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

隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學的快速發(fā)展，醫(yī)院數(shù)字計算機化程度日益高。在現(xiàn)代醫(yī)療中，醫(yī)生應該使用視頻顯示進行手術(shù)，這對于在數(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)室不僅具有對患者進行手術(shù)治療的功能,還應滿足手術(shù)教學觀摩、學術(shù)交流及遠程醫(yī)療等諸多新型應用的需求,這就對數(shù)字化手術(shù)室內(nèi)的視頻圖像質(zhì)量和多路視頻信號的處理和顯示技術(shù)提出了更高的要求,以達到高質(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在手術(shù)室內(nèi)部安裝專用攝像頭、錄像設備等可以獲取手術(shù)室內(nèi)的動態(tài)圖像,對手術(shù)過程進行實時記錄、監(jiān)控、轉(zhuǎn)播和存儲,以便進行臨床手術(shù)示教并在術(shù)后對影像資料進行學術(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)院都開發(fā)或者引進了臨床手術(shù)示教系統(tǒng),但現(xiàn)有的系統(tǒng)普遍存在一些設計缺陷和技術(shù)問題,最為突出的如手術(shù)視頻清晰度低、圖像失真嚴重、色彩還原能力弱、圖像質(zhì)量不高等問題,并且傳統(tǒng)的顯示系統(tǒng)往往都用一個顯示器顯示一路視頻信號,無法全面地獲取手術(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。當需要同時顯示多路視頻信號時,就需要多個顯示器,造成資源浪費且操作不便。針對上述情況,本研究設計了高清視頻控制器,可以對手術(shù)室內(nèi)的多路高清視頻信號進行處理,實現(xiàn)高清晰度視頻信號的多合一顯示。將多路視頻信號按照一定的比例縮小后合成一路視頻信號,傳送至顯示器屏幕顯示,這樣一臺顯示器屏幕被分割成多個大小相等的部分,每一個部分顯示一路視頻圖像,與此同時,也可以切換至某一路視頻(所輸入的視頻信號中的一路)的獨立顯示。這樣,大大增加了顯示器的靈活性,節(jié)約了空間設備資源2高清視頻信號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)字信號輸入和輸出的通道,對視頻質(zhì)量的好壞有直接的影響。HD-SDI標準由SMPTE(電影電視工程師協(xié)會)制定,HD-SDI能夠以簡單、低成本的方式傳送高速率的高清數(shù)字視頻信號,在當今的廣播和視頻產(chǎn)品領域得到了廣泛的應用以隔行掃描1080P50i為例,每幀圖像分兩場掃描。數(shù)字視頻分量采用Y:CHD-SDI信號里,除了有效視頻信號之外,在視頻信號消隱區(qū)間里還有其他的信息(1)EAV/SAV:定時基準碼,有效數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束標志(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、色差信號的數(shù)據(jù)錯誤;3核心數(shù)據(jù)處理數(shù)字視頻處理過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信號平衡電路在視頻信號的傳輸過程中,輸入信號的衰減程度不但與電纜長度成正比,而且與頻率的平方根值也成正比3.2視頻數(shù)據(jù)解碼及誤碼檢測為實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的編輯處理,需要將串行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。由于高清數(shù)字視頻信號傳輸速率較高,數(shù)據(jù)量較大,對傳輸質(zhì)量要求嚴格,因此本設計在FPGA內(nèi)部完成相應的功能模塊,無需其他外圍電路,保證視頻信號的傳輸質(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個高速串行收發(fā)器(GTX),能以480Mb/s~6.6Gb/s的數(shù)據(jù)速率運行,可以實現(xiàn)靈活編碼,占用很少的FPGA邏輯資源,非常適合實現(xiàn)HD-SDI信號的接受和發(fā)射,Xilinx公司提供的triple-rateSDIcoreIP具有支持SMPTE標準的HD-SDI的接收器和發(fā)射器接口,通過一個GTX參考時鐘頻率就可以確定傳入的SDI的比特率和配置,并完成信號解碼功能。