CN106060462B - 一种基于Zynq平台的高性能视频处理及传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Zynq平台的高性能视频处理及传输系统，系统设置于外部视频源和上位PC机之间，主要包括：视频输入模块，用于采集外部视频源信号中的有效数据；VDMA模块，将PL可编程逻辑模块中的视频信号高速传输到存储器中；视频处理模块，完成复杂的视频处理功能；AXI互联模块，连接PL可编程逻辑和PS处理系统；PS处理系统模块，控制和管理整个系统；PCIe模块，用于将视频帧数据封装为相应的PCIe报文，并通过PCIe总线在系统和上位PC机之间高速传送数据。本发明集高速采集、处理及传输高清视频能力于一体，系统具备处理能力强、视频质量高、传输速度快等优点。
Description
技术领域
本发明涉及视频处理技术和通信技术，具体涉及一种基于Zynq平台的高清视频处理及传输系统。
背景技术
随着国民经济的发展和社会的进步，在广播电视、智能交通、沉浸式显示、安防监控等领域对视频的清晰度、稳定性和实时性要求越来越高，同时高清视频信号的带宽高、数据吞吐量大等特点也导致了高清图像的采集、处理和传输成为难题，因此对高性能视频处理及传输系统的需求也在不断的增大。
一方面，早期的视频处理方案多采用ARM，DSP，FPGA单一架构实现，由于视频处理要求极高的并行性，对大多数ARM处理器来说，都达不到数据带宽和处理速度的要求。而对DSP和FPGA来说，虽然数据处理能力相比ARM有了一定程度的提升，但却难以运行复杂的图像、视频处理算法。随后的ARM+FPGA，ARM+DSP，DSP+FPGA等多芯片的扩展方案则具有系统结构复杂，开发维护困难，功耗高，成本高等缺点。
Zynq是基于Xilinx全可编程All Programmable的可拓展处理平台，其在单芯片内完美的集成了基于高性能ARM Cortex-A9处理器的处理系统Processing System(PS)和Xilinx 28nm可编程逻辑Programmable Logic(PL)，为用户提供了顶级的灵活性，可配置性和性能。与其他独立的ARM处理器或者Xilinx FPGA在单板上相比，Zynq架构具有整体性能提升、整体功耗降低、设计成本降低、设计灵活性增强等优点。
另一方面，以往的方案对高清视频的传输多采用以太网来实现，在数据的发送端和接收端分别进行压缩和解压处理，在系统实时性方面有所欠缺。而PCIe技术是第三代高性能的I/O总线，提供了高速率、稳定、可靠的传输链路，特别适用于高清视频信号的实时传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能的视频处理及传输系统，使得该系统同时具备强大的视频处理能力，高速的数据传输能力和实时性强等优点。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种基于Zynq平台的高性能视频处理及传输系统，设置于外部视频源和上位PC机之间，所述高性能视频处理系统包括：
PS处理系统：用于控制和管理整个高性能视频处理系统；
存储器模块，用于视频图像的暂存；
PL可编程逻辑模块；
所述的PS处理系统分别与PL可编程逻辑模块和存储器通信连接；
PL可编程逻辑模块包括：
视频输入模块，用于采集外部视频源信号中的有效屏幕数据；
VDMA模块，通过PS处理系统完成PL可编程逻辑模块和存储器间的高速视频数据交互；
AXI互联模块，用于PL可编程逻辑模块和PS处理系统的互连；
视频处理模块，完成视频处理功能；
PCIe模块，用于将视频帧数据封装为相应的PCIe报文或者将PCIe报文解码，并通过PCIe总线在系统和上位PC机之间高速传送数据；
性能监测模块，用于监测VDMA模块、存储器和PCIe模块的数据传输吞吐率。
所述的高性能视频处理及传输系统，所述系统具备两种不同的工作模式：处理实时采集视频信号的在线模式和处理来自上位PC机历史数据的离线模式，其中：
