高分辨率视频数字科技应用方式

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　　新科技发展技术在不断的创新变化，这篇文章主要讲述了高分辨率视频数字记录设备等等。本文选自：《光电子技术》,《光电子技术》报道国内光电行业技术动态，光电子技术内容涵盖了平板显示、光纤通信、红外(紫外)摄像、电真空器件、薄膜、激光技术、自动化、计算机及各种测试技术等涉及光电转换的新工艺、新材料、新设备、新产品以及相关的器件、整机、生产线的应用。

光电子技术杂志投稿论文

　　摘要：经过压缩处理后的数据流经过PCI总线传输给主机存储，在高速PCI总线前设置了大容量的存储空间，作为数据缓冲区，实现两种数据总线的速度匹配，充分利用PCI总线的带宽。

　　关键词：视频数字,记录设备,电子工程,光电论文

　　1 系统结构

　　为保证系统的独立性和灵活性，笔者按照“黑匣子”的原则进行设计。就是说设备输入和输出均为标准的R、G、B视频信号，所有的信息处理(包括信息的存储)集中在设备内部进行。记录时设备的输入信号是拟记录视频源的R、G、B信号，在需要回放时只需将输出的视频信号接任一高分辨率监视器即可。这样，信息的记录、回放不必局限于某一特定的工作系统，也不再需要另外的信息处理设备。系统结构框图如图1所示。

　　输入视频信号可以为三线制、四线制、五线制，记录设备可以自适应输入源。

　　输出视频信号可以通过编程设置为三线、四线、五线制。三线制设计的同步信号可以分别复合在R、G、B信号中。输出的R、G、B为标准的视频信号。

　　高分辨率视频数字记录设备由硬件和软件两部分组成。从图1可看出，硬件设计可分为：输入视频提取模块、数据压缩模块、数据记录模块、视频回放模块等几个部分。

　　2 硬件设计

　　2.1输入视频提取

　　高分辨率视频数字记录设备采用了数字处理，这意味着第一步工作就是要把模拟的R、G、B视频量化为数字视频。现在高分辨率监视器常用的显示模式有：SGA(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024)，显示刷新频率60Hz～85Hz，视频信号的点时钟频率40MHz～157.5MHz。

　　为保证A/D转换的精度，采用了锁相环技术，锁相环工作原理如图2所示。

　　锁相环是闭环反馈系统，通过参考分频器、反馈分频器、输出分频器的参数设置，可以在较低振荡频率输入的情况下，产生高达数百兆的输出频率，同时自动跟随输入参考频率相位的变化。

　　在此，以行同步为输入参考频率，设置相应的分频参数，得出与行同步信号相位相关的采样点时钟，并保证采样时钟实时、自动跟随输入行频的变化。

　　何时为有效的视频数据也是视频提取时需要判断的问题。在输入视频的行、场同步的基础上，按照图3的设计原则，设计出与输入视频相对应的消隐信号，图3所示各参数的含义对照图4。由于行、场的设计原理上是一致的，所以图4中的X代表着H(行)或V(场)。

　　根据行、场同步设计出行、场消隐信号后，在消隐信号高电平期间为有效视频区。视频信号数字化后存储在视频存储区，但要保证视频的相关性。即同一帧视频的内容存储在连续存储区，不同帧的内容需要有帧间标志加以区别。

　　2.2 数据压缩

　　要实现高分辨率视频数字化记录，关键是要解决视频数据的压缩问题。其意义有两个方面：节省信息存储所需的空间;降低数据率、减小信息传输所需的带宽。

　　由于设计是针对高分辨率的视频信息，所以在选择压缩算法上必须考虑视频的失真度。对包含有文本信息的高分辨率视频，笔者曾试验过多种有损压缩算法，如MPEG2、小波变换等。这些算法对图像信息的处理比较好，压缩比大，视频回放时人眼可辨的失真度较小;但对字符等文本信息不适合，视频回放时失真度很大甚至无法分辨字符内容。鉴于此，选择了改进型的LZW无损数据压缩方法，以较低的压缩比换取视频信息的高保真。表1是该压缩算法针对不同图例的压缩比。

　　由此可见，此无损压缩算法虽然针对色彩丰富、灰度变化范围较大的图像内容压缩比较低(如Image3)，但针对高分辨率监视器上显示的大部分图形内容压缩比还是可以接受的并有实际意义。

　　在实际设备使用过程中，压缩比测试平均值达到20：1。

　　图3 消隐信号设计原则图4 消隐信号参数定义

　　2.3 数据记录模块

　　该数据存储空间分为上、下体结构，两个体交替工作。一个体由压缩芯片实时写入或读出数据时，主机通过PCI总线从另一个体批量读出存储的内容。这样即保证了数据记录的实时性，又充分利用了总线的带宽。

　　要注意的是在数据写入和读出过程中，必须保证两个体内数据的完整性和连续性。写入的数据不能覆盖尚未读出的数据，读数据时同样必须判断是否为有效数据，否则在数据回放时，解压缩工作无法正确进行。基本原则是：上、下体的交替时刻利用压缩芯片写入或读出数据的地址与批量传输的地址进行比较，必须控制批量传输的地址小于压缩芯片写入或读出数据的地址。

　　2.4 视频回放模块

　　视频的回放是X、Y、T的三维空间。也就是说，解压缩不能简单地被认为是数据恢复的过程，数据的(接上页)

　　恢复必须伴随着正确的显示时序。这包含了显示时序设计和解压缩设计两项技术。

　　解压缩的设计原则上是2.3和2.2节所述的逆过程，解压缩出来的数据为以帧为单位的视频数据，在显示时应按照正确的显示顺序和分辨率、刷新频率进行。

　　在视频回放时，没有任何外来的视频源，也就是说没有外来的行、场同步信号，需要自行产生。在2.1节的消隐生成图例中，包含了行、场同步的设计，通过主机接口，可以按照不同的分辨率和刷新频率灵活设置同步头的宽度和同步信号的周期，并在此基础上按照同样的原则生成行、场消隐信号。消隐信号的高电平为有效视频区，在有效视频区以点时钟频率进行数字视频的D/A变换并在高分辨率监视器上显示(此处的数字视频为解压缩出来的数据)。

　　需要注意的是显示时序的设计原则。虽然此处显示时序是完全独立的设计，但考虑到视频显示的正确性，必须按照记录时视频的显示分辨率设计回放时的分辨率，否则分辨率的累积误差会导致回放视频的扭曲、变形以致无法分辨。但显示刷新频率的设计则可完全独立，只要高分辨率监视器支持即可。

　　表1 改进的LZW无损数据压缩算法针对不同图像的压缩比

　　3 性能分析

　　高分辨率视频数字记录设备实现了如下功能：

　　(1)如实记录监视器显示的所有信息;

　　(2)实时监控拟记录的内容;

　　(3)自动跟踪输入视频分辨率及刷新频率的变化，实现多分辨率、多刷新频率视频信号的实时跟踪;

　　(4)在同一设备内实现压缩、解压缩处理，并采用硬件实现;

　　(5)以数字方式记录、存储，记录内容多次重放而无信息质量的衰减损失;

　　(6)随机快进查找功能;

　　7　在1280×1024分辨率下可实现15帧/秒的实时无损记录及60帧/秒的回放(分辨率向下兼容)，数据处理速度较快，运动信息平滑程度较好;

　　(8)10GB的硬盘可记录约0.5～2小时的视频信息。