基于SDI接口的實時圖像增強顯示系統(tǒng)
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經(jīng)黑白相機輸入的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換處理后得到的是SDI接口視頻YCbCr格式中亮度Y分量，這時將CbCr在程序里填充80h，就構(gòu)成YebCr信號，而后用于輸出顯示，為了增強顯示效果，顏色更加能豐富人眼的視覺效果，下面給出一個算法將灰度轉(zhuǎn)換為偽彩色。
實現(xiàn)偽彩處理，通常是把當(dāng)前像素灰度值作為存儲地址查找RGB偽彩碼表，將碼表中對應(yīng)的RGB三色值用RGB轉(zhuǎn)換到Y(jié)ebCr彩色區(qū)間，而后輸出偽彩圖像。在FPGA里實現(xiàn)的基本方法是最大限度地利用FPGA的IP核，將RGB碼表寫到FPGA的內(nèi)嵌RAM核里，在程序中依次遍歷查找表和計算下面的公式計算出相應(yīng)的CbCr值并且輸出。
R=1．164(Y-16)+1．596(Cr-128)
G=1．164(Y-16)-0．813(Cr-128)-0．391(Cb-128)
B=1．164(Y-16)+2．018(Cb-128)
2．3 畫幅縮放
圖像的畫幅縮放也被稱為圖像重采樣，它是視頻處理中的一項重要技術(shù)。在SDI顯示輸出模塊中，由于標(biāo)清SDI顯示畫幅分辨率是720× 576，前端輸入CameraLink或者其他接口的圖像分辨率隨機，所以必然會用到圖像畫幅縮放，否則，如果圖像分辨率超出SDI的這個范圍，就會導(dǎo)致顯示不全，如果分辨率小于這個范圍，就會導(dǎo)致有黑框，直接影響后續(xù)的顯示效果。
目前畫幅縮放的算法種類繁多，但基本方法都是插值運算方面的算法，例如最近鄰插值、雙線性插值以及立方卷積插值算法等，但最近鄰插值算法在亮度變化比較快的圖像邊緣比較粗糙；立方卷積插值算法非常復(fù)雜而且運算量大，不滿足實時處理條件。同前面2種插值算法比較，雙線性插值算法運算量少、實時性高，適合于在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。
如圖3所示，假設(shè)原始圖像中的某點(x，y)，則相鄰的右側(cè)和下方像素點位置為(x+1，y)，(x，y+1)，(x+1，y+1)，假設(shè)它們的灰度值分別是P1，P2，P3，P4，在水平方向和垂直方向上的位移都是單位1，并假設(shè)待插入點的位置坐標(biāo)為：(x+dx，y+dy)。
那么根據(jù)雙線性插值算法原理得到插入點的灰度值為：
P’(x+dx，y+dy)=(1-dx)(1-dy)P1+dx(1-dy)P2+dy(1-dx)P3+dxdyP4
化簡后得到：
P’(x+dx，y+dy)=P1+(P2-P1)dx+(P3-P1)dy+[(P4-P3)-(P2-P1)]dxdy
從上式看出，當(dāng)知道待插值點的偏移距離dx和dy后，那么該插值像素點的灰度值可根據(jù)周圍的4點得到。該系統(tǒng)中的畫幅縮放處理正是采用雙線性插值算法，其在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的具體功能如框圖4所示，主要由數(shù)據(jù)緩存單元、雙線性插值單元、插值系數(shù)控制單元組成。
在實現(xiàn)圖像縮放算法以前，首要算出圖像的縮放因子k。這里以一行圖像為例，以單位長度“1”表示相鄰2個像素的距離，圖像縮放前的分辨率為A×1，圖像縮放后的分辨率為B×1，則縮放前后的圖像的像素縮放因子k=B／A。例如，分辨率為640x512的圖像縮放為720x576的圖像，則在水平方向上縮放因子k=1．25；垂直方向上的縮放因子k=1．125；根據(jù)不同的情況，在水平、垂直方向上的縮放比例因子不同。
根據(jù)圖4和插值的運算公式，每經(jīng)過一個像素時鐘，插值系數(shù)dx，dy需要實時提供給插值運算模塊，這就要求FPGA時序同步，并且FPGA各個功能模塊能夠有效配合。
3 實驗結(jié)果及分析
將硬件系統(tǒng)和相機連接，該相機基本參數(shù)是320x256分辨率，14 b像素深度，幀頻25／50可調(diào)。通過PC機的RS 232串口連接轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)換設(shè)備，使之滿足RS 422差分協(xié)議，以便發(fā)送命令給硬件系統(tǒng)和返回硬件系統(tǒng)狀態(tài)。
FPGA程序采用模塊化方式，分為圖像采集輸出模塊、雙緩存控制模塊、通信控制模塊、偽彩處理模塊、灰度拉伸模塊、畫幅縮放模塊和SDI時序生成模塊，其中偽彩處理模塊、灰度拉伸模塊和畫幅縮放模塊通過RS 422接口發(fā)送不同的指令給FPGA，就會觸發(fā)相應(yīng)的模塊工作，具體FPGA初始化過程中軟件工作流程如圖5所示。
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