CN103516998A - 一种面向模拟视频的台标叠加方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向模拟视频的台标叠加方法，该方法使用的装置包括一片DSP主处理器、一片A/D芯片、一片D/A芯片、一片系统控制芯片CPLD和串口RS-232及相应软件；待处理的模拟视频信号首先进入A/D芯片，经过模数转换后进入DSP处理；如果DSP处理器检测到串口RS-232传入叠加台标命令，则对采集到的视频进行叠加台标操作后输出，反之，将采集到的视频不做任何处理而直接输出；叠加的台标需要进行预处理，将RGB格式的图片通过抠Alpha通道后再转换成YUVA的格式，然后采用叠加方法进行叠加操作；通过端口直连的方式将处理后的数据从DSP处理器传送到D/A芯片进行数模转换后输出。本发明通过设计硬件电路和相应的软件实现对以复合视频（CVBS）格式输入的模拟视频叠加台标处理，此外，该装置相对独立，且控制简单，具有很好的实用价值。

Description

一种面向模拟视频的台标叠加方法

技术领域

本发明属于视频处理技术领域，特别涉及一种面向模拟视频的台标叠加方法。

背景技术

台标作为一种标识，在广播电视行业应用非常广泛，在丰富多样的电视节目中，台标不仅可以标识电视节目的版权，而且可以向观众显而易见的传达出电视节目内容的侧重方向，因此，它在实际应用中扮演着极其重要的角色。

随着视频技术的发展，视频处理广泛应用于侦察监视、安防监控和航空测绘等领域，特别是各种远程监控系统发挥着越来越重要的作用。在错综复杂的视频源中，如何直观的标识视频的来源及版权成为应用中需要解决的一个现实问题。根据当前的技术及工程实践显示，借鉴广播电视行业中的方式，用台标来解决这个问题，是一种简单且有效的解决途径。

然而，与广电行业不同的是在安防监控领域的视频采集摄像机多种多样，档次参差不齐，不能要求这些摄像机都具备台标叠加功能。因此为了满足采集摄像机的通用性和多样性，可以对采集并编码后的数字视频进行叠加台标处理。这种情况下，首先需要将编码后的视频码流进行相应的解码，然后再对解码后的视频叠加台标，最后再重新编码，接着做下一步传输或存储。这样台标的叠加与前端使用什么样的摄像机采集无关，但缺点是不能从视频源头进行标识，并且多次的编解码处理会造成视频质量不同程度的损失。为了解决这个问题，分析目前市场上的视频摄像机，绝大部分的输出格式都是模拟视频，所以针对这种应用特点，有必要发明一种面向模拟视频的台标叠加装置，该装置应具备独立性和高效性的特点，可以不受采集摄像机的影响而独立完成台标叠加功能，又可以进行实时处理，使台标图片与原始视频融为一体。这样既从视频源头标识了其来源和版权，又可以尽量减少视频质量损失。

发明内容

针对需要解决的问题，本发明的目的是设计一种面向模拟视频的台标叠加方法，该方法控制简单、实用，通过硬件电路和相应的软件算法来实现对以模拟复合视频（CVBS）格式输入的模拟视频进行叠加台标处理，以标识视频源的来源和版权，同时又不损失视频的视觉质量。该装置由数字信号处理器（以下简称为DSP）作为主处理器的模拟视频台标叠加装置，该装置可以为一路模拟视频实时叠加特定的台标，使台标与视频融为一体，以标识视频的来源和版权。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：一种面向模拟视频的台标叠加方法，实现对一路模拟视频叠加台标处理，该方法利用的装置包括一片DSP处理器、一片A/D芯片、一片D/A芯片、一片系统控制芯片CPLD和串口RS-232及相应软件；待处理的模拟视频信号首先进入A/D芯片，经过模数转换后进入DSP处理；如果DSP处理器检测到串口RS-232传入叠加台标命令，则对采集到的视频进行叠加台标操作后输出，反之，将采集到的视频不做任何处理而直接输出；叠加的台标需要进行预处理，将RGB格式的图片通过抠Alpha通道后再转换成YUVA的格式，然后采用叠加方法进行叠加操作；通过端口直连的方式将处理后的数据从DSP处理器传送到D/A芯片进行数模转换后输出，进一步的该方法的具体步骤如下：