所述在线模式，视频输入模块从外部视频源采集有效的屏幕数据，检测视频数据的行场信号并判断分辨率，并通过VDMA模块将采集到的视频高速发送到存储器中供视频处理模块进行处理，最后将处理完毕数据再通过PCIe模块封装，并上传到上位PC机进行显示和存储；
所述离线模式，PCIe模块直接接收上位PC机发送过来的原始视频数据，解码之后通过VDMA模块将其发送到存储器中，视频处理模块从存储器中获取原始数据进行高速处理，最后将处理完毕数据由PCIe模块封装并回传给上位PC机显示和存储。
所述的高性能视频处理及传输系统，所述视频输入模块包括：
视频输入接口模块，用于接收外部图像传感器采集的实时视频数据；
时序检测子模块，用于接收视频输入接口模块采集的实时数据并检测实时视频数据的行场信号，根据这些信号判断视频图像的分辨率，并提取有效的屏幕数据；
格式转换子模块，将提取的有效的屏幕数据由YUV格式转换为容易进行图像处理的RGB数据格式。
所述的高性能视频处理及传输系统，所述VDMA模块包括：
写通道S2MM，用于将视频帧信号写入到系统存储器中；
读通道MM2S，用于从系统存储器中读取视频帧信号；
数据搬运器子单元，在控制逻辑子单元的控制下执行具体的DMA视频数据迁移操作；
控制逻辑子单元，接收PS处理系统发出的配置信号来控制整个VDMA模块的工作。
所述的高性能视频处理及传输系统，所述视频处理模块包括：
DPC子单元，用于检测和修正输入视频的缺陷像素；
CFA子单元，通过插值恢复视频帧中每个像素点的其余两种颜色分量，优化图像细节的明锐度；
CCM子单元，对RGB图像进行色彩校正操作，包括调节白平衡、色偏、亮度、对比度；
Gamma子单元，对视频帧进行Gamma校正，减少视频失真程度；
RGB2YUV子单元，将RGB色域空间信号转化为YUV色域空间信号；
Enhance子模块，执行视频图像边缘增强和降噪处理，最后进行输出。
所述的高性能视频处理及传输系统，所述PCIe模块包括：
集成PCIe子模块，用于将视频帧信号、控制信号封装为PCIe报文格式，接收上位PC机发送的事务层数据包并解码；
PCIe DMA子模块，为系统和上位PC机之间高速传送数据提供控制逻辑和数据传输通道，包括：
接收模块，接收上位PC机发送过来的原始视频数据，解析完成之后发送到FIFO模块中；发送模块，接收FIFO模块发送过来的已处理完毕数据，并将其发送到上位PC机；DMA控制、状态模块，接收PS处理系统的读写控制信号，控制发送和接收模块的具体工作。
所述的高性能视频处理及传输系统，所述PS处理系统通过AXI互联模块对整个系统的其余模块进行控制和管理操作。
所述的高性能视频处理及传输系统，所述性能监测单元，分别用于监测三个高性能的HP0、HP1、HP2端口和PCIe模块的数据传输吞吐率，具体通过计数器计算有效的数据传输次数来计算每秒数据量，并将该数值加载到寄存器中供上位PC机读取。
本发明的技术效果在于，本发明的有益效果：
1.系统结构简单，基于单一Zynq架构即可达到以往多芯片扩展方案的处理效果，即降低了整体成本和功耗，同时降低了系统开发和维护难度；
2.系统具备在线和离线两种工作模式，可应对不同的工作环境；
3.采用模块化设计，充分利用PL可编程逻辑的灵活性，系统的扩展非常简单；
4.采用PCIe总线协议以DMA方式传输高清视频信号，传输效率高、误码率低、实时性好。
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本系统的整体结构示意图；
图2为本系统的具体模块示意图；
图3为本系统中的视频处理模块示意图。
图4为本系统中的VDMA模块示意图；
图5为本系统中的PCIe DMA子模块示意图。
具体实施方式
