崔 婷

（四川長(zhǎng)虹多媒體產(chǎn)業(yè)公司技術(shù)研發(fā)中心平板顯示技術(shù)研究所 四川 綿陽(yáng) 621000）

1 引言

近年來(lái)，隨著視頻壓縮技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)字高清電視技術(shù)的有效發(fā)展，市場(chǎng)上有關(guān)視頻解碼及處理方面的芯片越來(lái)越多，如264解碼等。值得注意的是，若要充分應(yīng)用此類處理芯片，就需圖像引擎的支持，其在數(shù)字高清電視系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，故強(qiáng)化對(duì)圖像引擎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就顯得尤為重要。

2 圖形引擎系統(tǒng)概述

針對(duì)引擎而言，其主要是指整個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，來(lái)源于機(jī)器工業(yè)領(lǐng)域的一種術(shù)語(yǔ)，在虛擬仿真操作系統(tǒng)里，圖形引擎屬于重要的支撐基礎(chǔ)，比較常見(jiàn)的圖形引擎包括OpenGVS、OSG等，且已逐漸邁入了三維時(shí)代。值得注意的是，由于三維圖形引擎所包含的內(nèi)容具有多樣性，除了涉及專業(yè)知識(shí)，還包括數(shù)學(xué)算法等內(nèi)容，故在進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)時(shí)就存在一定難度?，F(xiàn)階段，以計(jì)算機(jī)為前提，實(shí)現(xiàn)的三維圖形編輯大多是使用OpecCI，但該引擎存在一定不足，即后期開(kāi)發(fā)研究中處理操作場(chǎng)景，抑或是設(shè)計(jì)場(chǎng)景等存在較大難度。另外，OCRE圖形主要面向的是C++編程開(kāi)發(fā)模式，具有靈活性的特點(diǎn)，以O(shè)pencL及Direet3D系統(tǒng)抽象細(xì)節(jié)為前提，且還包含了部分開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，在進(jìn)行三維場(chǎng)景的構(gòu)建時(shí)，可使用少量代碼就可達(dá)到目的。值得注意的是，此引擎采用的程序架構(gòu)可擴(kuò)展，資源管理呈高新?tīng)顟B(tài)，進(jìn)行配置時(shí)靈活性較大，尤其適用于場(chǎng)景類型[1-2]。

OGRE引擎系統(tǒng)是通過(guò)使用C++編程開(kāi)發(fā)的，是一款十分靈活的3D圖形引擎。它抽象了底層Direct3D與OpenGL系統(tǒng)庫(kù)的所有細(xì)節(jié)，并開(kāi)放了基于實(shí)際對(duì)象的接口。開(kāi)發(fā)人員可以用少量代碼就可以實(shí)現(xiàn)3D場(chǎng)景構(gòu)建工作，可以更加方便、直接地開(kāi)發(fā)基于三維硬件設(shè)備中的應(yīng)用程序。

OGRE引擎由于采用了可以拓展的程序架構(gòu)，使其具有高效與高度可配置的資源管理器，支持多種場(chǎng)景類型和高效的插件架構(gòu)，同時(shí)可以使用高效的網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)，并且有著清晰整潔設(shè)計(jì)與更全面文檔的支持。另外，OGRE引擎屬于開(kāi)源引擎，可以做到快速更新，使其功能越來(lái)越強(qiáng)大。它是由麻省理工學(xué)院（MIT）授權(quán)的，使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生授權(quán)費(fèi)用。OGRE引擎在涉及3D圖形渲染的模擬和游戲中具有廣闊的應(yīng)用前景。

