基于FPGA的多制式視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

基于FPGA的多制式視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分析了視頻轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵技術(shù)，即，視頻掃描轉(zhuǎn)換和視頻圖像處理的基本原理，并給出了一種實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方案，構(gòu)建了以FPGA為控制核心的視頻轉(zhuǎn)換硬件系統(tǒng)。利用FPGA對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行編程配置，靈活地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)從非標(biāo)準(zhǔn)視頻制式到標(biāo)準(zhǔn)視頻制式以及標(biāo)準(zhǔn)制式之間的相互轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：視頻轉(zhuǎn)換，前向通道，后向通道，內(nèi)插，F(xiàn)PGA

1引言

多媒體電視系統(tǒng)作為多媒體技術(shù)的重要分支，尤其是多媒體電視節(jié)目制作的技術(shù)設(shè)備，已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的水平。在滿足實(shí)時(shí)輸入、輸出的條件下，視頻數(shù)據(jù)流壓縮比的降低，使圖像的技術(shù)質(zhì)量得以提高。目前，在軍事、工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還存在著大量的非標(biāo)準(zhǔn)的視頻系統(tǒng)，而高清晰度的圖像質(zhì)量在這些領(lǐng)域又是必不可少的。因此，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)存較多的是以單片機(jī)為控制核心的標(biāo)準(zhǔn)視頻制式TV－VGA之間的視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。由于單片機(jī)處理時(shí)有特有的指令周期，且外圍I／O引腳較少、不能靈活配置〔4〕，這類系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速度較慢，功能比較單一，圖像質(zhì)量不太高。而現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA正好能彌補(bǔ)單片機(jī)的這些缺憾，實(shí)現(xiàn)多種制式視頻信號(hào)之間的實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的視頻圖像轉(zhuǎn)換。

2視頻轉(zhuǎn)換原理

眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)VGA顯示模式采用的是逐行掃描方式，在一個(gè)幀掃描周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的完全掃描。而標(biāo)準(zhǔn)的電視視頻信號(hào)（PAL，NTSC，SECAN）采用隔行掃描機(jī)制，依次對(duì)奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)的奇數(shù)行和偶數(shù)行進(jìn)行掃描，利用人眼的視覺(jué)暫留來(lái)實(shí)現(xiàn)兩場(chǎng)1／50s掃描312．5行的圖像構(gòu)成625行（一幀）圖像。另一方面，由于不同的視頻制式的場(chǎng)頻和行頻存在很大的差異，要實(shí)現(xiàn)不同視頻系統(tǒng)之間的圖像信號(hào)的存儲(chǔ)、處理和顯示，就必須采用不同的處理方法。標(biāo)準(zhǔn)視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本原理就是非標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)行存儲(chǔ)器和場(chǎng)存儲(chǔ)器的緩存，完成采樣圖像的場(chǎng)頻調(diào)整、信號(hào)加權(quán)直至數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換和圖像的數(shù)字化處理。

