季正勃

（中国人民解放军东部战区信息通信团，南京 210000）

随着视频技术以及相关领域科学技术的发展，视频矩阵的需求日益高涨。目前在一些视频应用中需要运用到几个或者多个屏幕来对相应的视频信号进行显示。但是，实际上，视频信号在显示过程中会受到品目尺寸的限制，屏幕的尺寸无法无限制的进行延伸和扩张，因此目前的时间共享视频显示至关重要。视频矩阵应用之后能够依据不同的信号源将视频的格式转化成VGA、AV、DVI以及HDMI。视频矩阵的切换器不同，对应的信号源也有所区别。然而实际应用中，视频源种类是极为丰富的，在这种情况下，假如仅仅运用单一的视频矩阵，那么就必须使用中央控制系统来实现其实现必要的功能，然而如果使用了中央控制系统，那么就必然会扩展项目的进度，使得项目的费用有所提升。如果拥有具备模拟、数字、高精细、明确的视频信号的各种形式的输入视频信号接口，那么在应用中就能够实现不同的视频格式信号的访问，可以满足各种项目以及视频源信号的需求。这个视频矩阵称为混合视频矩阵。与此同时，人们生活水平的不断提升，对于视频要求也在不断提升，原本的视频形式已经无法满足人们的实际需求。在这种情况下高清视频发展成为一种必然趋势。

1 视频矩阵的工作原理

视频矩阵的基本工作原理是将m路视频信号任意输出至n路监看设备上的电子装置。视频切换矩阵的概念是对线性代数概念的引用，从而构成如下图1所示的矩阵结构，并最终达成对视频信号的传输及切换效果。

图1 视频矩阵的基本结构

视频矩阵的基本结构如上图1所示，由IN1、IN2…INm总共m个输入和OUT1、OUT2…OUTn这n个输出组成的一个mxn路的矩阵。

每个输入和全部输出都存在交点。这就表明在这一点上，连接着输入和输出。随着输入/输出的增加，输入/输出间的交叉点数在指数函数上呈现递增趋势。现在，视频矩阵的规模逐渐扩展，输入带宽和输出带宽的要求也在不断提升。同时，视频矩阵的结构设计、电路设计、可靠性设计和放热性能等相关要求都有所提升。

监视的普及和拓展，造成监视点数量和规模逐渐增大，前段照相机的数量以及其它类别监视设备应用越来越广泛实际应用中，大规模的监视系统，前端的照相机可能达到上千个。目前大规模的电视系统通常可以达到256输入或更多的输入。因此，具有更高适应性的视频矩阵正在变得越来越关键。

图2 混合视频矩阵的结构模式图

上图2是混合视频矩阵结构模式示意图，由该图我们能够得知，混合视频矩阵结构涉及到5各组成部分，分别为：输入模块，视频数据切换交换模块，输出模块，控制模块以及电源模块。

2 高清混合视频矩阵功能实现设计

输入部分：

输入部是由输入卡构成的，根据性能需求的不同，输入卡数量由一到多不等。这些输入卡在对视频输入实现解码之后会收集并传送到交换背板。现在，随着技术的发展应用，视频格式解码芯片的中诶非常多，相关的视频格式都能够从市场中直接购置解码芯片来对其进行完成解码，这样能够实现解码的高速化，并且其具有优良的稳定性。在此过程中，需要解码的视频数据会按照既定的流程传输到交换背板。鉴于输入影像的分辨率支持1920×1200，因此为了实时传输这样的大规模数据，那么久需要传输速度高且输入量大的设备元器件。在视频数据传输速度超过3Gb/s的情况下，1920×1200的分辨率是恢复频率为60Hz，所以必须选择能够实时传输视频数据的总线模式。

交换背板部分：该部分最重要的功能就是完成视频数据的复制以及高速开关。输入视频数据可以被映射到输出通道中的任何一个，以消除视频开关以及切换功能。

输出部分：

输出部主要接收从交换背板发送到的视频数据，之后要对其实施有效处理。完成之后要输出为高清分辨率。另外，处理的数据被编码芯片进行编码，然后经由标准的视频电缆将其发送到监视装置完成输出流程。

控制部分：

控制部由两个部分构成，一个是主机计算机的软件控制，该部分主要用在电脑上，使用通信接口开发工具控制设备的软件和控制。另一个是面板控制，该结构主要通过面板按钮和液晶显示器来实现对设备的控制。

3 输入部分FPGA的实现

输入FPGA最为核心的性能就是把接收到的视频数据转化成为统一格式，然后把这些数据传输到系统的交换背板。鉴于输入分辨率为1920×1080，因此这个分辨率的像素时钟达到了160兆。实际工作中，为了实现对这一分辨率数据的实时传输，其传输速度要保持在3Gbit/s以上。因此系统设计中选择使用FPGA的主时钟频率是125MHz。背板的FPGA主要涉及到两大功能。一是实现同步信号的发送；二是对各个背板的电顺序以及时间间隔进行有效控制。背板FPGA的设计以及实现示意图如图3所示。SPI通信总线通过MCU实现寄存器状态读写。

4 背板FPGA的实现

图3 背板FPGA设计实现框图

5 缩放算法的FPGA实现

因为输出视频信号都是高清分辨率视频信号，并且还需要能够调整输出分辨率。有鉴于此，在系统中就必须要选择使用定标算法。现代的补充算法涵盖线性和非线形互补、合理的补充间、表面再构成、适应区域补充等，然而大部分的算法都是集中在硬件上进行实现的，这一过程太过复杂。硬件上一般使用的算法包括互补算法、双线形补充算法、BICBIC补充算法等。最邻近插值实现简单，然而其对图像的处理效果并不好。双线性插值法计算量比最邻近插值比较大，然而处理的图像的轮廓会稍微模糊。这是因为双线插值算法设置了低通滤波器，因此高频成分会损坏。本设计采用了双三次插值算法，但为了改善计算效率而对其实施离散化处理，把实数运算改为整数运算。有效地克服该算法中存在的问题。

6 结束语

综上所述，高清混合视频矩阵的应用对于现代视频行业的发展具有极大的推动作用，加强对其进行研究具有重要意义。