一種基于FPGA的視頻圖像畫面分割器設(shè)計(jì)

由圖可知：接收到輸入信號后，根據(jù)視頻數(shù)據(jù)提取原理，檢測有效的視頻數(shù)據(jù)，每來一個(gè)時(shí)鐘，接收一個(gè)視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM模塊中;然后對RAM模塊中存放的數(shù)據(jù)取平均值;接著對這些平均值隔行隔點(diǎn)提取，把提取出的數(shù)據(jù)送入異步FIFO中，方便讀寫入DDR2 SDRAM中。

隔行隔點(diǎn)提取有效數(shù)據(jù)就是要將一些像素丟棄，本設(shè)計(jì)采用鄰域平均法來改善縮放后的視頻圖像質(zhì)量。鄰域平均法的原理是將原圖中一個(gè)像素值和它周圍鄰近8個(gè)像素值相加，然后將求得的平均值(除以9)作為新圖中該像素的值。它采用模板計(jì)算的思想，模板操作實(shí)現(xiàn)了一種鄰域運(yùn)算，即某個(gè)像素點(diǎn)的結(jié)果不僅與本像素有關(guān)，而且與其鄰域點(diǎn)的像素值有關(guān)。鄰域平均法的數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：

其中f(i，j)為給定的圖像，經(jīng)過鄰域平均處理后的圖像為g(i，j)，M是所取鄰域中各鄰近像素的坐標(biāo)N是鄰域中包含的鄰近像素的個(gè)數(shù)。

1.2.2 圖像合成和編碼模塊設(shè)計(jì)

1)圖像合成原理

在像素域的多畫面合成中，首先，對原圖像按像素進(jìn)行抽取，分別將多路圖像按照一定的比例縮小。然后，按照一定的規(guī)則將多路圖像進(jìn)行排列，排列后的圖像即為多路合成的圖像。最后，將合成的圖像編碼輸出，即可在同一個(gè)屏幕顯示多個(gè)畫面，完成對多路圖像的合成。

合成后的視頻圖像是逐行顯示的，而對于將圖像以逐行方式“繪制”到屏幕上的設(shè)備，每張圖像都是從顯示器的左上角開始，一直向右移動(dòng)，直到到達(dá)顯示器的右邊緣為止，然后向下掃描一行，重復(fù)地從左到右進(jìn)行掃描，這個(gè)過程一直持續(xù)到整個(gè)屏幕全部被刷新一次為止，如圖7所示。

SiI1161輸出的完整的一幀圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

以四路為例，首先，要分別對原圖像進(jìn)行1/4比例縮小。一幀視頻圖像有效顯示的圖像數(shù)據(jù)為26～745行，則在垂直方向上隔行抽取有效視頻行，使垂直方向縮小為原來的1/2。

在水平方向上，每行有效視頻由1 280個(gè)像素組成，每隔一個(gè)像素抽取一個(gè)有效視頻，使水平方向縮小為原來的1/2。這樣經(jīng)過垂直和水平方向的抽取所得到的圖像縮小為原圖像的1/4。

然后，按照一幀圖像數(shù)據(jù)的排列格式對抽取的各路圖像的像素進(jìn)行排列。抽取的第一路圖像的行與第二路圖像的行組成一整行，第三路圖像的行與第四路圖像的行組成一整行，四路圖像的行組成新的一幀圖像的圖像數(shù)據(jù)。

最后，將四路合成圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過SiI164編碼輸出，通過逐行掃描在一個(gè)顯示器上顯示四路圖像，即完成了四路視頻圖像合成。

2)圖像合成模塊設(shè)計(jì)

視頻圖像畫面合成的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩大類：像素域合成和壓縮域合成。基于系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)為24位R、G、B數(shù)字視頻格式，所以在視頻圖像畫面合成中采用像素域內(nèi)多畫面合成的方法。四路視頻圖像合成的實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先，分別在垂直方向和水平方向上抽取有效的視頻數(shù)據(jù)，將四路圖像各縮小為原圖像的1/4。這部分功能由有效視頻數(shù)據(jù)提取模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊在前面已經(jīng)做過詳細(xì)介紹。然后將提取的各路圖像數(shù)據(jù)按找一定順序排列，即按照一定的規(guī)律存儲(chǔ)到DDR2 SDRAM中。各路圖像數(shù)據(jù)的地址按照上一節(jié)介紹的地址產(chǎn)生方法實(shí)現(xiàn)，都有各自固定的存儲(chǔ)空間。

在完成各路視頻圖像的抽取，存儲(chǔ)后，就要對抽取的各路視頻圖像的進(jìn)行四畫面合成。根據(jù)720P系統(tǒng)數(shù)字信號的數(shù)據(jù)格式，把有效視頻數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中采用順序讀取出來，在相應(yīng)的H、V、DE信號的位置，送視頻編碼輸出，完成四路視頻圖像的合成。在合成的過程中，H、V、DE信號及時(shí)鐘信號都由第一路輸入的視頻信號產(chǎn)生。四路視頻合成圖像的排列方式如圖9所示。

2 調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過軟硬件的綜合調(diào)試，整個(gè)視頻圖像畫面分割系統(tǒng)便可以正常工作了。

采集的多路視頻圖像經(jīng)過FPGA圖像合成處理后，可以在一個(gè)顯示器顯示多路視頻圖像。

3 結(jié)束語

文中采用FPGA開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了視頻圖像畫面分割器的畫面分割的功能。研究的主要特色在于構(gòu)建了以FPGA為核心器件的視頻畫面分割的硬件平臺(tái)，通過硬件形式來實(shí)現(xiàn)視頻四畫面分割，圖像的提取、存儲(chǔ)等都在一片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的集成度，所有的模塊設(shè)計(jì)都是利用Verilog HDL編程實(shí)現(xiàn)，和軟件實(shí)現(xiàn)方法相比，系統(tǒng)在處理速度方面有了顯著的提高。輸入/輸出的信號都為DVI信號，實(shí)現(xiàn)了高清視頻畫面分割。