2．1視頻掃描轉(zhuǎn)換的原理

視頻掃描變換是建立在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)基礎(chǔ)上的。不同制式的視頻信號(hào)通過(guò)掃描變換來(lái)獲取所需的行場(chǎng)圖像信號(hào)。視頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)緩沖、嵌位后，按照取樣時(shí)鐘把經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送入存儲(chǔ)器緩存。通過(guò)數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展，即，相鄰行之間的數(shù)據(jù)按照一定的算法加權(quán)，得到內(nèi)插行的數(shù)據(jù)，或者相鄰場(chǎng)／幀數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加權(quán)實(shí)現(xiàn)內(nèi)插幀的數(shù)據(jù)。再以適當(dāng)?shù)乃俾首x取處理后的數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)倍行頻／倍場(chǎng)頻的掃描。倍行頻掃描可以消除行間的閃爍現(xiàn)象，倍場(chǎng)頻掃描雖然行掃描頻率不變，但是場(chǎng)頻加倍，既能消除行間的閃爍現(xiàn)象，還可以消除場(chǎng)間的大面積閃爍。同樣，可以通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)的重排來(lái)完成逐行掃描到隔行掃描的實(shí)現(xiàn)（兩者的掃描行頻都加倍，只是數(shù)據(jù)的讀取順序不變）。圖1為掃描變換的原理圖。對(duì)于靜止和慢速變化的圖像，由于行、場(chǎng)圖像信號(hào)之間存在著較大的相關(guān)性，因此，以上的行場(chǎng)掃描變換是可行的。對(duì)快速變換的視頻圖像信號(hào)而言，由于場(chǎng)、幀的數(shù)據(jù)信號(hào)之間的相關(guān)性很小，采用簡(jiǎn)單的內(nèi)插就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的圖像模糊和托尾現(xiàn)象。為了保持圖像的連續(xù)和清晰度，可以采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：第一，利用場(chǎng)內(nèi)／幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)性，采用場(chǎng)內(nèi)／幀內(nèi)行間數(shù)據(jù)內(nèi)插實(shí)現(xiàn)場(chǎng)倍頻。這種處理效果在變化較快的場(chǎng)圖像之間會(huì)產(chǎn)生很大的突變，很容易被人眼識(shí)別；第二，使內(nèi)插處理的數(shù)據(jù)自適應(yīng)于圖像的快速變化。這種內(nèi)插處理本質(zhì)上就是一個(gè)自適應(yīng)的數(shù)字濾波器，通過(guò)權(quán)值的調(diào)整來(lái)跟蹤圖像的變化，以達(dá)到消除圖像模糊和突變的效果。常用的自適應(yīng)濾波器有：定向平滑濾波器和空間變化的線性最小均方誤差（LMMSE）濾波器。各種自適應(yīng)濾波器由于其自適應(yīng)的算法的差異，在收斂速度、跟蹤特性和最優(yōu)解方面存在著差異，因此，處理后的圖像質(zhì)量也不一致，在濾波后的圖像上也會(huì)留下噪聲點(diǎn)〔1〕。

2．2視頻圖像的幾何變換

視頻信號(hào)通常是以場(chǎng)或者幀進(jìn)行存儲(chǔ)的，存儲(chǔ)地址和圖像顯示的空間位置都有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，通常都要求實(shí)現(xiàn)圖像的位移、擴(kuò)大和縮小甚至旋轉(zhuǎn)，這可以通過(guò)控制讀取地址來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的幾何變換。

圖像的移位其實(shí)就是圖像的滯后／超前顯示，這可以通過(guò)延遲顯示和地址順序讀取來(lái)實(shí)現(xiàn)。

而圖像的擴(kuò)大和縮小，是對(duì)幀圖像的整體放大和縮小。這不同于圖像的截取，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行“壓縮”或者“放大”，即，對(duì)水平和垂直方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插和抽取。當(dāng)進(jìn)行圖像縮小時(shí)，如果壓縮率為0．5，只需對(duì)水平方向的采樣輸出點(diǎn)數(shù)減半。如果壓縮比不是整數(shù)倍，則沒(méi)有準(zhǔn)確的采樣點(diǎn)，就必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的內(nèi)插來(lái)實(shí)現(xiàn)，即，對(duì)臨近采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)加權(quán)計(jì)算來(lái)獲取。同樣，對(duì)圖像的放大，也是通過(guò)前后相鄰的數(shù)據(jù)內(nèi)插來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我們可以看到〔2〕，對(duì)圖像進(jìn)行縮小時(shí)，圖像數(shù)據(jù)的取樣頻率降低，這將會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，在數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復(fù)為模擬信號(hào)時(shí)將產(chǎn)生失真。為避免這種失真，應(yīng)當(dāng)對(duì)原來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮濾波。對(duì)圖像進(jìn)行放大時(shí)，相當(dāng)于提高了數(shù)據(jù)的取樣頻率，因此不會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象〔2〕。