整個(gè)3D場(chǎng)景的入口點(diǎn)也就是根節(jié)點(diǎn)，它必須最先創(chuàng)建，然后最后發(fā)布，它的作用是配置系統(tǒng)中其他對(duì)象。設(shè)置場(chǎng)景的渲染屬性并執(zhí)行渲染操作，由渲染系統(tǒng)完成。場(chǎng)景管理器負(fù)責(zé)管理組織場(chǎng)景，生成和管理元素，包括燈光、攝像機(jī)、場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)、實(shí)體和材質(zhì)等。攝像機(jī)作用是觀察創(chuàng)建渲染后場(chǎng)景，并且可以通過(guò)視口將渲染后場(chǎng)景顯示到屏幕。燈光作用是為場(chǎng)景提供照明，其包括聚光源、有向光源、點(diǎn)光源。實(shí)體通常由網(wǎng)格創(chuàng)建，屬于場(chǎng)景中的幾何。材質(zhì)屬于場(chǎng)景中幾何圖形的表面屬性。它不僅支持從圖像文件的多種格式加載紋理，并且可以具有足夠的紋理層，每層紋理都支持多種渲染特殊效果，更可以支持動(dòng)畫紋理。場(chǎng)景管理器通過(guò)使用“場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)”來(lái)識(shí)別實(shí)體、燈光、攝像機(jī)和其他元素的方向和位置。OGRE場(chǎng)景其組織的原理通過(guò)將場(chǎng)景劃分成多個(gè)抽象空間，這些抽象空間可以繼續(xù)分為多個(gè)子空間，而每個(gè)子空間都用一個(gè)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)管理。比如：實(shí)體和燈光之類的場(chǎng)景元素并不負(fù)責(zé)空間位置的相關(guān)行為，所有行為都移交給了場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)管理。OGRE依據(jù)空間的劃分和層次把大量的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，以此來(lái)完成整個(gè)場(chǎng)景的有序組織管理[3-4]。

3 標(biāo)清和數(shù)字高清電視圖形引擎系統(tǒng)的特點(diǎn)比較

3.1 標(biāo)清電視的圖形引擎系統(tǒng)特點(diǎn)

由于標(biāo)清電視使用的是早期的圖形引擎，早期的圖形引擎系統(tǒng)功能比較單一，所支持的內(nèi)容也相對(duì)有限，所以只能處理單一畫面或混合顯示，并不能對(duì)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行處理；其對(duì)色彩方面的處理也非常有限和單調(diào)，只支持8色、16色、32色3種類型。圖像分辨率無(wú)法支持高清格式，只有一般720×480顯示格式。另外，標(biāo)清電視顯示的時(shí)候只能隔行顯示，這就導(dǎo)致顯示需求高的時(shí)候，CPU就要中斷響應(yīng)，使系統(tǒng)效率降低。

3.2 數(shù)字高清電視的圖形引擎系統(tǒng)特點(diǎn)

數(shù)字高清電視在標(biāo)清電視的基礎(chǔ)上有了巨大進(jìn)步，可以支持所有像素的操作，并支持動(dòng)態(tài)圖形，內(nèi)容豐富且無(wú)限制，在分辨率上也有大的改善，可以支持1920×1080格式。在顯示上支持隔行和逐行顯示，從而CPU效率的運(yùn)用也有了很大的提高?；诖?，就數(shù)字高清電視的圖形引擎系統(tǒng)對(duì)比標(biāo)清電視的圖形引擎系統(tǒng)，所有功能上都有了極大的進(jìn)步和改善。

4 數(shù)字高清電視系統(tǒng)集中式圖像引擎的主要設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)整體的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)

數(shù)字高清電視系統(tǒng)圖像引擎的組成部分包含BLT及CDU，前者的功能主要體現(xiàn)于對(duì)圖形、圖像的各種編輯操作，后者則可實(shí)現(xiàn)圖像的顯示，也能對(duì)圖形進(jìn)行處理及混合圖形前的整合。此系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)架構(gòu)主要以Host IF相關(guān)寄存器為前提，通過(guò)相應(yīng)操作指令及地址的提供，由系統(tǒng)總線讀取一些信息后，再經(jīng)BLT、CDU模塊處理，以達(dá)到順利輸出信號(hào)的目的。

4.2 對(duì)于BLT圖形的引擎核心處理模塊設(shè)計(jì)

通常來(lái)講，該模塊是系統(tǒng)處理部分的核心，可以實(shí)現(xiàn)矩形切割，邏輯運(yùn)算、雙圖源操作等，加之CDU相關(guān)功能可促進(jìn)整體圖形引擎操作功能的提高，故在一定程度上擴(kuò)大了適用范圍。在處理圖形源1、2的數(shù)據(jù)時(shí)，BLT支持格式較多，包含了8bpp、32bpp、YCbCr格式等，但必須注意32bpp和YCbCr格式是需要對(duì)應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)。另外，BLT模塊還可以同時(shí)操作處理兩幅圖，這歸因于內(nèi)部算數(shù)邏輯運(yùn)算單元，其可以支持對(duì)兩個(gè)圖像源執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算、包含運(yùn)算、非運(yùn)算等，并且可以將兩個(gè)圖像彼此集成。該模塊也可以以透明效果覆蓋或顯示[5]。

