基于FPGA的視頻格式轉換系統設計

　　在視頻處理模塊中包括了大量的視頻數據存儲器模塊，主要可分為行存儲器、幀存儲器以及查找表存儲器3類(lèi)。

　　( 1)行存儲器用于存儲視頻中一行的數據，由于數據量不大，用FPGA 內部RAM 來(lái)實(shí)現。

　　( 2)幀存儲器用于存儲一幀視頻數據，由于數據量大，用DDR2來(lái)實(shí)現。

　　( 3)查找表存儲器用于產(chǎn)生不規則的輸入輸出相應，如Sin函數和Gamma矯正曲線(xiàn)。

　　2. 3 FPGA 模塊設計

　　FPGA 模塊設計如圖3。

圖3 FPGA 模塊框圖

　　2. 3. 1 數據串并轉換和色度重采樣模塊

　　此模塊分為串并轉換和色度重采樣兩個(gè)部分。

　　串并轉換主要是為了把TVP5147 輸出的混合數據轉換為分量數據。由于采用了BT. 656 10- b it 4：2：2模式，其輸出數據時(shí)鐘為像素時(shí)鐘( 13. 5 MHz) 的兩倍，輸出數據依次為Cb0，Y0，C r0，Y1,Cb1，Y2，C r1 等，本模塊將其轉為4：2：2 的Y‘CbCr 分量數據，RTL 仿真結果如圖4所示。

圖4 串并轉換模塊仿真結果

　　雖然視頻分量傳輸帶來(lái)了更好的圖像還原度，但同時(shí)也帶來(lái)了數據帶寬的加大，因此很多時(shí)候人們把視覺(jué)上不那么重要的色差信號進(jìn)行了重采樣為4：2：2 (或4：1：1)以降低傳輸數據帶寬。而在視頻和顯示系統內部基本使用4：4：4 的信號，因此色度重采樣也成了視頻轉換中必不可少的模塊。本文實(shí)現了4:2:2 到4%4%4和4：4：4 到4:2:2的轉換。4：2：2 到4：4：4 的轉換方法有直接重復法、一維濾波法以及亮度自適應濾波法。

　　考慮硬件成本和處理質(zhì)量，我們選用一維濾波法，即只考慮色度通道在水平方向的濾波。圖5為采用n抽頭FIR濾波器進(jìn)行色度重采樣的模塊框圖。

圖5 4：2：2 到4：4：4色度重采樣模塊

　　2. 3. 2 色空間轉換模塊( CSC )

　　由于不同視頻標準采用了不同的色彩空間，而且有些視頻處理需要在特定色空間里處理，因此色空間轉換是十分必要的。色空間轉換實(shí)際上是一個(gè)三輸入經(jīng)線(xiàn)性矩陣變換后得到新的三輸出，其基本的轉換公式如下：

　　上式中的Ax，Bx，Cx，Sx 分別代表不同空間之間的轉換系數。一般視頻系統中涉及的色空間包括電腦的R' G ' B ' 空間，NTSC 和PAL的Y'UV 空間，以及Y’CbCr空間。圖6為轉換模塊框圖，其中的轉換系數可任意配置，即標準不限定。上節中的10 b it Y'CrCb可以通過(guò)這個(gè)色空間轉換器，用標清到高清的轉換系數轉為8 b it的BT. 709標準Y'CrC 數據。

圖6 色空間轉換模塊( Rx 為round ing 值)

　　輸入8 bit的R'G' B'信號，先經(jīng)R' G' B' 到Y'CbC r轉換成10 b it的Y‘ CbC r信號，然后再轉成8 bit的R' G'B ' 信號。其中色空間轉換采用的是高清標準，采用小數部分為16 b it的定點(diǎn)小數來(lái)處理轉換系數。圖中上部分為8 bit的R'G'B'數據輸入，中間為10 b it的Y'CrCb數據，下部分為8 b it的R'G'B'數據輸出。由于做了流水線(xiàn)處理，輸出有3 個(gè)時(shí)鐘的延遲。

圖7 　8 b its R’G‘B’轉10 bits Y‘ CbC r再轉回8 b its R’G‘B’仿真結果