本实施例设置于外部视频源和上位PC机之间，具体包括：PS处理系统：用于控制和管理整个高性能视频处理系统；存储器模块，用于视频图像的暂存；PL可编程逻辑模块；所述的PS处理系统分别与PL可编程逻辑模块和存储器通信连接；PL可编程逻辑模块包括：视频输入模块，用于采集外部视频源信号中的有效屏幕数据；VDMA模块，通过PS处理系统完成PL可编程逻辑模块和存储器间的高速视频数据交互；AXI互联模块，用于PL可编程逻辑模块和PS处理系统的互连；视频处理模块，完成视频处理功能；PCIe模块，用于将视频帧数据封装为相应的PCIe报文或者将PCIe报文解码，并通过PCIe总线在系统和上位PC机之间高速传送数据；性能监测模块，用于监测VDMA模块、存储器和PCIe模块的数据传输吞吐率。
本系统视频处理步骤如下：
步骤1，从外部视频源或者上位PC机获取高清原始视频数据，并通过VDMA模块传送到系统存储器中；步骤2，视频处理模块通过与之相连的VDMA模块从存储器中读取高清视频，并进行一系列复杂的视频图像处理操作；步骤3，已处理完毕的数据通过PCIe模块以DMA方式高速传输到上位PC机进行显示和存储。
本实施例为应对不同的工作环境具备了处理实时采集视频信号的在线模式和处理来自上位PC机历史数据的离线模式，具体数据流向如下：
在线模式下，由视频输入接口模块采集外部实时视频源之后进入时序检测子模块进行检测、判断和提取有效的屏幕数据，随后由格式转换子模块将原始视频数据转换成更加容易进行视频图像处理的数据格式之后，由VDMA模块负责把采集到的数据进行传送，最后到达系统存储器中。视频处理模块从系统存储器中读取采集的原始数据之后，进行一系列的视频图像处理操作，并通过VDMA模块将处理完毕数据发送到存储器中，最后由PCIe模块进行相应的封装之后高速传送到上位PC机。
离线模式下，PCIe模块接收上位PC机发送过来的原始视频数据包，进行解析之后，将其发送到FIFO模块中，最后由VDMA模块传送到系统存储器中。视频处理模块从存储器中读取原始数据之后进行相应处理之后，最后由PCIe模块将已处理数据回传到上位PC机。
其中视频输入模块包括：视频输入接口模块，用于接收外部图像传感器采集的实时视频数据；时序检测子模块，用于接收视频输入接口模块采集的实时数据并检测实时视频数据的行场信号，根据这些信号判断视频图像的分辨率，并提取有效的屏幕数据；格式转换子模块，将提取的有效的屏幕数据由YUV格式转换为容易进行图像处理的RGB数据格式。
其中VDMA模块包括：写通道S2MM，用于将视频帧信号写入到系统存储器中；读通道MM2S，用于从系统存储器中读取视频帧信号；数据搬运器子单元，在控制逻辑子单元的控制下执行具体的DMA视频数据迁移操作；控制逻辑子单元，接收PS处理系统发出的配置信号来控制整个VDMA模块的工作。
其中视频处理模块包括：DPC子单元，用于检测和修正输入视频的缺陷像素；CFA子单元，通过插值恢复视频帧中每个像素点的其余两种颜色分量，优化图像细节的明锐度；CCM子单元，对RGB图像进行色彩校正操作，包括调节白平衡、色偏、亮度、对比度；Gamma子单元，对视频帧进行Gamma校正，减少视频失真程度；RGB2YUV子单元，将RGB色域空间信号转化为YUV色域空间信号；Enhance子模块，执行视频图像边缘增强和降噪处理，最后进行输出。
其中PCIe模块包括：集成PCIe子模块，用于将视频帧信号、控制信号封装为PCIe报文格式，接收上位PC机发送的事务层数据包并解码；PCIe DMA子模块，为系统和上位PC机之间高速传送数据提供控制逻辑和数据传输通道，包括：接收模块，接收上位PC机发送过来的原始视频数据，解析完成之后发送到FIFO模块中；发送模块，接收FIFO模块发送过来的已处理完毕数据，并将其发送到上位PC机；DMA控制、状态模块，接收PS处理系统的读写控制信号，控制发送和接收模块的具体工作。
其中PS处理系统通过AXI互联模块对整个系统的其余模块进行控制和管理操作。
为了保证对系统进行实时监控，本实施例还设置了性能监测单元，分别用于监测三个高性能的HP0、HP1、HP2端口和PCIe模块的数据传输吞吐率，具体通过计数器计算有效的数据传输次数来计算每秒数据量，并将该数值加载到寄存器中供上位PC机读取。
Claims (7)
1.一种基于Zynq平台的高性能视频处理及传输系统，设置于外部视频源和上位PC机之间，其特征在于，所述高性能视频处理系统包括：
PS处理系统：用于控制和管理整个高性能视频处理系统；
