Zynq系列FPGA实现SDI视频编解码+多路视频融合叠加，基于GTX高速接口，提供2套工程源码和技术支持

1、前言

目前FPGA实现SDI视频编解码有两种方案：一是使用专用编解码芯片，比如典型的接收器GS2971，发送器GS2972，优点是简单，比如GS2971接收器直接将SDI解码为并行的YCrCb422，GS2972发送器直接将并行的YCrCb422编码为SDI视频，缺点是成本较高，可以百度一下GS2971和GS2972的价格；另一种方案是使用FPGA逻辑资源部实现SDI编解码，利用Xilinx系列FPGA的GTP/GTX资源实现解串，利用Xilinx系列FPGA的SMPTE SDI资源实现SDI编解码，优点是合理利用了FPGA资源，GTP/GTX资源不用白不用，缺点是操作难度大一些，对FPGA开发者的技术水平要求较高。有意思的是，这两种方案在本博这里都有对应的解决方案，包括硬件的FPGA开发板、工程源码等等。

工程概述

本设计基于Zynq系列的Zynq7100 FPGA开发板实现SDI视频编解码+图像缩放+多路视频拼接，输入源有两个，一个是3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，也可以使用HD-SDI或者SD-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；另一个HDMI转3G-SDI盒子，盒子外接笔记本电脑以模拟SDI相机；两路输入SDI视频通过同轴线连接到FPGA开发板的BNC座子，然后同轴视频经过板载的Gv8601a芯片实现单端转差分和均衡EQ的功能；然后差分SDI视频信号进入FPGA内部的GTX高速资源，实现数据高速串行到并行的转换，本博称之为解串；解串后的并行视频再送入Xilinx系列FPGA特有的SMPTE SD/HD/3G SDI IP核，进行SDI视频解码操作并输出BT1120视频，至此，SDI视频解码操作已经完成，可以进行常规的图像处理操作了；

本设计的目的是做图像缩放+多路视频融合叠加后输出解码的SDI视频，针对目前市面上的主流项目需求，本博设计了两种输出方式，一种是HDMI输出，另一种是3G-SDI输出，这两种方式都需要对解码BT1120视频进行转RGB和图像缓存操作操作；本设计使用BT1120转RGB模块实现视频格式转换；使用2路Xilinx官方的VDMA图像缓存架构实现图像缓存，缓存介质为板载的PS端DDR3；第1路SDI视频通过VDMA写入DDR后再读出送视频融合叠加模块，第2路SDI视频通过VDMA写入DDR后不读出，而是通过视频融合叠加模块从DDR3中读出，至此，2路视频均已进入视频融合叠加模块，再做融合叠加处理；然后进入HDMI发送模块输出HDMI显示器，这是HDMI输出方式；或者经过RGB转BT1120模块实现视频格式转换，然后视频进入SMPTE SD/HD/3G SDI IP核，进行SDI视频编码操作并输出SDI视频，再经过FPGA内部的GTX高速资源，实现并行数据到高速串行的转换，本博称之为串化，差分高速信号再进入板载的Gv8500芯片实现差分转单端和驱动增强的功能，SDI视频通过FPGA开发板的BNC座子输出，通过同轴线连接到SDI转HDMI盒子连接到HDMI显示器，这是SDI输出方式；本博客提供2套工程源码，具体如下：

