【導(dǎo)讀】視頻系統(tǒng)，目前已經(jīng)深入消費(fèi)應(yīng)用的各個(gè)方面，在汽車、機(jī)器人和工業(yè)領(lǐng)域日益普遍。其在非消費(fèi)應(yīng)用中的增長主要源于HDMI標(biāo)準(zhǔn)以及更快、更高效的DSP和FPGA的出現(xiàn)。
本文將概要討論利用模擬或HDMI攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)立體視覺（3D視頻）的各種要求。文章將描述一個(gè)基于FPGA的系統(tǒng)，它將兩個(gè)視頻流結(jié)合成一個(gè)3D視頻流，通過HDMI 1.4發(fā)射器進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要介紹一個(gè)基于DSP的系統(tǒng)，與通常需從兩臺(tái)攝像機(jī)接收數(shù)據(jù)相比，該系統(tǒng)可以節(jié)省DMA帶寬。另外，本文還將描述一種方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)一種并排格式，可供3D攝像機(jī)或要求3D視頻的系統(tǒng)使用。
概述
立體視覺要求使用兩臺(tái)攝像機(jī)，二者相距大約5.5厘米，這是人類雙眼之間的典型間距，如圖1所示。
圖1 支架上的兩臺(tái)攝像機(jī)（已針對立體視覺對齊）
圖2所示高級(jí)功能框圖使用了采用相同視頻標(biāo)準(zhǔn)的兩臺(tái)同步攝像機(jī)、兩個(gè)視頻解碼器和一個(gè)FPGA。為了確保完全一致的幀速率，攝像機(jī)必須行鎖定到共同的參考時(shí)序。如果沒有同步，不使用外部存儲(chǔ)器，就不可能將輸出組合起來并存儲(chǔ)為完整的視頻幀。
圖2 高級(jí)功能框圖
圖3顯示兩個(gè)行鎖定視頻流被合并成一個(gè)立體圖像。圖4顯示，如果不將整個(gè)視頻幀保存在外部存儲(chǔ)器中，則異步視頻流無法合并。
圖3 合并兩個(gè)同步視頻流
圖4 如果不使用外部存儲(chǔ)器，則無法合并異步視頻流
然后，兩臺(tái)同步攝像機(jī)的輸出由視頻解碼器（如ADV7181D, ADV7182或ADV7186 用于模擬攝像機(jī)）進(jìn)行數(shù)字化處；也可由 HDMI receivers（如ADV7610 或 ADV7611用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)）進(jìn)行數(shù)字化處理。
視頻解碼器和HDMI接收器都采用內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)在其輸出總線上產(chǎn)生時(shí)鐘和像素?cái)?shù)據(jù)。這意味著，在數(shù)字化模擬視頻，或者接收HDMI流時(shí)，將為兩臺(tái)攝像機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘域。另外，兩個(gè)視頻流可能存在對齊誤差。這些時(shí)序差異和對齊誤差必須在后端器件（如FPGA）中進(jìn)行補(bǔ)償，先將數(shù)據(jù)帶至共同的時(shí)鐘域，然后再將兩個(gè)視頻圖像結(jié)合成單個(gè)立體視頻幀。然后，通過一個(gè)支持3D的HDMI 1.4HDMI 接收器（如ADV7511 或 ADV7513—也可以將其提供給DSP（如 ADSP-BF609 Blackfin®處理器）—以便進(jìn)一步處理。
時(shí)鐘架構(gòu)
