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，并給出了一種實際的實現(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對整個系統(tǒng)進行編程配置，靈活地對系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)從非標準視頻制式到標準視頻制式以及標準制式之間的相互轉(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。在滿足實時輸入、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準的視頻系統(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，標準視頻信號轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)應(yīng)運而生?，F(xiàn)存較多的是以單片機為控制核心的標準視頻制式TV－VGA之間的視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。由于單片機處理時有特有的指令周期，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)場可編程邏輯器件FPGA正好能彌補單片機的這些缺憾，實現(xiàn)多種制式視頻信號之間的實時、高質(zhì)量的視頻圖像轉(zhuǎn)換。

2視頻轉(zhuǎn)換原理

眾所周知，標準VGA顯示模式采用的是逐行掃描方式，在一個幀掃描周期內(nèi)實現(xiàn)對圖像的完全掃描。而標準的電視視頻信號（PAL，NTSC，SECAN）采用隔行掃描機制，依次對奇數(shù)場和偶數(shù)場的奇數(shù)行和偶數(shù)行進行掃描，利用人眼的視覺暫留來實現(xiàn)兩場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頻和行頻存在很大的差異，要實現(xiàn)不同視頻系統(tǒng)之間的圖像信號的存儲、處理和顯示，就必須采用不同的處理方法。標準視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本原理就是非標準的視頻信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，通過行存儲器和場存儲器的緩存，完成采樣圖像的場頻調(diào)整、信號加權(quán)直至數(shù)字信號處理，實現(xiàn)視頻信號的轉(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)字信號處理技術(shù)基礎(chǔ)上的。不同制式的視頻信號通過掃描變換來獲取所需的行場圖像信號。視頻信號在經(jīng)過緩沖、嵌位后，按照取樣時鐘把經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送入存儲器緩存。通過數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法進行數(shù)據(jù)擴展，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／幀數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)實現(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)，就可以實現(xiàn)倍行頻／倍場頻的掃描。倍行頻掃描可以消除行間的閃爍現(xiàn)象，倍場頻掃描雖然行掃描頻率不變，但是場頻加倍，既能消除行間的閃爍現(xiàn)象，還可以消除場間的大面積閃爍。同樣，可以通過對掃描數(shù)據(jù)的重排來完成逐行掃描到隔行掃描的實現(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。對于靜止和慢速變化的圖像，由于行、場圖像信號之間存在著較大的相關(guān)性，因此，以上的行場掃描變換是可行的。對快速變換的視頻圖像信號而言，由于場、幀的數(shù)據(jù)信號之間的相關(guān)性很小，采用簡單的內(nèi)插就會產(chǎn)生嚴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實現(xiàn)：第一，利用場內(nèi)／幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)性，采用場內(nèi)／幀內(nèi)行間數(shù)據(jù)內(nèi)插實現(xiàn)場倍頻。這種處理效果在變化較快的場圖像之間會產(chǎn)生很大的突變，很容易被人眼識別；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)上就是一個自適應(yīng)的數(shù)字濾波器，通過權(quán)值的調(diào)整來跟蹤圖像的變化，以達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留下噪聲點〔1〕。

2．2視頻圖像的幾何變換

視頻信號通常是以場或者幀進行存儲的，存儲地址和圖像顯示的空間位置都有確定的對應(yīng)關(guān)系。在視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，通常都要求實現(xiàn)圖像的位移、擴大和縮小甚至旋轉(zhuǎn)，這可以通過控制讀取地址來實現(xiàn)圖像的幾何變換。

圖像的移位其實就是圖像的滯后／超前顯示，這可以通過延遲顯示和地址順序讀取來實現(xiàn)。

而圖像的擴大和縮小，是對幀圖像的整體放大和縮小。這不同于圖像的截取，需要對圖像數(shù)據(jù)進行“壓縮”或者“放大”，即，對水平和垂直方向的數(shù)據(jù)進行內(nèi)插和抽取。當(dāng)進行圖像縮小時，如果壓縮率為0．5，只需對水平方向的采樣輸出點數(shù)減半。如果壓縮比不是整數(shù)倍，則沒有準確的采樣點，就必須進行數(shù)據(jù)的內(nèi)插來實現(xiàn)，即，對臨近采樣點的數(shù)據(jù)加權(quán)計算來獲取。同樣，對圖像的放大，也是通過前后相鄰的數(shù)據(jù)內(nèi)插來實現(xiàn)的。我們可以看到〔2〕，對圖像進行縮小時，圖像數(shù)據(jù)的取樣頻率降低，這將會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，在數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復(fù)為模擬信號時將產(chǎn)生失真。為避免這種失真，應(yīng)當(dāng)對原來的數(shù)字信號進行壓縮濾波。對圖像進行放大時，相當(dāng)于提高了數(shù)據(jù)的取樣頻率，因此不會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象〔2〕。