现对上述2套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为Xilinx–>Xilinx-Zynq7100–xc7z100ffg900-2；输入源有两个，一个是3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，另一个HDMI转3G-SDI盒子，盒子外接笔记本电脑以模拟SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz；两路输入视频经过板载的2个Gv8601a芯片实现单端转差分和均衡EQ后送入FPGA；再经过2路GTX将SDI视频解串为并行数据；再经过2路SMPTE SDI IP核将SDI解码为2路BT1120数据；再经过2路BT1120转RGB模块将BT1120转换为RGB888视频；再经过2路Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现RGB888数据到AXI4-Stream数据流转换；再经过2路Xilinx官方的VDMA图像缓存方案将视频写入PS侧DDR3缓存；然后自研的基于HLS实现的多路视频融合叠加 IP核实现2路视频融合叠加操作；再进入Xilinx官方的AXI4-Stream To Video Out IP核实现AXI4-Stream视频流到Native视频流的转换；然后将融合叠加视频送入RGB转HDMI模块，将RGB888视频转换为HDMI视频，输出分辨率为1920x1080@60Hz，详细显示效果请看文章末尾的输出演示视频；最后通过HDMI显示器显示图像；该工程需要运行Zynq软核；适用于SDI视频拼接转HDMI场景；

工程源码2

开发板FPGA型号为Xilinx–>Xilinx-Zynq7100–xc7z100ffg900-2；输入源有两个，一个是3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，另一个HDMI转3G-SDI盒子，盒子外接笔记本电脑以模拟SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz；两路输入视频经过板载的2个Gv8601a芯片实现单端转差分和均衡EQ后送入FPGA；再经过2路GTX将SDI视频解串为并行数据；再经过2路SMPTE SDI IP核将SDI解码为2路BT1120数据；再经过2路BT1120转RGB模块将BT1120转换为RGB888视频；再经过2路Xilinx官方的Video In To AXI4-Stream IP核实现RGB888数据到AXI4-Stream数据流转换；再经过2路Xilinx官方的VDMA图像缓存方案将视频写入PS侧DDR3缓存；然后自研的基于HLS实现的多路视频融合叠加 IP核实现2路视频融合叠加操作；再进入Xilinx官方的AXI4-Stream To Video Out IP核实现AXI4-Stream视频流到Native视频流的转换；然后将融合叠加视频送RGB转BT1120模块，将RGB888视频转换为BT1120视频；再经过SMPTE SD/HD/3G SDI IP核，将BT1120视频编码为SDI视频；再经过FPGA内部的GTX高速资源，将SDI并行数据转换为高速串行信号；再经过板载的Gv8500芯片实现差分转单端和驱动增强后输出，输出分辨率为1920x1080@60Hz；最后使用SDI转HDMI盒子连接到HDMI显示器显示；该工程需要运行Zynq软核；适用于SDI转SDI场景；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

本博已有的 SDI 编解码方案

我的博客主页开设有SDI视频专栏，里面全是FPGA编解码SDI的工程源码及博客介绍；既有基于GS2971/GS2972的SDI编解码，也有基于GTP/GTX资源的SDI编解码；既有HD-SDI、3G-SDI，也有6G-SDI、12G-SDI等；专栏地址链接如下：
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多路视频融合叠加应用

本博自研了多路视频融合叠加应用，之前专门写过一篇博客，博客地址链接如下：
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3、详细设计方案

设计原理框图

设计原理框图如下：

注意！！！！
注意！！！！
紫色箭头：3G-SDI输出路径
红色箭头：HDMI输出路径

SDI 输入设备

SDI 输入设备有两个，分别接入FPGA开发板的2路SDI视频输入接口；一个是3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，也可以使用HD-SDI或者SD-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；另一个HDMI转3G-SDI盒子，盒子外接笔记本电脑以模拟SDI相机；SDI相机相对比较贵，预算有限的朋友可以考虑用HDMI转SDI盒子模拟SDI相机，这种盒子某宝一百块左右；当使用HDMI转SDI盒子时，输入源可以用笔记本电脑，即用笔记本电脑通过HDMI线连接到HDMI转SDI盒子的HDMI输入接口，再用SDI线连接HDMI转SDI盒子的SDI输出接口到FPGA开发板，如下：

Gv8601a 均衡器

Gv8601a芯片实现单端转差分和均衡EQ的功能，这里选用Gv8601a是因为借鉴了了Xilinx官方的方案，当然也可以用其他型号器件。Gv8601a均衡器原理图如下：

