基于FPGA的多制式视频转换系统铁水包

基于FPGA的多制式视频转换系统

基于FPGA的多制式视频转换系统 2011： 1　引　言　　多媒体电视系统作为多媒体技术的重要分支，尤其是多媒体电视节目制作的技术设备，已经发展到相当高的水平。在满足实时输入、输出的条件下，视频数据流压缩比的降低，使图像的技术质量得以提高。目前，在军事、工业和医学领域还存在着大量的非标准的视频系统，而高清晰度的图像质量在这些领域又是必不可少的。因此，标准视频信号转换和处理系统应运而生。现存较多的是以单片机为控制核心的标准视频制式TV－VGA之间的视频转换系统。由于单片机处理时有特有的指令周期，且外围I／O引脚较少、不能灵活配置〔4〕，这类系统转换速度较慢，功能比较单一，图像质量不太高。而现场可编程逻辑器件FPGA正好能弥补单片机的这些缺憾，实现多种制式视频信号之间的实时、高质量的视频图像转换。2　视频转换原理　　众所周知，标准VGA显示模式采用的是逐行扫描方式，在一个帧扫描周期内实现对图像的完全扫描。而标准的电视视频信号（PAL，NTSC，SECAN）采用隔行扫描机制，依次对奇数场和偶数场的奇数行和偶数行进行扫描，利用人眼的视觉暂留来实现两场1／50s扫描312．5行的图像构成625行（一帧）图像。另一方面，由于不同的视频制式的场频和行频存在很大的差异，要实现不同视频系统之间的图像信号的存储、处理和显示，就必须采用不同的处理方法。标准视频转换系统的基本原理就是非标准的视频信号经模数转换成数字信号后，通过行存储器和场存储器的缓存，完成采样图像的场频调整、信号加权直至数字信号处理，实现视频信号的转换和图像的数字化处理。2．1　视频扫描转换的原理　　视频扫描变换是建立在数字信号处理技术基础上的。不同制式的视频信号通过扫描变换来获取所需的行场图像信号。视频信号在经过缓冲、嵌位后，按照取样时钟把经过模数转换的数字信号送入存储器缓存。通过数据的内插方法进行数据扩展，即，相邻行之间的数据按照一定的算法加权，得到内插行的数据，或者相邻场／帧数据经过加权实现内插帧的数据。再以适当的速率读取处理后的数据，就可以实现倍行频／倍场频的扫描。倍行频扫描可以消除行间的闪烁现象，倍场频扫描虽然行扫描频率不变，但是场频加倍，既能消除行间的闪烁现象，还可以消除场间的大面积闪烁。同样，可以通过对扫描数据的重排来完成逐行扫描到隔行扫描的实现（两者的扫描行频都加倍，只是数据的读取顺序不变）。图1为扫描变换的原理图。　　对于静止和慢速变化的图像，由于行、场图像信号之间存在着较大的相关性，因此，以上的行场扫描变换是可行的。对快速变换的视频图像信号而言，由于场、帧的数据信号之间的相关性很小，采用简单的内插就会产生严重的图像模糊和托尾现象。为了保持图像的连续和清晰度，可以采用两种方法来实现：第一，利用场内／帧内图像数据的相关性，采用场内／帧内行间数据内插实现场倍频。这种处理效果在变化较快的场图像之间会产生很大的突变，很容易被人眼识别；第二，使内插处理的数据自适应于图像的快速变化。这种内插处理本质上就是一个自适应的数字滤波器，通过权值的调整来跟踪图像的变化，以达到消除图像模糊和突变的效果。常用的自适应滤波器有：定向平滑滤波器和空间变化的线性最小均方误差（LMMSE）滤波器。各种自适应滤波器由于其自适应的算法的差异，在收敛速度、跟踪特性和最优解方面存在着差异，因此，处理后的图像质量也不一致，在滤波后的图像上也会留下噪声点〔1〕。2．2　视频图像的几何变换　　视频信号通常是以场或者帧进行存储的，存储地址和图像显示的空间位置都有确定的对应关系。在视频转换系统中，通常都要求实现图像的位移、扩大和缩小甚至旋转，这可以通过控制读取地址来实现图像的几何变换。　　图像的移位其实就是图像的滞后／超前显示，这可以通过延迟显示和地址顺序读取来实现。　　而图像的扩大和缩小，是对帧图像的整体放大和缩小。这不同于图像的截取，需要对图像数据进行“压缩”或者“放大”，即，对水平和垂直方向的数据进行内插和抽取。当进行图像缩小时，如果压缩率为0．5，只需对水平方向的采样输出点数减半。如果压缩比不是整数倍，则没有准确的采样点，就必须进行数据的内插来实现，即，对临近采样点的数据加权计算来获取。同样，对图像的放大，也是通过前后相邻的数据内插来实现的。我们可以看到〔2〕，对图像进行缩小时，图像数据的取样频率降低，这将会产生频谱混叠现象，在数模转换恢复为模拟信号时将产生失真。为避免这种失真，应当对原来的数字信号进行压缩滤波。对图像进行放大时，相当于提高了数据的取样频率，因此不会产生频谱混叠现象〔2〕。3　系统的硬件实现 该视频转换系统要求实现单路非标准视频信号到多路标准视频信号的转换，它输出的标准信号包括可选通标准S－Video和CVBS的NTSC／PAL输出，符合EIA R

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