對(duì)于彩色鍵功能模塊，其主要功能是對(duì)某些像素進(jìn)行操作，通常是處理特定范圍內(nèi)的像素。當(dāng)它停留在特定的像素范圍內(nèi)時(shí)，可以有選擇地提取或替換它。此功能主要基于色度功能，并且對(duì)于提取圖形中的特定對(duì)象效果尤為明顯。另外，關(guān)于矩形切割模塊功能，可以在主要圖形中隨意選擇矩形區(qū)域進(jìn)行操作，且對(duì)于一系列點(diǎn)或直線也可以進(jìn)行操縱，特別是對(duì)于像素點(diǎn)集中在二維圖形處理方面，Color Key模塊可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。當(dāng)模塊充滿顏色時(shí)，將替換由圖像源2生成的連續(xù)固定顏色值。此時(shí)，可以基于矩形裁剪功能來(lái)填充單色像素。

4.3 CDU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分

CDU結(jié)構(gòu)的功能主要體現(xiàn)在對(duì)一層視頻層及三層圖形層進(jìn)行疊加操作處理，通過(guò)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形層的提取，并在視頻處理模塊中獲得視頻層。需要注意疊加操作主要的順序是視頻層、圖層第1層、第2層和第3層。視頻層模式輸入常以隔行或逐行輸入，通常格式為YCbCr4:2:2。第1層和第2層圖層的顯示分辨率為1920×1080，都具有放大2倍的功能。此時(shí)，圖形層3的分辨率顯示為32×32，功能主要為光標(biāo)層。圖層間的混合通常使用BLT中的ɑ混合模式混合，首先將圖層1與視頻層進(jìn)行混合，混合后與圖層2進(jìn)行混合，最后再與圖層3進(jìn)行混合，就可以獲得覆蓋或者是半透明等不同的差異效果。數(shù)字高清電視系統(tǒng)中圖像引擎系統(tǒng)的亮點(diǎn)是在CDU中的兩個(gè)放大模塊，其內(nèi)部使用更加先進(jìn)的邊緣檢測(cè)插值算法，能夠插值處理亮度、色度兩方面的信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形邊緣特性的保護(hù)[6-7]。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)解析

通常來(lái)講，數(shù)字高清電視系統(tǒng)的集中式圖像引擎是以HDTV源SoC平臺(tái)作為支點(diǎn)，主要是通過(guò)視頻處理的SoC芯片和利用高清電視系統(tǒng)MPEG-2解碼實(shí)現(xiàn)。在HDTV SoC系統(tǒng)的前提下，主要包含了CPU、系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)控制、視頻處理等。MEPG-2作用是對(duì)整個(gè)電視信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，然后在圖形引擎模塊和3層圖形層中完成合成并輸出。對(duì)于芯片系統(tǒng)型號(hào)類型，主要包含了控制及數(shù)據(jù)信號(hào)，均需通過(guò)MPEG-2的解碼，CPU的主要功能是發(fā)出控制信號(hào)，之后通過(guò)系統(tǒng)總線寫到具有音頻解碼功能的Host IF寄存器上，其接收的數(shù)據(jù)信號(hào)在通過(guò)系統(tǒng)總線存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，達(dá)到SDRAM，之后與圖形層同時(shí)被輸出[8]。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于數(shù)字電視系統(tǒng)集中圖像引擎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)講，其主要集成在HDTV SoC芯片的內(nèi)部，在處理圖形層方面充分發(fā)揮著協(xié)助作用，與視頻層合成后，就可以系統(tǒng)的形式達(dá)到輸出的目的，在進(jìn)一步分析了圖形引擎硬件結(jié)果后，具體的參數(shù)經(jīng)過(guò)了BLT、CDU模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了HDTV SoC系統(tǒng)的圖形層支持功能提供。