視頻解碼器有兩種完全不同的時(shí)鐘源，具體取決于其是否鎖定。當(dāng)視頻PLL被鎖定至輸入同步信號(hào)時(shí)——水平同步（視頻解碼器）或TMDS時(shí)鐘(HDMI)——結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鎖定至輸入視頻源的時(shí)鐘。當(dāng)視頻失鎖時(shí)，或者當(dāng)PLL處于強(qiáng)制自由運(yùn)行模式時(shí)，視頻PLL不會(huì)鎖定至輸入同步信號(hào)，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鎖定至晶振時(shí)鐘的時(shí)鐘輸出。另外，時(shí)鐘可能不會(huì)在復(fù)位后輸出，因?yàn)長LC時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器在復(fù)位后設(shè)置為高阻抗模式。
因此，如果系統(tǒng)有兩個(gè)或多個(gè)始于視頻解碼器或HDMI接收器的視頻路徑，即使將同一晶振時(shí)鐘提供給兩個(gè)視頻解碼器或HDMI接收器，仍會(huì)有兩個(gè)不同頻率、不同相位的不同時(shí)鐘域，因?yàn)槊總€(gè)器件都會(huì)基于自己的PLL產(chǎn)生自己的時(shí)鐘。
帶鎖定視頻解碼器的同步系統(tǒng)
典型的立體視頻使用兩個(gè)視頻源，其中，每個(gè)視頻解碼器都會(huì)鎖定至輸入視頻信號(hào)，并會(huì)基于輸入水平同步或TMDS時(shí)鐘產(chǎn)生自己的時(shí)鐘。當(dāng)兩臺(tái)攝像機(jī)同步——或行鎖定至同一參考時(shí)序時(shí)——分幀線將始終對齊。由于兩個(gè)獨(dú)立的視頻解碼器會(huì)收到相同的水平同步信號(hào)，因此，像素時(shí)鐘將擁有相同的像素時(shí)鐘頻率。這樣，就可以將兩條數(shù)據(jù)路徑帶入同一個(gè)時(shí)鐘域，如圖5所示。
圖5 同步至同一參考源的兩臺(tái)攝像機(jī)。
兩個(gè)視頻解碼 器都會(huì)收到同一同步信號(hào)，因此，它們也會(huì)鎖定
異步視頻系統(tǒng)
不幸的是，其中一個(gè)視頻解碼器可能因視頻源信號(hào)質(zhì)量欠佳而失鎖，如圖6所示；或者，攝像機(jī)因視頻鏈路斷開而失去同步性，如圖7所示。這會(huì)在兩條數(shù)據(jù)路徑中導(dǎo)致不同的頻率，結(jié)果又會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入后端中的數(shù)據(jù)量不對稱。
圖6 帶未鎖定視頻解碼器的行鎖定攝像機(jī)
圖7 帶鎖定視頻解碼器的未鎖定攝像機(jī)
視頻失鎖可以通過使用一個(gè)中斷（SD視頻解碼器為SD_UNLOCK，分量視頻解碼器為CP_UNLOCK，或HDMI接收器中的TMDSPLL_LCK寄存器）來檢測，該中斷會(huì)在一定延遲后介入。視頻解碼器集成了不穩(wěn)定水平同步平滑機(jī)制，因此，視頻失鎖的檢測可能需要兩三行。該延遲可通過控制FPGA中的失鎖來減少。
時(shí)鐘三態(tài)模式
在設(shè)計(jì)FPGA時(shí)鐘資源時(shí)，必須知道，默認(rèn)情況下，許多視頻解碼器和HDMI產(chǎn)品在復(fù)位后將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線路置為三態(tài)模式。因此，LLC像素時(shí)鐘不適用于同步復(fù)位。
兩條視頻流中的數(shù)據(jù)對齊誤差
為了簡化系統(tǒng)并減少合并兩幅圖像所需存儲(chǔ)器，到達(dá)FPGA的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行同步，以使來自第一臺(tái)攝像機(jī)的第M 行第N個(gè) 像素與來自第二臺(tái)攝像機(jī)的第M 行第N個(gè) 像素同時(shí)收到。
在FPGA輸入端，這可能很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮蓷l視頻路徑可能具有不同的延遲：行鎖定攝像機(jī)可能輸出存在對齊誤差的行，不同的連接長度可能加大對齊誤差，而視頻解碼器則可能帶來可變啟動(dòng)延遲。受這些延遲影響，采用行鎖定攝像機(jī)的系統(tǒng)會(huì)有一些存在對齊誤差的像素。
