基于FPGA的視頻格式轉換系統設計

　　2. 3. 3 幀率轉換和隔行逐行轉換模塊

　　隔行轉逐行的方法可以分為空域和時域兩個方面?？沼蛩惴ê唵危子谟布崿F，常見有直接重復行和在垂直方向上進行插值得到缺失的行。時域方法涉及到相鄰場之間的運算，常見方法有場混合、運動自適應去隔行算法以及復雜度最高的運動補償去隔行算法。本文折衷考慮使用場混合方法，即將場數據相鄰場兩兩合成為逐行的幀數據，如圖8所示。

圖8 場混合法實現隔行逐行變換

　　PAL和SECAM 制式的場頻為50 Hz，而NTSC 為60H z，當需要進行不同場頻信號的疊加就需要進行場頻轉換。大多視頻設備使用的幀頻為60 H z，因此本文只涉及50~ 60 H z的幀率轉換。常用方法有場重復、場插值、運動補償法，其中場插值算法如圖9所示。

圖9 50 Hz轉60 Hz的場插值方法

　　對于PAL制式從上面兩圖可知，只要能同時讀取3行場數據即可以實現隔行逐行變換和幀率轉換一次完成。如輸出的第1幀由輸入的第1，2 場數據決定,而輸出的第2 幀由輸入的第1，2，3場數據決定，而輸出的第3幀由輸入的第2，3，4 場數據決定，依次類推。

　　系統使用位寬為48的DDR2存儲器作為場存儲器，而在FPGA 內部DDR2控制器端數據寬度為96。如產生第2 幀輸出的處理過程為，在第1場存入時，把高64bit屏蔽掉不寫入，而低32 b it寫入場數據(實際只利用30 b it)。在第2場存入時，把高32 位和低32 b it屏蔽掉不寫入，而中間32 bit寫入場數據。在第3 場存入時，把低64 b it屏蔽掉不寫入，而高32 bit寫入場數據。這樣在數據讀取的時候可以順序同時讀出3場數據，然后進行上述的組合插值運算，即可得到輸出。場存儲器數據內格式如圖10所示。

圖10 可以實現同時去隔行和幀率轉換的場存儲器

　　注意新的輸入場數據不能覆蓋掉相鄰的數據，因此在數據存入時屏蔽位是在不斷跳動的，并以5 場為一個周期。雖然這樣降低了寫入的效率，但由于所有數據讀寫都是順序操作，因此從整體上來說仍然提高了DDR2 的存取效率，并且使操作變得簡單。對于NTSC 制式，由于幀率轉換部分可不用考慮，可以將只使用低64位部分進行兩場存儲。

　　2. 3. 4 縮放模塊

　　視頻縮放包括放大( up scaling ) 和縮小( downsca ling )兩個方面，而進行縮放的基本方法為空間插值。下式為對圖像進行插值的一般數學表達式，其中g ( i，j)為縮放圖像中待插值點的像素值，f ( k，l)為原始圖像中坐標( k，l)處的像素值，h( i- k，j - l)為插值基函數。

　　插值基函數的選擇可以有很多種，通常有二維的矩形函數、線性函數、三次函數及S inc 函數等，它們分別對應于最近鄰插值、線性插值、三次插值以及理想插值(實際中利用S inc函數截斷后插值) ，其插值效果為從差到好排列，但實現難度也依次提高。在實際處理中是利用濾波器來實現插值基函數，而且由于這些插值的對稱性，可以將其分解為橫向和縱向插值兩部分分開進行，如二維線性插值函數對應雙線性插值( Bilinear Interpo lation)，三次函數對應雙三次插值( B icub ic Interpo lation) ，對于Sinc 插值函數實際中為多相位插值( Po lyphase Interpo lation)。本文使用多相位插值法實現圖像縮放，實際上在4 ? 4領域大小內進行多相位插值和三次插值幾乎是一樣的，只是對應插值函數值略微不同。多相位插值法是通過對輸出點對應原圖中的領域進行Lanczos2 函數移相插值來產生輸出點的。如圖11所示。

圖11 Lanczos2 函數