基于FPGA的視頻格式轉換系統設計
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隔行轉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，常見(jiàn)有直接重復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)之間的運算，常見(jiàn)方法有場(chǎng)混合、運動(dòng)自適應去隔行算法以及復雜度最高的運動(dòng)補償去隔行算法。本文折衷考慮使用場(chǎng)混合方法，即將場(chǎng)數據相鄰場(chǎng)兩兩合成為逐行的幀數據，如圖8所示。
圖8 場(chǎng)混合法實(shí)現隔行逐行變換
PAL和SECAM 制式的場(chǎng)頻為50 Hz，而NTSC 為60H z，當需要進(jìn)行不同場(chǎng)頻信號的疊加就需要進(jìn)行場(chǎng)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(chǎng)重復、場(chǎng)插值、運動(dòng)補償法，其中場(chǎng)插值算法如圖9所示。
圖9 50 Hz轉60 Hz的場(chǎng)插值方法
對于PAL制式從上面兩圖可知，只要能同時(shí)讀取3行場(chǎng)數據即可以實(shí)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(chǎng)數據決定,而輸出的第2 幀由輸入的第1，2，3場(chǎng)數據決定，而輸出的第3幀由輸入的第2，3，4 場(chǎng)數據決定，依次類(lèi)推。
系統使用位寬為48的DDR2存儲器作為場(chǎng)存儲器，而在FPGA 內部DDR2控制器端數據寬度為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)數據(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)數據。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)數據。這樣在數據讀取的時(shí)候可以順序同時(shí)讀出3場(chǎng)數據，然后進(jìn)行上述的組合插值運算，即可得到輸出。場(chǎng)存儲器數據內格式如圖10所示。
圖10 可以實(shí)現同時(shí)去隔行和幀率轉換的場(chǎng)存儲器
注意新的輸入場(chǎng)數據不能覆蓋掉相鄰的數據，因此在數據存入時(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，但由于所有數據讀寫(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(jìn)行兩場(chǎng)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(gè)方面，而進(jìn)行縮放的基本方法為空間插值。下式為對圖像進(jìn)行插值的一般數學(xué)表達式，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( 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(xiàn)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(xiàn)性插值、三次插值以及理想插值(實(shí)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(shí)現難度也依次提高。在實(shí)際處理中是利用濾波器來(lái)實(shí)現插值基函數，而且由于這些插值的對稱(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(xiàn)性插值函數對應雙線(xiàn)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(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)現圖像縮放，實(shí)際上在4 ? 4領(lǐng)域大小內進(jìn)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(guò)對輸出點(diǎn)對應原圖中的領(lǐng)域進(jìn)行Lanczos2 函數移相插值來(lái)產(chǎn)生輸出點(diǎn)的。如圖11所示。
圖11 Lanczos2 函數
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