GTX 解串与串化

本设计使用Xilinx特有的GTX高速信号处理资源实现SDI差分视频信号的解串与串化，对于SDI视频接收而言，GTX起到解串的作用，即将输入的高速串行的差分信号解为并行的数字信号；对于SDI视频发送而言，GTX起到串化的作用，即将输入的并行的数字信号串化为高速串行的差分信号；GTX的使用一般需要例化GTX IP核，通过vivado的UI界面进行配置，但本设计需要对SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI视频进行自动识别和自适应处理，所以需要使得GTX具有动态改变线速率的功能，该功能可通过DRP接口配置，也可通过GTX的rate接口配置，所以不能使用vivado的UI界面进行配置，而是直接例化GTX的GTXE2_CHANNEL和GTXE2_COMMON源语直接使用GTX资源；此外，为了动态配置GTX线速率，还需要GTX控制模块，该模块参考了Xilinx的官方设计方案，具有动态监测SDI模式，动态配置DRP等功能；该方案参考了Xilinx官方的设计；GTX 解串与串化模块代码架构如下：

SMPTE SD/HD/3G SDI IP核

SMPTE SD/HD/3G SDI IP核是Xilinx系列FPGA特有的用于SDI视频编解码的IP，该IP配置使用非常简单，vivado的UI界面如下：

SMPTE SD/HD/3G SDI IP核必须与GTX配合才能使用，对于SDI视频接收而言，该IP接收来自于GTX的数据，然后将SDI视频解码为BT1120视频输出，对于SDI视频发送而言，该IP接收来自于用户侧的的BT1120视频数据，然后将BT1120视频编码为SDI视频输出；该方案参考了Xilinx官方的设计；SMPTE SD/HD/3G SDI IP核代码架构如下：

BT1120转RGB

BT1120转RGB模块的作用是将SMPTE SD/HD/3G SDI IP核解码输出的BT1120视频转换为RGB888视频，它由BT1120转CEA861模块、YUV422转YUV444模块、YUV444转RGB888三个模块组成，该方案参考了Xilinx官方的设计；BT1120转RGB模块代码架构如下：

VDMA图像缓存

本设计的视频缓存方案采用2路Xilinx官方的的VDMA图像缓存架构；缓存介质为PS端DDR3；第1路SDI视频通过VDMA写入DDR后再读出送视频融合叠加模块，第2路SDI视频通过VDMA写入DDR后不读出，而是通过视频融合叠加模块从DDR3中读出，以工程源码1为例，VDMA使用Xilinx vivado的Block Design设计，如下图：

为了降低延时，VDMA设置为缓存1帧，如下：

HLS多路视频融合叠加

多路视频融合叠加设计框图如下如所示：

多路视频融合叠加由底层视频和叠加层视频融合叠加而成，底层视频为输入的第1路视频，叠加层视频为第2路视频经过缩放后得到，两路视频融合在一起输出，可通过SDK软件动态配置2路视频融合的透明度、叠加层视频的缩放大小、叠加层视频的显示位置等信息；；设计加采用HLS方案C++代码实现，并综合成RTL后封装为IP，可在vivado中调用该IP，关于这个方案详情，请参考我之前的博客，博客链接如下：
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该IP在vivado中的综合资源占用情况如下：

HLS多路视频融合叠加需要在SDK中运行驱动和用户程序才能正常工作，我在工程中给出了C语言程序，具体参考工程源码；HLS多路视频融合叠加调用截图如下：

HDMI视频输出架构

HDMI视频输出架构如下：

参考Xilinx官方设计，使用VTC+AXI4-Stream To Video Out架构实现输出视频从AXI4-Stream到Native格式的转换；然后使用纯verilog代码实现的RGB888转HDMI模块实现RGB888到HDMI的转换，最后通过显示器显示，RGB888转HDMI模块代码架构如下：