步骤（1）、对台标图片预处理，将RGB格式的图片经抠Alpha通道后转换成YUVA格式；

步骤（2）、待处理的模拟视频信号经过A/D芯片转换成数字信号，通过Video Port端口进入DSP处理器；

步骤（3）、当系统检测RS-232串口输入为叠加台标命令时进行台标叠加处理；其中，所述叠加台标处理，对进入DSP处理器的数字视频与台标图片叠加时采用的方法为：

Y'(x,y)＝L(x,y)×α+Y(x,y)×(1-α)，

其中(x,y)是像素点的位置，Y'(x,y)是叠加台标后视频像素的值，L(x,y)和Y(x,y)分别是台标图片像素点的值和未叠加台标的视频像素点的值，α为叠加系数：

α＝A/256  （0≤α≤1），

其中A为对应像素的Alpha通道的值；

步骤（4）、将处理后的数据通过Video Port端口传输到D/A芯片，经转换成模拟信号后输出。

其中，所述DSP处理器为具有Video Port端口和DMA控制器的数字信号处理器。

其中，所述台标图片预处理，首先将RGB三种颜色通道表示的台标图片中的图像进行抠Alpha通道处理（例如可以采用Photoshop工具完成），转换成RGBA四种通道表示的图片，其中Alpha通道表示台标图片中每个像素的透明度，然后将RGBA中的RGB三种颜色通道转成YUV表示，保持Alpha通道不变，得到YUVA格式存储。

其中，所述模拟视频信号为复合视频（CVBS）格式。

其中，所述检测RS-232串口输入命令，当装置处于工作状态时，实时检测从RS-232串口输入的命令，当命令为叠加台标时，将输入DSP处理器的视频实施台标叠加处理，当命令为不叠加台标时，则对输入DSP处理器的视频不做任何处理，直接通过video port口输出到D/A芯片。

本发明的原理在于：

本发明一种面向模拟视频的台标叠加方法，该方法使用装置包括一片DSP主处理器、一片A/D芯片、一片D/A芯片、一片系统控制芯片CPLD和串口RS-232及相应软件；待处理的模拟视频信号首先进入A/D芯片，经过模数转换后进入DSP处理；如果DSP处理器检测到串口RS-232传入叠加台标命令，则对采集到的视频进行叠加台标操作后输出，反之，将采集到的视频不做任何处理而直接输出；叠加的台标需要进行预处理，将RGB格式的图片通过抠Alpha通道后再转换成YUVA的格式，然后采用叠加方法进行叠加操作；通过端口直连的方式将处理后的数据从DSP处理器传送到D/A芯片进行数模转换后输出。本发明通过设计硬件电路和相应的软件实现对以复合视频（CVBS）格式输入的模拟视频叠加台标处理，此外，该装置相对独立，且控制简单，具有很好的实用价值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明所提供的模拟视频台标叠加装置通过对台标图片预处理以及视频处理电路的合理设计，在保证视频质量的同时，为视频叠加清晰的台标，以标识视频的来源及版权。此外，简单的流程设计具有很强的实用性。

2、本发明所提供的台标叠加方法在叠加台标时充分利用Alpha通道表示图像中的透明度信息，将像素透明度作为叠加权重，使台标边缘与原视频之间过渡自然，融为一体。

3、本发明所提供的台标叠加方法处理速度快，分辨率为720×576的视频每秒可处理120帧，完全满足实时性的要求，并且通用性强，可方便的推广到高清视频的应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是SAA7115与DM642信号连接示意图；

图3是DM642与SAA7129信号连接示意图；

图4是RS-232串口与DM642通信电路连接示意图；

图5是台标图片预处理流程示意图；

图6是视频叠加台标处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

一种面向模拟视频的台标叠加方法，该方法使用的装置主要由一片DSP主处理器、一片A/D芯片、一片D/A芯片、一片系统控制芯片CPLD和串口RS-232及相应软件算法组成。其特征在于包括如下的步骤：