存储器，用于视频图像的暂存；
PL可编程逻辑模块；
所述的PS处理系统分别与PL可编程逻辑模块和存储器通信连接；
PL可编程逻辑模块包括：
视频输入模块，用于采集外部视频源信号中的有效屏幕数据；
VDMA模块，通过PS处理系统完成PL可编程逻辑模块和存储器间的高速视频数据交互；
AXI互联模块，用于PL可编程逻辑模块和PS处理系统的互连；
视频处理模块，完成视频处理功能；
PCIe模块，用于将视频帧数据封装为相应的PCIe报文或者将PCIe报文解码，并通过PCIe总线在系统和上位PC机之间高速传送数据；
性能监测模块，用于监测VDMA模块、存储器和PCIe模块的数据传输吞吐率；
所述系统具备两种不同的工作模式：处理实时采集视频信号的在线模式和处理来自上位PC机历史数据的离线模式，其中：
所述在线模式，视频输入模块从外部视频源采集有效的屏幕数据，检测视频数据的行场信号并判断分辨率，并通过VDMA模块将采集到的视频高速发送到存储器中供视频处理模块进行处理，最后将处理完毕数据再通过PCIe模块封装，并上传到上位PC机进行显示和存储；
所述离线模式，PCIe模块直接接收上位PC机发送过来的原始视频数据，解码之后通过VDMA模块将其发送到存储器中，视频处理模块从存储器中获取原始数据进行高速处理，最后将处理完毕数据由PCIe模块封装并回传给上位PC机显示和存储。
2.如权利要求1所述的高性能视频处理及传输系统，其特征在于，所述视频输入模块包括：
视频输入接口模块，用于接收外部图像传感器采集的实时视频数据；
时序检测子模块，用于接收视频输入接口模块采集的实时视频数据并检测实时视频数据的行场信号，根据这些信号判断视频图像的分辨率，并提取有效的屏幕数据；
格式转换子模块，将提取的有效的屏幕数据由YUV格式转换为容易进行图像处理的RGB数据格式。
3.如权利要求1所述的高性能视频处理及传输系统，其特征在于，所述VDMA模块包括：
写通道S2MM，用于将视频帧信号写入到存储器中；
读通道MM2S，用于从存储器中读取视频帧信号；
数据搬运器子单元，在控制逻辑子单元的控制下执行具体的DMA视频数据迁移操作；
控制逻辑子单元，接收PS处理系统发出的配置信号来控制整个VDMA模块的工作。
4.如权利要求1所述的高性能视频处理及传输系统，其特征在于，所述视频处理模块包括：
DPC子单元，用于检测和修正输入视频的缺陷像素；
CFA子单元，通过插值恢复视频帧中每个像素点的其余两种颜色分量，优化图像细节的明锐度；
CCM子单元，对RGB图像进行色彩校正操作，包括调节白平衡、色偏、亮度、对比度；
Gamma子单元，对视频帧进行Gamma校正，减少视频失真程度；
RGB2YUV子单元，将RGB色域空间信号转化为YUV色域空间信号；
Enhance子模块，执行视频图像边缘增强和降噪处理，最后进行输出。
5.如权利要求1所述的高性能视频处理及传输系统，其特征在于，所述PCIe模块包括：
集成PCIe子模块，用于将视频帧信号、控制信号封装为PCIe报文格式，接收上位PC机发送的事务层数据包并解码；
PCIe DMA子模块，为系统和上位PC机之间高速传送数据提供控制逻辑和数据传输通道，包括：
接收模块，接收上位PC机发送过来的原始视频数据，解析完成之后发送到FIFO模块中；发送模块，接收FIFO模块发送过来的已处理完毕数据，并将其发送到上位PC机；DMA控制、状态模块，接收PS处理系统的读写控制信号，控制发送和接收模块的具体工作。
6.如权利要求1所述的高性能视频处理及传输系统，其特征在于，所述PS处理系统通过AXI互联模块对整个系统的其余模块进行控制和管理操作。
7.如权利要求1所述的高性能视频处理及传输系统，其特征在于，所述性能监测模块 ，分别用于监测三个高性能的HP0、HP1、HP2端口和PCIe模块的数据传输吞吐率，具体通过计数器计算有效的数据传输次数来计算每秒数据量，并将该数值加载到寄存器中供上位PC机读取。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |