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<--关键EN(结束)←-->1 引 言
多媒体电视系统作为多媒体技术的重要分支,尤其是多媒体电视节目制作的技术设备,已经发展到相当高的水平。在满足实时输入、输出的条件下,视频数据流压缩比的降低,使图像的技术质量得以提高。目前,在军事、工业和医学领域还存在着大量的非标准的视频系统,而高清晰度的图像质量在这些领域又是必不可少的。因此,标准视频信号转换和处理系统应运而生。现存较多的是以单片机为控制核心的标准视频制式TV-VGA之间的视频转换系统。由于单片机处理时有特有的指令周期,且外围I/O引脚较少、不能灵活配置〔4〕,这类系统转换速度较慢,功能比较单一,图像质量不太高。而现场可编程逻辑器件FPGA正好能弥补单片机的这些缺憾,实现多种制式视频信号之间的实时、高质量的视频图像转换。
2 视频转换原理
众所周知,标准VGA显示模式采用的是逐行扫描方式,在一个帧扫描周期内实现对图像的完全扫描。而标准的电视视频信号(PAL,NTSC,SECAN)采用隔行扫描机制,依次对奇数场和偶数场的奇数行和偶数行进行扫描,利用人眼的视觉暂留来实现两场1/50s扫描312.5行的图像构成625行(一帧)图像。另一方面,由于不同的视频制式的场频和行频存在很大的差异,要实现不同视频系统之间的图像信号的存储、处理和显示,就必须采用不同的处理方法。标准视频转换系统的基本原理就是非标准的视频信号经模数转换成数字信号后,通过行存储器和场存储器的缓存,完成采样图像的场频调整、信号加权直至数字信号处理,实现视频信号的转换和图像的数字化处理。
2.1 视频扫描转换的原理
视频扫描变换是建立在数字信号处理技术基础上的。不同制式的视频信号通过扫描变换来获取所需的行场图像信号。视频信号在经过缓冲、嵌位后,按照取样时钟把经过模数转换的数字信号送入存储器缓存。通过数据的内插方法进行数据扩展,即,相邻行之间的数据按照一定的算法加权,得到内插行的数据,或者相邻场/帧数据经过加权实现内插帧的数据。再以适当的速率读取处理后的数据,就可以实现倍行频/倍场频的扫描。倍行频扫描可以消除行间的闪烁现象,倍场频扫描虽然行扫描频率不变,但是场频加倍,既能消除行间的闪烁现象,还可以消除场间的大面积闪烁。同样,可以通过对扫描数据的重排来完成逐行扫描到隔行扫描的实现(两者的扫描行频都加倍,只是数据的读取顺序不变)。图1为扫描变换的原理图。
3.1 硬件系统的方案
视频处理的前向通道主要完成对输入信号的恢复和数字化。由于输入的视频信号比较微弱,首先将该信号进行无失真地放大,以额定的输出电平输入到后续信号处理电路,保证数据采样和恢复的正确性。要使图像传输不失真,就必须将高低频信号和直流分量都同步传输。但是在信号传输和耦合中常存在视频信号的直流信号丢失的现象,因此,对视频信号进行嵌位来恢复图像中的直流分量。经过嵌位的信号进行模数转换,采样后的数据送入到FIFO中进行数据缓冲。
后向通道主要完成对数字化的视频信号的处理和视频恢复。考虑到其实现的复杂性,采用专用芯片来实现视频扫描的变化和视频图像的变化。该系统中使用的是专用数字图像处理芯片DSPAL128,该芯片内置高集成化的数字视频处理器,支持标准电视制式和复合视频以及S VIDOE输出。FPGA通过I2C总线对其进行寄存器配置来实现高质量的视频信号转换,详细资料见Averlog公司的数据手册。处理完毕的信号通过数据缓冲和模数转换多路输出。
3.2 系统的主控单元实现
作为系统的主控单元,FPGA控制着整个系统的正常运作,包括时钟信号的配置、芯片初始化、参数配置和状态控制以及和外部控制单元进行通信。这主要体现在下面几个方面。
3.2.1 视频数据的同步时钟
为了实现视频恢复信号的清晰度和完整性,必须保证视频信号ADC采样频率和视频信号恢复所需行场同步信号和像素扫描频率的正确。这部分的数字频率合成是由锁相环和FPGA中实现的N可变分频计数器来获得的,其原理图如图3所示。与普通锁相环不同的是,数字频率合成单元在压控振荡器VCO(Voltage ControlOscillator)的输出端和鉴相器的输入端之间的反馈回路中加入了一个可变分频器。输入的行同步信号的频率为fR,压控振荡器的输出经N次分频后得到频率为fN的脉冲信号,两个脉冲信号在鉴相器进行相位比较。当环路处于锁定状态时,则有输出取样时钟频率fout=NfR=NfN,频率间隔为Δf=fN。只要改变预置的N可变分频数,就可以灵活调节采样速率,使得这种数字频率合成电路具有较高的稳定性和灵敏度。
3.2.2 数据流控制和参数配置
需要保证足够的信号采样率,才能保证恢复视频信号的正确性。对视频数字化的数据进行处理时除了采用高速存储器外,高速数据流控制器件也是必须的。以分辨率为1024×1024,刷新频率为60Hz的VGA视频信号为例,其采样时钟需要近60MHz,显然,一般的单片机和DSP器件都不能胜任。在对Altera公司的FLEX10KE系列的器件进行时序分析时发现,其16位计数器的最高时钟可达150MHz。显然,FPGA更适合于进行高速的数据流控制。
在本系统中,FPGA是整个系统的主控单元,利用了FPGA并行处理〔4〕的特点来提高系统的整体性能。其主要功能包括整体信号控制,视频同步信号的取样和识别,数据读写时序控制。其模块实现如图4所示。
1 A MuratTeckalp.DigitalVideo SignalPro-cessing.Beijing:Tsinghua University Press,1998
2 罗惠明.电视技术基础.广州:华南理工大学出版社,1999:417~424
3 袁双庆,余胜生,周敬利,邓晋军.VGA信号到TV信号的变换技术与系统实现.小型微型 计算机系统,1996(12):54~56
4 潘亚涛,陈 键.采用单片集成电路的VGA-TV视频格式转换器.通讯与电视,1999(11):
54~56
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