均衡電路輸出一對差分信號,送入GTX接收器,通過對GTX接收器的控制,輸入的串行信號轉(zhuǎn)換成20bit的并行信號,同時輸出并行時鐘信號RXRECCLK,傳送到triple-rateSDI,完成視頻信號分量的提取及信號誤碼檢測和糾正。根據(jù)輸入的時鐘頻率,進行信號模式判斷,并輸出兩路10bit的信號,分別是HD-SDI信號里的亮度信號Y和色差信號C,以及基準碼、行號等標識信息,數(shù)據(jù)時序圖見圖4。后解串后的并行信號進行誤碼檢測和誤碼糾正(EDH),檢測并糾正傳輸及解碼過程中出現(xiàn)的誤碼,包括視頻標準檢測、循環(huán)冗余碼檢測、時鐘基準誤碼檢測、鎖定誤碼檢測、輔助數(shù)據(jù)效驗檢測HD信號行數(shù)誤碼檢測及對應的糾正。最后將2路10bit的并行信號傳輸?shù)较乱荒K進行處理,完成HD-SDI數(shù)據(jù)流的解串。3.3奇偶場pi的形成每幀視頻信號中并非都是有效數(shù)據(jù),因此在對數(shù)據(jù)進行存儲時要將有效視頻信號分離出來。對于HD-SDI,每行有效信號數(shù)據(jù)起始端有定時基準碼SAV,結(jié)束端有EAV。定時基準碼由四個字組成,每個字為10比特,前三個字固定不變,為3FF000000,第四個字是由奇偶場F、場消隱V和行消隱H及保護比特Pi組成,Pi的狀態(tài)取決于F、V、H的狀態(tài),其比特分配見表1。F為0表示奇數(shù)場,1表示偶數(shù)場,V為1表示場消隱,0表示場有效,H為1表示在EAV中,0為SAV中。只有在這兩個標志位之間的數(shù)據(jù)才是有效的視頻數(shù)據(jù),要將其分離出來,構(gòu)造一個檢測電路,對定時基準碼進行檢測,代碼如下:當檢測到三個存儲器的值為3FF、000、000時,V_check將會置1,然后存儲下一位數(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變換為原始數(shù)據(jù)的1/4,即為960×540,應在垂直方向和水平方向上進行1/2的抽值?？紤]到系統(tǒng)可實現(xiàn)對單路信號的切換顯示,應對每路視頻信號的全部有效數(shù)據(jù)進行存儲,在數(shù)據(jù)合成時,對數(shù)據(jù)進行隔點和隔行的讀取即可。在外部存儲芯片中,為每路信號預留出一幀圖像的存儲空間,在一個時鐘周期內(nèi),四路信號各進行一次數(shù)據(jù)的寫入操作,并對其中的一路信號的存儲空間進行一次讀操作,其仿真時序圖如圖5所示。數(shù)據(jù)的寫入操作按照每一路信號規(guī)定好的起始地址分別進行地址累加寫入即可,四路高清視頻信號的存儲起始地址分別設為A根據(jù)畫面合成模式要求,對每路數(shù)據(jù)進行隔點和隔行讀取,進行組合,構(gòu)成1920×1080個有效像素數(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個像素數(shù)據(jù)由第一路A由于數(shù)據(jù)量較大,選用外部的存儲器件DDR3SDRAMMT4JSF6464HY-1G1。利用Xilinx公司的存儲器接口生成器工具(MIG),在MIG工具的GUI圖形界面,根據(jù)存儲器件型號選擇相對應的模板、總線寬度和速度級別,并設置CAS延遲、突發(fā)長度、引腳分配等關鍵參數(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,方便實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲和重構(gòu)。3.5并串轉(zhuǎn)換電路通過數(shù)據(jù)的緩存和重構(gòu),對四路高清信號中的Y、C分量分別進行了組合,將信號傳送至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鐘頻率,通過對GTX發(fā)送器的控制,將輸入的20bit并行信號轉(zhuǎn)換成串行信號,完成YC的復合處理。3.6高清分量信號的輸出重構(gòu)數(shù)據(jù)要滿足高清HD-SDI并行分量信號所要求的格式輸出,則要在信號中構(gòu)造高清分量信號中的視頻定時基準碼SAV、EAV,行消隱數(shù)據(jù)、場消隱數(shù)據(jù),處理過程的流程圖如圖7所示。3.7降低了信號的保真度HD-SDI信號在輸出傳輸過程中會有不同程度的衰減,會導致阻抗失配、反射、信號損耗等,降低了信號的保真度。因此高清視頻信號的輸出端,設計高清視頻信號電纜驅(qū)動器模塊,采用National的電纜驅(qū)動器LMH0303,支持多種SMPTE標準并具有輸入信號丟失檢測功能,保證了高清視頻信號的傳輸質(zhì)量。4數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示本設計是針對手術(shù)室內(nèi)的多路HD-SDI信號進行的處理變換,對各路高清視頻