行鎖定攝像機(jī)對齊誤差
即使是行鎖定攝像機(jī)也可能輸出存在對齊誤差的視頻行。圖8顯示來自兩臺(tái)攝像機(jī)的CVBS輸出端的垂直同步信號(hào)。一臺(tái)攝像機(jī)（同步主機(jī)）為第二臺(tái)攝像機(jī)（同步從機(jī)）提供行鎖定信號(hào)。380 ns的對齊誤差是清楚可見的。圖9展示的是這些攝像機(jī)輸出端的視頻解碼器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。可以看到11個(gè)像素的位移。
圖8 行鎖定視頻攝像機(jī)之間的380 ns視頻對齊誤差
圖9 數(shù)字域中未補(bǔ)償?shù)?1個(gè)像素的視頻對齊誤差
不同的連接長度
所有電氣連接都會(huì)帶來傳播延遲，因此，要確保兩條視頻路徑具有相同的軌道和電纜長度。
視頻解碼器/HDMI接收器延遲
所有視頻解碼器都會(huì)帶來可能因啟用的功能而異的延遲。另外，有些視頻器件含有可能增加隨機(jī)啟動(dòng)延遲的因素——如深色FIFO。采用視頻解碼器的典型立體系統(tǒng)的隨機(jī)啟動(dòng)延遲大約為5個(gè)像素時(shí)鐘。含有HDMI發(fā)射器和接收器的系統(tǒng)（如圖10所示）的隨機(jī)啟動(dòng)延遲可能為40個(gè)像素時(shí)鐘左右。
圖10 流水線延遲測量設(shè)置
對齊誤差補(bǔ)償
圖11所示系統(tǒng)中，一個(gè)視頻解碼器對來自各攝像機(jī)的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。各視頻路徑的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘是獨(dú)立的。兩條視頻路徑都連接至FIFO，后者對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，以補(bǔ)償數(shù)據(jù)對齊誤差。在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)IFO使用來自其中一個(gè)解碼器的共用時(shí)鐘。在鎖定系統(tǒng)中，兩條數(shù)據(jù)路徑應(yīng)具有完全相同的時(shí)鐘頻率，以確保在攝像機(jī)行鎖定且視頻解碼器鎖定的情況下，不會(huì)出現(xiàn)FIFO溢出或下溢現(xiàn)象。
通過啟用或禁用FIFO輸出，控制模塊可以維持FIFO電平以盡量減少像素對齊誤差。如果采取了正確的補(bǔ)償措施，則FPGA模塊的輸出應(yīng)為與第一個(gè)像素對齊的兩條數(shù)據(jù)路徑。然后該數(shù)據(jù)提供給FPGA后端，以生成3D格式。
圖11 使用數(shù)字FIFO來重新對齊視頻圖像
對齊誤差測量
兩個(gè)數(shù)字化數(shù)據(jù)流之間的對齊誤差可以在視頻FIFO輸出端進(jìn)行測量，其方法是使用一個(gè)單一時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器在輸入信號(hào)之一的垂直同步(VS)脈沖上復(fù)位。圖12所示兩個(gè)視頻流（vs_a_in和vs_b_in）的對齊誤差為4個(gè)像素。計(jì)數(shù)器使用列表1中所示方法測量對齊誤差。計(jì)數(shù)從VS1的上升沿開始，并在VS2的上升沿終止。
如果一個(gè)幀的總像素長度是已知的，則可以通過從幀長中減去計(jì)數(shù)值，從而算出負(fù)偏斜（VS2位于VS1之前）。該負(fù)值應(yīng)在偏斜超過像素幀長的一半時(shí)計(jì)算。結(jié)果應(yīng)用來重新對齊FIFO中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
圖12 對齊誤差測量
列表1 簡單對齊誤差測量(Verilog®).