3系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

該視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)單路非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)到多路標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，它輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)包括可選通標(biāo)準(zhǔn)S－Video和CVBS的NTSC／PAL輸出，符合EIARS－343A標(biāo)準(zhǔn)的不同分辨率和刷新頻率的VGA輸出。其硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，系統(tǒng)主要由兩大部分組成：由專用芯片實(shí)現(xiàn)的視頻信號(hào)處理單元，它是由前向通道和后向通道組成的，完成視頻信號(hào)的取樣和處理，而基于FPGA的控制單元完成整體信號(hào)的識(shí)別和控制。3．1硬件系統(tǒng)的方案

視頻處理的前向通道主要完成對(duì)輸入信號(hào)的恢復(fù)和數(shù)字化。由于輸入的視頻信號(hào)比較微弱，首先將該信號(hào)進(jìn)行無(wú)失真地放大，以額定的輸出電平輸入到后續(xù)信號(hào)處理電路，保證數(shù)據(jù)采樣和恢復(fù)的正確性。要使圖像傳輸不失真，就必須將高低頻信號(hào)和直流分量都同步傳輸。但是在信號(hào)傳輸和耦合中常存在視頻信號(hào)的直流信號(hào)丟失的現(xiàn)象，因此，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行嵌位來(lái)恢復(fù)圖像中的直流分量。經(jīng)過(guò)嵌位的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣后的數(shù)據(jù)送入到FIFO中進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖。

后向通道主要完成對(duì)數(shù)字化的視頻信號(hào)的處理和視頻恢復(fù)?？紤]到其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，采用專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻掃描的變化和視頻圖像的變化。該系統(tǒng)中使用的是專用數(shù)字圖像處理芯片DSPAL128，該芯片內(nèi)置高集成化的數(shù)字視頻處理器，支持標(biāo)準(zhǔn)電視制式和復(fù)合視頻以及SVIDOE輸出。FPGA通過(guò)I2C總線對(duì)其進(jìn)行寄存器配置來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換，詳細(xì)資料見(jiàn)Averlog公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)。處理完畢的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖和模數(shù)轉(zhuǎn)換多路輸出。

3．2系統(tǒng)的主控單元實(shí)現(xiàn)

作為系統(tǒng)的主控單元，F(xiàn)PGA控制著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作，包括時(shí)鐘信號(hào)的配置、芯片初始化、參數(shù)配置和狀態(tài)控制以及和外部控制單元進(jìn)行通信。這主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面。

3．2．1視頻數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘

為了實(shí)現(xiàn)視頻恢復(fù)信號(hào)的清晰度和完整性，必須保證視頻信號(hào)ADC采樣頻率和視頻信號(hào)恢復(fù)所需行場(chǎng)同步信號(hào)和像素掃描頻率的正確。這部分的數(shù)字頻率合成是由鎖相環(huán)和FPGA中實(shí)現(xiàn)的N可變分頻計(jì)數(shù)器來(lái)獲得的，其原理圖如圖3所示。與普通鎖相環(huán)不同的是，數(shù)字頻率合成單元在壓控振蕩器VCO（VoltageControlOscillator）的輸出端和鑒相器的輸入端之間的反饋回路中加入了一個(gè)可變分頻器。輸入的行同步信號(hào)的頻率為fR，壓控振蕩器的輸出經(jīng)N次分頻后得到頻率為fN的脈沖信號(hào)，兩個(gè)脈沖信號(hào)在鑒相器進(jìn)行相位比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，則有輸出取樣時(shí)鐘頻率fout＝NfR＝NfN，頻率間隔為Δf＝fN。只要改變預(yù)置的N可變分頻數(shù)，就可以靈活調(diào)節(jié)采樣速率，使得這種數(shù)字頻率合成電路具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度。3．2．2數(shù)據(jù)流控制和參數(shù)配置

