jù)構(gòu)成。第一行數(shù)據(jù)前面960個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)由第一路A由于數(shù)據(jù)量較大,選用外部的存儲(chǔ)器件DDR3SDRAMMT4JSF6464HY-1G1。利用Xilinx公司的存儲(chǔ)器接口生成器工具(MIG),在MIG工具的GUI圖形界面,根據(jù)存儲(chǔ)器件型號(hào)選擇相對(duì)應(yīng)的模板、總線寬度和速度級(jí)別,并設(shè)置CAS延遲、突發(fā)長(zhǎng)度、引腳分配等關(guān)鍵參數(shù),即可生成控制器的RTL代碼(HDL代碼)和UCF文件(約束文件)。并且可以在代碼生成后靈活修改這些代碼,方便實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和重構(gòu)。3.5并串轉(zhuǎn)換電路通過(guò)數(shù)據(jù)的緩存和重構(gòu),對(duì)四路高清信號(hào)中的Y、C分量分別進(jìn)行了組合,將信號(hào)傳送至FPGA內(nèi)部的高速串行收發(fā)器GTX的發(fā)送器部分,并輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘頻率,通過(guò)對(duì)GTX發(fā)送器的控制,將輸入的20bit并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào),完成YC的復(fù)合處理。3.6高清分量信號(hào)的輸出重構(gòu)數(shù)據(jù)要滿足高清HD-SDI并行分量信號(hào)所要求的格式輸出,則要在信號(hào)中構(gòu)造高清分量信號(hào)中的視頻定時(shí)基準(zhǔn)碼SAV、EAV,行消隱數(shù)據(jù)、場(chǎng)消隱數(shù)據(jù),處理過(guò)程的流程圖如圖7所示。3.7降低了信號(hào)的保真度HD-SDI信號(hào)在輸出傳輸過(guò)程中會(huì)有不同程度的衰減,會(huì)導(dǎo)致阻抗失配、反射、信號(hào)損耗等,降低了信號(hào)的保真度。因此高清視頻信號(hào)的輸出端,設(shè)計(jì)高清視頻信號(hào)電纜驅(qū)動(dòng)器模塊,采用National的電纜驅(qū)動(dòng)器LMH0303,支持多種SMPTE標(biāo)準(zhǔn)并具有輸入信號(hào)丟失檢測(cè)功能,保證了高清視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。4數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示本設(shè)計(jì)是針對(duì)手術(shù)室內(nèi)的多路HD-SDI信號(hào)進(jìn)行的處理變換,對(duì)各路高清視頻