（1）待处理的视频数据以复合视频（CVBS）格式首先通过BNC端口进入到A/D芯片，在A/D芯片上进行视频的模数转换，将模拟视频转成数字视频；

（2）通过Video Port端口直连的方式将处理后的数据传送到DSP主处理器上进行视频台标叠加处理；

（3）上述DSP主处理器处理后的视频数据通过Video Port端口传送到D/A芯片进行数模转换处理，将数字视频转为模拟视频后以复合视频（CVBS）格式通过BNC端口输出。

其中所述DSP主处理器为具有Video Port端口和DMA控制器的DSP；系统控制芯片为CPLD；串口RS-232用于接收上位机发送的复位信号和台标是否叠加命令，然后通过系统控制芯片(CPLD)解析后传入DSP主处理器进行状态控制。

所述DSP的片内存储空间被划分为多个单元，在DSP内直接使用片内存储空间中的各单元对所述视频进行处理和存储。

具体而言，所述DSP的片内存储空间至少划分为以下四个单元：

代码单元：用于存放代码和程序运行空间；

数据存储单元：用于存放视频叠加台标处理过程中的中间数据；

采集单元：用于存放采集到视频数据；

输出单元：用于存放叠加台标后用于输出的视频数据。

所述视频在DSP主处理器的片内存储空间中的处理过程包括如下步骤：

（1′）判断是否需要叠加台标，若不需要，则通过EDMA将采集缓冲区视频数据传到显示缓冲区输出；若需要，则执行步骤（2′）；

（2′）将当前采集缓冲区的视频帧中需要叠加台标区域的YUV分量分别与台标的YUV分量相叠加，然后将叠加台标后的视频通过EDMA传到显示缓冲区输出；

其中所述步骤（2′）的台标是经过预先处理的，首先将作为台标的RGB图片通过抠Alpha通道保存为32位RGBA格式，然后再将RGBA格式的图转为YUV格式，保留Alpha通道，存储为YUVA格式，作为待叠加的台标图片数据。

本发明中涉及到的视频图像处理包括模数转换、数模转换、抠Alpha通道等。下面分别简单说明如下：

（1）模数转换：将模拟视频转换成数字视频，方便于处理。

（2）数模转换：将处理后的数字视频转为模拟视频。

（3）Alpha通道：采用8位二进制数存储于图像文件中，用于代表各个像素点透明度的附加信息。例如，一个RGB颜色模型表示由红、绿、蓝三个色彩信息通道合成的，每个通道用了8位色彩深度，共计24位，包含了所有彩色信息，这就是我们常说的真彩色。为实现图形的透明效果，采取在图形文件的处理与存储中附加上一个通道，该通道也采用8位表示，这个附加的通道用来代表图形中各个像素点透明度的信息就叫做Alpha通道。

在实际进行视频台标叠加时，特别是作为一个相对独立的操作在实时处理条件下，首先必须在保证不损失源视频的质量和实时性的同时，还具有清晰的台标叠加效果，本发明通过对台标图片预处理以及视频处理电路的合理设计，很好的满足了上述的要求。

作为一个具体操作的例子，用于实施本发明的DSP主处理器选用TI公司的一片TMS320DM642，A/D和D/A芯片选用飞利浦的SAA7115和SAA7129,其中TMS320DM642具有视频端口（Video Port，简称VP口）、内置DMA控制器，具有256KB大小的片内RAM，处理速度可达到4800MIPS。

下面，分别从视频的处理流程和台标叠加方法两方面结合附图进行具体的说明。

一、视频处理流程

鉴于数字视频比模拟视频方便处理，因此在保证视频质量的前提下，可将模拟视频数字化后再进行相应处理。此外，尽可能选择控制简单，方便实用的模式设计。

本发明以一片TMS320DM642作为主处理器，负责视频台标的叠加操作。经过模数转换后的数字视频数据流（格式为YUV4:2:2）首先进入DM642；然后检查是否有串口发送的叠加台标命令，如果叠加台标，则把预处理后的台标叠加到视频的特定位置，将处理后的视频数据EDMA输出，否则，直接将采集到的视频数据EDMA输出；最后，经过数模转换后输出。如图6所示为视频叠加台标处理流程示意图。