3系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

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

視頻處理的前向通道主要完成對輸入信號的恢復(fù)和數(shù)字化。由于輸入的視頻信號比較微弱，首先將該信號進行無失真地放大，以額定的輸出電平輸入到后續(xù)信號處理電路，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和直流分量都同步傳輸。但是在信號傳輸和耦合中常存在視頻信號的直流信號丟失的現(xiàn)象，因此，對視頻信號進行嵌位來恢復(fù)圖像中的直流分量。經(jīng)過嵌位的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣后的數(shù)據(jù)送入到FIFO中進行數(shù)據(jù)緩沖。

后向通道主要完成對數(shù)字化的視頻信號的處理和視頻恢復(fù)。考慮到其實現(xiàn)的復(fù)雜性，采用專用芯片來實現(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，支持標準電視制式和復(fù)合視頻以及SVIDOE輸出。FPGA通過I2C總線對其進行寄存器配置來實現(xiàn)高質(zhì)量的視頻信號轉(zhuǎn)換，詳細資料見Averlog公司的數(shù)據(jù)手冊。處理完畢的信號通過數(shù)據(jù)緩沖和模數(shù)轉(zhuǎn)換多路輸出。

3．2系統(tǒng)的主控單元實現(xiàn)

作為系統(tǒng)的主控單元，F(xiàn)PGA控制著整個系統(tǒng)的正常運作，包括時鐘信號的配置、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行通信。這主要體現(xiàn)在下面幾個方面。

3．2．1視頻數(shù)據(jù)的同步時鐘

為了實現(xiàn)視頻恢復(fù)信號的清晰度和完整性，必須保證視頻信號ADC采樣頻率和視頻信號恢復(fù)所需行場同步信號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中實現(xiàn)的N可變分頻計數(shù)器來獲得的，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可變分頻器。輸入的行同步信號的頻率為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，兩個脈沖信號在鑒相器進行相位比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，則有輸出取樣時鐘頻率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采樣率，才能保證恢復(fù)視頻信號的正確性。對視頻數(shù)字化的數(shù)據(jù)進行處理時除了采用高速存儲器外，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視頻信號為例，其采樣時鐘需要近60MHz，顯然，一般的單片機和DSP器件都不能勝任。在對Altera公司的FLEX10KE系列的器件進行時序分析時發(fā)現(xiàn)，其16位計數(shù)器的最高時鐘可達150MHz。顯然，F(xiàn)PGA更適合于進行高速的數(shù)據(jù)流控制。

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA是整個系統(tǒng)的主控單元，利用了FPGA并行處理〔4〕的特點來提高系統(tǒng)的整體性能。其主要功能包括整體信號控制，視頻同步信號的取樣和識別，數(shù)據(jù)讀寫時序控制。其模塊實現(xiàn)如圖4所示。由于FPGA特有的信號并行處理特性，能在一個時鐘周期實現(xiàn)同步信號的檢測和識別，同時控制數(shù)據(jù)流的輸入和輸出，對外圍器件進行配置和控制，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和速率，提高整個視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體性能。其中，F(xiàn)PGA有一個重要的功能，就是對芯片初始化和參數(shù)配置。系統(tǒng)中采用了I2C總線配置的存儲器和視頻處理芯片。由于I2C總線以兩根數(shù)據(jù)連線實現(xiàn)對多個芯片的全雙工同步數(shù)據(jù)傳輸，存在著標準和非標準的總線配置，芯片的配置時序相差較大，配置時的讀寫時序也不盡相同。FPGA作為系統(tǒng)的主控單元，充分利用其邏輯控制強的特點，在不同的讀寫時序之間靈活切換，控制I2C總線對芯片的參數(shù)進行配置，實現(xiàn)系統(tǒng)的編程控制。

圖5為FPGA對兩個不同芯片進行讀操作的仿真時序。FPGA對兩個芯片分別進行讀操作時，需要不同的時鐘周期和不同的配置狀態(tài)，圖5中虛線間即為數(shù)據(jù)配置時需經(jīng)歷的狀態(tài)。從圖中可以看到，這兩個芯片配置數(shù)據(jù)的同步時鐘sclk及讀操作周期都不相同。

4結(jié)束語

在實際系統(tǒng)測試中，將非標準隔行視頻信號（1249線，50Hz場頻）轉(zhuǎn)換到分辨率為1024×768，刷新頻率為60Hz的VGA視頻信號輸出，圖像質(zhì)量有了顯著的提高，清晰度和細膩感增強。但是，在圖像的行掃描開始的邊緣有圖像模糊現(xiàn)象，這是由于非標準視頻信號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時，相位跳變較大從而產(chǎn)生不均勻的采樣時鐘也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不均勻?？紤]到行掃描初始的幾個采樣點并不會對圖像產(chǎn)生影響，通過屏蔽這邊緣的采樣點來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，將會取得更好的視覺效果。這種多制式的視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對視頻轉(zhuǎn)換進行了有益的嘗試和探討，具有較強的實用價值，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1AMuratTeckalp．Digit