需要保證足夠的信號(hào)采樣率，才能保證恢復(fù)視頻信號(hào)的正確性。對(duì)視頻數(shù)字化的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)除了采用高速存儲(chǔ)器外，高速數(shù)據(jù)流控制器件也是必須的。以分辨率為1024×1024，刷新頻率為60Hz的VGA視頻信號(hào)為例，其采樣時(shí)鐘需要近60MHz，顯然，一般的單片機(jī)和DSP器件都不能勝任。在對(duì)Altera公司的FLEX10KE系列的器件進(jìn)行時(shí)序分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，其16位計(jì)數(shù)器的最高時(shí)鐘可達(dá)150MHz。顯然，F(xiàn)PGA更適合于進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)流控制。

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA是整個(gè)系統(tǒng)的主控單元，利用了FPGA并行處理〔4〕的特點(diǎn)來(lái)提高系統(tǒng)的整體性能。其主要功能包括整體信號(hào)控制，視頻同步信號(hào)的取樣和識(shí)別，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)序控制。其模塊實(shí)現(xiàn)如圖4所示。由于FPGA特有的信號(hào)并行處理特性，能在一個(gè)時(shí)鐘周期實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別，同時(shí)控制數(shù)據(jù)流的輸入和輸出，對(duì)外圍器件進(jìn)行配置和控制，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和速率，提高整個(gè)視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體性能。其中，F(xiàn)PGA有一個(gè)重要的功能，就是對(duì)芯片初始化和參數(shù)配置。系統(tǒng)中采用了I2C總線配置的存儲(chǔ)器和視頻處理芯片。由于I2C總線以兩根數(shù)據(jù)連線實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)芯片的全雙工同步數(shù)據(jù)傳輸，存在著標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的總線配置，芯片的配置時(shí)序相差較大，配置時(shí)的讀寫(xiě)時(shí)序也不盡相同。FPGA作為系統(tǒng)的主控單元，充分利用其邏輯控制強(qiáng)的特點(diǎn)，在不同的讀寫(xiě)時(shí)序之間靈活切換，控制I2C總線對(duì)芯片的參數(shù)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的編程控制。

圖5為FPGA對(duì)兩個(gè)不同芯片進(jìn)行讀操作的仿真時(shí)序。FPGA對(duì)兩個(gè)芯片分別進(jìn)行讀操作時(shí)，需要不同的時(shí)鐘周期和不同的配置狀態(tài)，圖5中虛線間即為數(shù)據(jù)配置時(shí)需經(jīng)歷的狀態(tài)。從圖中可以看到，這兩個(gè)芯片配置數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘sclk及讀操作周期都不相同。

4結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試中，將非標(biāo)準(zhǔn)隔行視頻信號(hào)（1249線，50Hz場(chǎng)頻）轉(zhuǎn)換到分辨率為1024×768，刷新頻率為60Hz的VGA視頻信號(hào)輸出，圖像質(zhì)量有了顯著的提高，清晰度和細(xì)膩感增強(qiáng)。但是，在圖像的行掃描開(kāi)始的邊緣有圖像模糊現(xiàn)象，這是由于非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)的行同步周期并不完全一致所引起的。而且鎖相環(huán)在初始相位鎖定和跟蹤同步信號(hào)時(shí)，相位跳變較大從而產(chǎn)生不均勻的采樣時(shí)鐘也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不均勻?？紤]到行掃描初始的幾個(gè)采樣點(diǎn)并不會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生影響，通過(guò)屏蔽這邊緣的采樣點(diǎn)來(lái)去除圖像的邊緣模糊。另外，如果提高ADC和DAC的轉(zhuǎn)換精度，或者加入圖像壓縮、編碼解碼模塊，將會(huì)取得更好的視覺(jué)效果。這種多制式的視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)視頻轉(zhuǎn)換進(jìn)行了有益的嘗試和探討，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，目前已經(jīng)應(yīng)用于某企業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)中。參考文獻(xiàn)1AMuratTeckalp．Digit