在图1所示的处理系统中，具体的数据通信设计方案说明如下：

①视频数据进入DM642的方式：A/D芯片采用Philips公司的SAA7115,用DM642的VP口实现与SAA7115的数据通信，VP口选用DM642的VP0口。其信号连接图如图2所示，SAA7115将模数转换后的数据通过VP0[0:7]输出到DM642VP口A通道的[2:9]，LLC作为同步数据输出时钟连接到VP0CLK0，VP0CTL0作为A通道选通信号，拉高即可。根据IIC协议规定，SAA7115需要拥有唯一的硬件地址作为DM642的寻址地址，它通过RTS0管脚决定，默认为下拉，其硬件地址为0x4A（写地址）和0x4B（读地址）。

②视频数据输出的方式：D/A芯片采用Philips公司的SAA7129,用DM642的VP口直连SAA7129的方式输出视频数据。由于DM642的VP0口已被采集视频占用，采用DM642的VP1口和SAA7129进行直连。将DM642的VP1配置为显示模式，采集并处理后的数据从DM642VP1口A通道的[2:9]通过SAA7129的VP0[0:7]输出到SAA7129进行数模转换；在DM642上，将VP1CLK0外接27M时钟（SAA7115时钟），VP1CLK1为输出管脚，没有用到，将其悬空。其信号连接图如图3所示。

③接收RS-232串口命令的方式：DM642自身没有串口控制器，所以在本发明中通过MAX3221芯片和CPLD扩展出一个串口连接电路。其信号连接图如图4所示。上位机连接RS-232接口，发送的命令通过串口芯片MAX3221传入CPLD内进行解析，如果解析出来是叠加台标命令，则将GPIO5置为高电平，DM642检测到高电平后立即对采集到的视频进行叠加台标操作，否则，将GPIO5置为低电平，DM642对采集到的视频不叠加台标而直接输出。

二、台标叠加方法

所述叠加台标，为了使台标与视频叠加后达到融为一体的效果，需要满足如下三点：

（1）台标图片中显示字或图的像素以不透明方式显示；

（2）台标图片的背景像素以透明方式显示；

（3）台标图片中字或图与图片背景交界处的像素（即处于过渡位置的像素），根据其所处位置的不同而以不同程度的半透明方式显示。

鉴于上述三点要求，本发明首先将用作台标的图片进行预处理，其处理流程示意图如图5所示。具体操作步骤如下：

①将RGB三种颜色通道表示的台标图片通过Photoshop工具对其中的图像抠Alpha通道处理，转换成RGBA四种通道表示的图片，其中Alpha通道表示台标图片中每个像素的透明度。

②为便于叠加处理，将RGBA中的RGB三种颜色通道进行亮度和色度信息分离，转换为YUV格式表示，保持Alpha通道不变，得到YUVA格式存储。

对步骤②中的RGB转YUV的过程根据ITU-R BT.601定义可知，当RGB三种色彩分别采用8bit表示，取值为0～255时，由RGB转换到YUV可采用公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}Y=16+0.257R+0.504G+0.098B\\ \mathrm{Cb}=128-0.148R-0.291G+0.439B\\ \mathrm{Cr}=128+0.439R-0.368G-0.071B\end{array}\right.---\left(1\right)$

由式（1）可以知转换过程涉及浮点数乘法运算，为了降低运算复杂度，提高计算效率，本发明对其进行了改进处理，首先将浮点数通过移位操作进行定点化处理，为了降低损失误差，本发明采用向右移14位实现定点化扩展，最终结果再左移14位恢复，得到公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}Y=(4211R+8258G+1606B)>>14+16\\ \mathrm{Cb}=(-2425R-4768G+7193B)>>14+128\\ \mathrm{Cr}=(7193R-6324G-1163B)>>14+128\end{array}\right.---\left(2\right)$

然后将乘法运算转为查表实现，具体查表方法过程如下：

首先每一个乘法运算均可以假设为

F＝XA    （3）

式（3）中X为一个位宽是8bit的二进制数，A为一个位宽是14bit的二进制常数，F为乘积，当结果不做截断处理时，F的位宽为22bit。

式（3）可分解为：

$\begin{array}{c}F=(X_4\·2^6+X_3\·2^4+X_2\·2^2+X_1)A\\ =X_{4}A\·2^6+X_{3}A\·2^4+X_{2}A\·2^2+X_{1}A\\ =\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{n}A\·2^{2n-2}\end{array}---\left(4\right)$