关于RGB888转HDMI模块，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

SDI视频输出架构之–>RGB转BT1120

SDI视频输出架构首先要实现VDMA读出的AXI4-Stream到Native格式的转换，得到RGB888视频后再通过RGB转BT1120实现到BT1120视频的转换，其架构如下：

在SDI输出方式下VGA时序模块的像素时钟由SMPTE SD/HD/3G SDI IP核的发送用户时钟提供，在不同的SDI模式下像素时钟不同，比如在3G-SDI模式下像素时钟为148.5M，在HD-SDI的720P@60Hz模式下像素时钟为74.25M；

在SDI输出方式下需要使用RGB转BT1120模块；RGB转BT1200模块的作用是将用户侧的RGB视频转换为BT1200视频输出给SMPTE SD/HD/3G SDI IP核；RGB转BT1120模块由RGB888转YUV444模块、YUV444转YUV422模块、SDI视频编码模块、数据嵌入模块组成，该方案参考了Xilinx官方的设计；BT1120转RGB模块代码架构如下：

SDI视频输出架构之–>SMPTE SD/HD/3G SDI + GTX

这两部分与接收过程公用相应模块，功能上是接收过程的逆过程，不再赘述；

SDI视频输出架构之–>Gv8500 驱动器

Gv8500芯片实现差分转单端和增强驱动的功能，这里选用Gv8500是因为借鉴了了Xilinx官方的方案，当然也可以用其他型号器件。Gv8500驱动器原理图如下：

SDI视频输出架构之–>SDI转HDMI盒子

在SDI输出方式下需要使用到SDI转HDMI盒子，因为我手里的显示器没有SDI接口，只有HDMI接口，为了显示SDI视频，只能这么做，当然，如果你的显示器有SDI接口，则可直接连接显示，我的SDI转HDMI盒子在某宝购买，不到100块；

工程源码架构之–>逻辑设计

本博客提供2套工程源码，以工程源码1为例，vivado Block Design设计如下，其他工程与之类似，Block Design设计为图像缓存架构的部分：

以工程源码1为例，使工程源码架构如下，其他工程与之类似：

工程源码架构之–>SDK软件设计

工程源码PL端时钟由Zynq软核提供，所以需要运行运行SDK以启动Zynq，此外，视频融合叠加、VDMA等IP核都需要运行软件驱动才能正常工作，SDK软件代码架构如下：

SDK代码中配置如下，用户可根据自己的需求任意修改；
第1路视频为底层视频，分辨率为1920x1080；
第2路视频为叠加层视频，分辨率为1920x1080，从叠加层视频坐标（400,200）处为原点取一块1000x800的区域作为叠加融合视频；
将上一步取到的600x600的叠加融合视频进行图像缩放，缩放为960x540；
将上一步960x540的叠加融合视频从底层视频的（0,0）坐标开始叠加，底层与叠加层的透明度设置为80；

4、工程源码1详解–>2路视频融合叠加，HDMI输出版本

开发板FPGA型号：Xilinx-Zynq7100–xc7z100ffg900-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：HDMI ，分辨率1920x1080@60Hz；
缓存方案：Xilinx官方VDMA方案；
缓存介质：PS端DDR3；
视频融合叠加方案：自研基于HLS实现的多路视频融合叠加；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Zynq系列FPGA实现SDI转HDMI的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程源码2详解–>2路视频融合叠加，3G-SDI输出版本

开发板FPGA型号：Xilinx-Zynq7100–xc7z100ffg900-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：3G-SDI，分辨率1920x1080@60Hz；
缓存方案：Xilinx官方VDMA方案；
缓存介质：PS端DDR3；
视频融合叠加方案：自研基于HLS实现的多路视频融合叠加；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Zynq系列FPGA实现SDI转HDMI的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

6、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

7、上板调试验证

准备工作

需要准备的器材如下：
FPGA开发板；
SDI摄像头或HDMI转SDI盒子；
SDI转HDMI盒子；
HDMI显示器；
我的开发板了连接如下：

输出视频演示

以工程源码1为例，输出如下：

8、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：