數字化手術室多路hd-sdi視頻合成系統的設計

隨著信息技術和現代醫學的快速發展，醫院數字計算機化程度日益高。在現代醫療中，醫生應該使用視頻顯示進行手術，這對于在數字醫療中顯示高分辨率視頻非常重要。此外,數字化手術室不僅具有對患者進行手術治療的功能,還應滿足手術教學觀摩、學術交流及遠程醫療等諸多新型應用的需求,這就對數字化手術室內的視頻圖像質量和多路視頻信號的處理和顯示技術提出了更高的要求,以達到高質量、全方位、多角度的視頻獲取和觀看效果。1根據手術患者情況多合一顯示視頻信號在手術室內部安裝專用攝像頭、錄像設備等可以獲取手術室內的動態圖像,對手術過程進行實時記錄、監控、轉播和存儲,以便進行臨床手術示教并在術后對影像資料進行學術探討,手術室視頻系統提升了手術室的功能和效率,也使得手術質量得到提高。目前,很多醫院都開發或者引進了臨床手術示教系統,但現有的系統普遍存在一些設計缺陷和技術問題,最為突出的如手術視頻清晰度低、圖像失真嚴重、色彩還原能力弱、圖像質量不高等問題,并且傳統的顯示系統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室內的各種圖像信息,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,可以對手術室內的多路高清視頻信號進行處理,實現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字接口,數字視頻接口是非線性編輯系統中數字信號輸入和輸出的通道,對視頻質量的好壞有直接的影響。HD-SDI標準由SMPTE(電影電視工程師協會)制定,HD-SDI能夠以簡單、低成本的方式傳送高速率的高清數字視頻信號,在當今的廣播和視頻產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,在視頻信號消隱區間里還有其他的信息(1)EAV/SAV:定時基準碼,有效數據的起始和結束標志(樣址:1920~1923,2636~2639);(2)LN:行數信息(樣址:1924~1925);(3)CRC:冗余校正碼(樣址:1926~1927),檢查亮度信號、色差信號的數據錯誤;3核心數據處理數字視頻處理過程中涉及到大量的數據傳輸和交換。其核心數據處理單元與片內數據緩沖區,以及內存控制器與片外存儲芯片之間的數據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視頻數據解碼及誤碼檢測為實現對視頻數據的編輯處理,需要將串行數字信號轉換為并行數據。由于高清數字視頻信號傳輸速率較高,數據量較大,對傳輸質量要求嚴格,因此本設計在FPGA內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量。系統選用Xilinx公司的高性能FPGA芯片XC6VLX240T作為核心芯片。其內部集成24個高速串行收發器(GTX),能以480Mb/s~6.6Gb/s的數據速率運行,可以實現靈活編碼,占用很少的FPGA邏輯資源,非常適合實現HD-SDI信號的接受和發射,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,數據時序圖見圖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的誤碼,包括視頻標準檢測、循環冗余碼檢測、時鐘基準誤碼檢測、鎖定誤碼檢測、輔助數據效驗檢測HD信號行數誤碼檢測及對應的糾正。最后將2路10bit的并行信號傳輸到下一模塊進行處理,完成HD-SDI數據流的解串。3.3奇偶場pi的形成每幀視頻信號中并非都是有效數據,因此在對數據進行存儲時要將有效視頻信號分離出來。對于HD-SDI,每行有效信號數據起始端有定時基準碼SAV,結束端有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的狀態取決于F、V、H的狀態,其比特分配見表1。F為0表示奇數場,1表示偶數場,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據才是有效的視頻數據,要將其分離出來,構造一個檢測電路,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,然后存儲下一位數據XYZ,由表1可知,區分SAV和EAV是根據XYZ3.4外部數據讀取以四畫面合成為例,將四路1920×1080格式的高清視頻數據合成一路,每一路視頻畫面的有效像素點變換為原始數據的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。考慮到系統可實現對單路信號的切換顯示,應對每路視頻信號的全部有效數據進行存儲,在數據合成時,對數據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,四路信號各進行一次數據的寫入操作,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。數據的寫入操作按照每一路信號規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根據畫面合成模式要求,對每路數據進行隔點和隔行讀取,進行組合,構成1920×1080個有效像素數據。合成視頻的有效數據的前540行由第一、第二路數據構成,后540行由第三、第四路數據構成。第一行數據前面960個像素數據由第一路A由于數據量較大,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、突發長度、引腳分配等關鍵參數,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,方便實現視頻數據的存儲和重構。3.5并串轉換電路通過數據的緩存和重構,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內部的高速串行收發器GTX的發送器部分,并輸入參考時鐘頻率,通過對GTX發送器的控制,將輸入的20bit并行信號轉換成串行信號,完成YC的復合處理。3.6高清分量信號的輸出重構數據要滿足高清HD-SDI并行分量信號所要求的格式輸出,則要在信號中構造高清分量信號中的視頻定時基準碼SAV、EAV,行消隱數據、場消隱數據,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動器模塊,采用National的電纜驅動器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量。4數字視頻監控系統如圖4所示本設計是針對手術室內的多路HD-SDI信號進行的處理變換,對各路高清視頻