其中X_n为位宽是2bit的二进制数，因此根据X_n的取值不同可以构建查找表如表1所示。

表1乘法运算中的查找表

Xn(n=1、2、3、4)	XnA·22n-2
		00	0
01	A·22n-2
		10	2A·22n-2
11	3A·22n-2

在RGB转YUV过程中，进行乘法运算时，根据输入的数值按照式（4）进行分解处理后，通过查找表1后相加即可。这样将乘法运算转换成加法运算，大大降低了运算复杂度，提高了计算效率。

对于上述预处理后的台标图片存入本发明装置的存储器内，当需要叠加时，将特定位置的视频与台标图片进行叠加，其叠加方法如下：

Y'(x,y)＝L(x,y)×α+Y(x,y)×(1-α)，

其中，Y'(x,y)是叠加后的视频值；(x,y)是像素点的位置；L(x,y)和Y(x,y)分别是台标图片像素点的值和未叠加台标的视频像素点的值；α为叠加系数：

α＝A/256（0≤α≤1），

其中A为对应像素的Alpha通道的值。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

以上对本发明所提供的模拟视频台标叠加装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (5)

1.一种面向模拟视频的台标叠加方法，实现对一路模拟视频叠加台标处理，其特征在于：该方法利用的装置包括一片DSP处理器、一片A/D芯片、一片D/A芯片、一片系统控制芯片CPLD和串口RS-232及相应软件；待处理的模拟视频信号首先进入A/D芯片，经过模数转换后进入DSP处理；如果DSP处理器检测到串口RS-232传入叠加台标命令，则对采集到的视频进行叠加台标操作后输出，反之，将采集到的视频不做任何处理而直接输出；叠加的台标需要进行预处理，将RGB格式的图片通过抠Alpha通道后再转换成YUVA的格式，然后采用叠加方法进行叠加操作；通过端口直连的方式将处理后的数据从DSP处理器传送到D/A芯片进行数模转换后输出，进一步的该方法的具体步骤如下：

步骤（1）、对台标图片预处理，将RGB格式的图片经抠Alpha通道后转换成YUVA格式；

步骤（2）、待处理的模拟视频信号经过A/D芯片转换成数字信号，通过Video Port端口进入DSP处理器；

步骤（3）、当系统检测RS-232串口输入为叠加台标命令时进行台标叠加处理；其中，所述叠加台标处理，对进入DSP处理器的数字视频与台标图片叠加时采用的方法为：

Y'(x,y)＝L(x,y)×α+Y(x,y)×(1-α)，

其中(x,y)是像素点的位置，Y'(x,y)是叠加台标后视频像素的值，L(x,y)和Y(x,y)分别是台标图片像素点的值和未叠加台标的视频像素点的值，α为叠加系数：

α＝A/256  （0≤α≤1），

其中A为对应像素的Alpha通道的值；

步骤（4）、将处理后的数据通过Video Port端口传输到D/A芯片，经转换成模拟信号后输出。

2.如权利要求1所述的一种面向模拟视频的台标叠加方法，其特征在于：所述DSP处理器为具有Video Port端口和DMA控制器的数字信号处理器。

3.如权利要求1所述的一种面向模拟视频的台标叠加方法，其特征在于：所述台标图片预处理，首先将RGB三种颜色通道表示的台标图片中的图像进行抠Alpha通道处理，转换成RGBA四种通道表示的图片，其中Alpha通道表示台标图片中每个像素的透明度，然后将RGBA中的RGB三种颜色通道转成YUV表示，保持Alpha通道不变，得到YUVA格式存储。

4.如权利要求1所述的一种面向模拟视频的台标叠加方法，其特征在于：所述模拟视频信号为复合视频（CVBS）格式。

5.如权利要求1所述的一种面向模拟视频的台标叠加方法，其特征在于：所述检测RS-232串口输入命令，当装置处于工作状态时，实时检测从RS-232串口输入的命令，当命令为叠加台标时，将输入DSP处理器的视频实施台标叠加处理，当命令为不叠加台标时，则对输入DSP处理器的视频不做任何处理，直接通过video port口输出到D/A芯片。

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