基于FPGA的視頻格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2. 3. 3 幀率轉(zhuǎn)換和隔行逐行轉(zhuǎn)換模塊

　　隔行轉(zhuǎn)逐行的方法可以分為空域和時(shí)域兩個(gè)方面?？沼蛩惴ê?jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)有直接重復(fù)行和在垂直方向上進(jìn)行插值得到缺失的行。時(shí)域方法涉及到相鄰場(chǎng)之間的運(yùn)算，常見(jiàn)方法有場(chǎng)混合、運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行算法以及復(fù)雜度最高的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償去隔行算法。本文折衷考慮使用場(chǎng)混合方法，即將場(chǎng)數(shù)據(jù)相鄰場(chǎng)兩兩合成為逐行的幀數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 場(chǎng)混合法實(shí)現(xiàn)隔行逐行變換

　　PAL和SECAM 制式的場(chǎng)頻為50 Hz，而NTSC 為60H z，當(dāng)需要進(jìn)行不同場(chǎng)頻信號(hào)的疊加就需要進(jìn)行場(chǎng)頻轉(zhuǎn)換。大多視頻設(shè)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(zhuǎn)換。常用方法有場(chǎng)重復(fù)、場(chǎng)插值、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償法，其中場(chǎng)插值算法如圖9所示。

圖9 50 Hz轉(zhuǎn)60 Hz的場(chǎng)插值方法

　　對(duì)于PAL制式從上面兩圖可知，只要能同時(shí)讀取3行場(chǎng)數(shù)據(jù)即可以實(shí)現(xiàn)隔行逐行變換和幀率轉(zhuǎn)換一次完成。如輸出的第1幀由輸入的第1，2 場(chǎng)數(shù)據(jù)決定,而輸出的第2 幀由輸入的第1，2，3場(chǎng)數(shù)據(jù)決定，而輸出的第3幀由輸入的第2，3，4 場(chǎng)數(shù)據(jù)決定，依次類(lèi)推。

　　系統(tǒng)使用位寬為48的DDR2存儲(chǔ)器作為場(chǎng)存儲(chǔ)器，而在FPGA 內(nèi)部DDR2控制器端數(shù)據(jù)寬度為96。如產(chǎn)生第2 幀輸出的處理過(guò)程為，在第1場(chǎng)存入時(shí)，把高64bit屏蔽掉不寫(xiě)入，而低32 b it寫(xiě)入場(chǎng)數(shù)據(jù)(實(shí)際只利用30 b it)。在第2場(chǎng)存入時(shí)，把高32 位和低32 b it屏蔽掉不寫(xiě)入，而中間32 bit寫(xiě)入場(chǎng)數(shù)據(jù)。在第3 場(chǎng)存入時(shí)，把低64 b it屏蔽掉不寫(xiě)入，而高32 bit寫(xiě)入場(chǎng)數(shù)據(jù)。這樣在數(shù)據(jù)讀取的時(shí)候可以順序同時(shí)讀出3場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行上述的組合插值運(yùn)算，即可得到輸出。場(chǎng)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)內(nèi)格式如圖10所示。

圖10 可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)去隔行和幀率轉(zhuǎn)換的場(chǎng)存儲(chǔ)器

　　注意新的輸入場(chǎng)數(shù)據(jù)不能覆蓋掉相鄰的數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)存入時(shí)屏蔽位是在不斷跳動(dòng)的，并以5 場(chǎng)為一個(gè)周期。雖然這樣降低了寫(xiě)入的效率，但由于所有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)都是順序操作，因此從整體上來(lái)說(shuō)仍然提高了DDR2 的存取效率，并且使操作變得簡(jiǎn)單。對(duì)于NTSC 制式，由于幀率轉(zhuǎn)換部分可不用考慮，可以將只使用低64位部分進(jìn)行兩場(chǎng)存儲(chǔ)。

　　2. 3. 4 縮放模塊

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

　　插值基函數(shù)的選擇可以有很多種，通常有二維的矩形函數(shù)、線性函數(shù)、三次函數(shù)及S inc 函數(shù)等，它們分別對(duì)應(yīng)于最近鄰插值、線性插值、三次插值以及理想插值(實(shí)際中利用S inc函數(shù)截?cái)嗪蟛逯? ，其插值效果為從差到好排列，但實(shí)現(xiàn)難度也依次提高。在實(shí)際處理中是利用濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)插值基函數(shù)，而且由于這些插值的對(duì)稱(chēng)性，可以將其分解為橫向和縱向插值兩部分分開(kāi)進(jìn)行，如二維線性插值函數(shù)對(duì)應(yīng)雙線性插值( Bilinear Interpo lation)，三次函數(shù)對(duì)應(yīng)雙三次插值( B icub ic Interpo lation) ，對(duì)于Sinc 插值函數(shù)實(shí)際中為多相位插值( Po lyphase Interpo lation)。本文使用多相位插值法實(shí)現(xiàn)圖像縮放，實(shí)際上在4 ? 4領(lǐng)域大小內(nèi)進(jìn)行多相位插值和三次插值幾乎是一樣的，只是對(duì)應(yīng)插值函數(shù)值略微不同。多相位插值法是通過(guò)對(duì)輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)原圖中的領(lǐng)域進(jìn)行Lanczos2 函數(shù)移相插值來(lái)產(chǎn)生輸出點(diǎn)的。如圖11所示。

圖11 Lanczos2 函數(shù)