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

　　在視頻處理模塊中包括了大量的視頻數(shù)據(jù)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。

　　( 1)行存儲器用于存儲視頻中一行的數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量不大，用FPGA 內(nèi)部RAM 來實(shí)現(xiàn)。

　　( 2)幀存儲器用于存儲一幀視頻數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量大，用DDR2來實(shí)現(xiàn)。

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

　　2. 3 FPGA 模塊設(shè)計(jì)

　　FPGA 模塊設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 FPGA 模塊框圖

　　2. 3. 1 數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換和色度重采樣模塊

　　此模塊分為串并轉(zhuǎn)換和色度重采樣兩個(gè)部分。

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

圖4 串并轉(zhuǎn)換模塊仿真結(jié)果

　　雖然視頻分量傳輸帶來了更好的圖像還原度，但同時(shí)也帶來了數(shù)據(jù)帶寬的加大，因此很多時(shí)候人們把視覺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(shù)據(jù)帶寬。而在視頻和顯示系統(tǒng)內(nèi)部基本使用4：4：4 的信號，因此色度重采樣也成了視頻轉(zhuǎn)換中必不可少的模塊。本文實(shí)現(xiàn)了4:2:2 到4%4%4和4：4：4 到4:2:2的轉(zhuǎn)換。4：2：2 到4：4：4 的轉(zhuǎn)換方法有直接重復(fù)法、一維濾波法以及亮度自適應(yīng)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(zhuǎn)換模塊( CSC )

　　由于不同視頻標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換是十分必要的。色空間轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一個(gè)三輸入經(jīng)線性矩陣變換后得到新的三輸出，其基本的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換系數(shù)。一般視頻系統(tǒng)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(zhuǎn)換模塊框圖，其中的轉(zhuǎn)換系數(shù)可任意配置，即標(biāo)準(zhǔn)不限定。上節(jié)中的10 b it Y'CrCb可以通過這個(gè)色空間轉(zhuǎn)換器，用標(biāo)清到高清的轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)為8 b it的BT. 709標(biāo)準(zhǔn)Y'CrC 數(shù)據(jù)。

圖6 色空間轉(zhuǎn)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(jié)'CbC r轉(zhuǎn)換成10 b it的Y‘ CbC r信號，然后再轉(zhuǎn)成8 bit的R' G'B ' 信號。其中色空間轉(zhuǎn)換采用的是高清標(biāo)準(zhǔn)，采用小數(shù)部分為16 b it的定點(diǎn)小數(shù)來處理轉(zhuǎn)換系數(shù)。圖中上部分為8 bit的R'G'B'數(shù)據(jù)輸入，中間為10 b it的Y'CrCb數(shù)據(jù)，下部分為8 b it的R'G'B'數(shù)據(jù)輸出。由于做了流水線處理，輸出有3 個(gè)時(shí)鐘的延遲。

圖7 　8 b its R’G‘B’轉(zhuǎn)10 bits Y‘ CbC r再轉(zhuǎn)回8 b its R’G‘B’仿真結(jié)果