module misalign_measurement(
input wire reset,
input wire clk_in,
input wire vs_a_in,
input wire vs_b_in,
output reg [15:0] misalign,
output reg ready);
reg [15:0] cnt;
reg cnt_en, cnt_reset;
reg vs_a_in_r, vs_b_in_r;
assign vs_a_rising = vs_a_in > vs_a_in_r;
assign vs_b_rising = vs_b_in > vs_b_in_r;
always @(posedge clk_in)
begin
vs_a_in_r <= vs_a_in;
vs_b_in_r <= vs_b_in;
end
always @(posedge clk_in)
if (reset)
begin
{ ready, cnt_en } <= 2''''b00;
misalign <= 0;
end else begin
if ((vs_a_in == 1''''b0) && (vs_b_in == 1''''b0))
{ ready, cnt_reset } <= 2''''b01;
else
cnt_reset <= 1''''b0;
/* beginning */
if (vs_a_rising && vs_b_rising)
begin
misalign <= 0;
{ ready, cnt_en } <= 2''''b10;
end
else if ((vs_a_rising > vs_b_in) || (vs_b_rising > vs_a_in))
{ ready, cnt_en } <= 2''''b01;
/* ending */
if ((cnt_en == 1''''b1) && (vs_a_rising || vs_b_rising))
begin
{ ready, cnt_en } <= 2''''b10;
misalign <= vs_a_rising ? (-(cnt + 1)) : (cnt + 1);
end
end
always @(posedge clk_in) /* counter */
if ((cnt_reset) || (reset))
cnt <= 0;
else if (cnt_en)
cnt <= cnt + 1;
endmodule
從兩個(gè)對齊視頻流生成3D視頻
一旦像素、行和幀數(shù)據(jù)都真正同步，F(xiàn)PGA可以將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D視頻流，如圖13所示。
圖13 用于實(shí)現(xiàn)3D格式的簡化架構(gòu)
輸入數(shù)據(jù)由共用時(shí)鐘讀入存儲(chǔ)器。同步時(shí)序分析儀檢查輸入的同步信號(hào)，并抽取視頻時(shí)序，包括水平前后沿長度、垂直前后沿、水平和垂直同步長度、水平有效行長、垂直有效行數(shù)和同步信號(hào)極化。將該信息與當(dāng)前水平和垂直像素位置一起傳給同步時(shí)序再發(fā)生器，這樣可以生成經(jīng)修改的時(shí)序，以便支持所需3D視頻結(jié)構(gòu)。新生成的時(shí)序應(yīng)延遲，以確保FIFO含有所需數(shù)據(jù)量。
并排3D視頻
對存儲(chǔ)器要求最低的架構(gòu)是并排格式，只需要一個(gè)兩行緩沖器(FIFO)即可存儲(chǔ)來自兩個(gè)視頻源的行內(nèi)容。并排格式的寬度應(yīng)為原始輸入模式的兩倍。為此，應(yīng)使用一個(gè)雙倍時(shí)鐘來為擁有雙倍水平行長度的再生同步時(shí)序提供時(shí)鐘。用于為后端提供時(shí)鐘的雙倍時(shí)鐘將以雙倍速率清空第一個(gè)FIFO和第二個(gè)FIFO，這樣即可并排顯示圖像，如圖14所示。并排圖像如圖15所示。
圖14 使用簡單的FPGA行緩沖器來并排合并兩幅圖像
圖15 視頻時(shí)序下的并排576p圖像
結(jié)論
ADI公司的解碼器和HDMI產(chǎn)品以及簡單的后處理技術(shù)可以打造出真正的立體3D視頻，并為其傳輸提供條件。如本文所示，用簡單的數(shù)字模塊，無需使用昂貴的存儲(chǔ)器，即可實(shí)現(xiàn)3D視頻。這種系統(tǒng)可用于需要3D視覺的任何類型的系統(tǒng)中，從簡單的攝像機(jī)，到基于ADSP-BF609 DSP的可以跟蹤物體及其距離的專業(yè)系統(tǒng)。
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