基于FPGA的電子穩(wěn)像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)際上為實(shí)現(xiàn)去隔行已經(jīng)提出了很多簡(jiǎn)單的濾波器。一種選擇是用同一場(chǎng)中的垂直內(nèi)插值，這是個(gè)一維二倍上轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。理想的垂直濾波器是一個(gè)半帶低通濾波器。然而，這個(gè)濾波器要求無(wú)限長(zhǎng)度沖擊響應(yīng)是不可實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際應(yīng)用中使用的是短得多的濾波器。最簡(jiǎn)單的是行平均，它用丟失行的上一行和下一行的平均來(lái)估計(jì)該丟失行。在圖2中，對(duì)于第t場(chǎng)，D=(C+E)/2。由于沒(méi)有使用時(shí)域?yàn)V波，所以它沿時(shí)間頻率軸具有全通特性。為了改進(jìn)性能，另一種選擇是使用更長(zhǎng)的垂直內(nèi)插濾波器，其頻率響應(yīng)更接近理想的半帶低通濾波器。對(duì)于第t場(chǎng)的行，滿意的內(nèi)插方法是D=(A+7C+7E+G)/16。以上兩種方法都是只用了垂直內(nèi)插。一種替代方法是使用時(shí)間內(nèi)插。值得注意的是，對(duì)于一場(chǎng)中每個(gè)丟失行，在同一幀的另一場(chǎng)中有一個(gè)對(duì)應(yīng)行。一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)間內(nèi)插方案是復(fù)制此對(duì)應(yīng)行，即D=K，J=C。這種方法稱為場(chǎng)合并。因?yàn)槊恳粋€(gè)去隔行幀都由合并兩場(chǎng)獲得,但是這兩場(chǎng)的時(shí)間內(nèi)插是相反的(對(duì)于某些特殊圖案可能會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)人為失真)。由于只在時(shí)間方向上進(jìn)行了濾波，因此在垂直方向上是全通的。

為了改進(jìn)性能，可以使用一種對(duì)稱的濾波器，例如，對(duì)前一場(chǎng)和后一場(chǎng)中的對(duì)應(yīng)行去平均以獲得當(dāng)前場(chǎng)中丟失的行，即D=(K+R)/2。這種方法稱為場(chǎng)平均。然而這種辦法內(nèi)插任何一場(chǎng)需要涉及三個(gè)場(chǎng)，需要兩幀存儲(chǔ)器。與場(chǎng)合并的方法相比，在存儲(chǔ)器容量和延時(shí)上有不可忽視的增加。為了在時(shí)間和空間人為失真方面達(dá)到折衷，較好的方法是既用垂直內(nèi)插也用時(shí)間內(nèi)插。例如，通過(guò)對(duì)同一場(chǎng)中上一個(gè)和下一個(gè)像素以及前一場(chǎng)和后一場(chǎng)取平均進(jìn)行內(nèi)插的辦法得到一個(gè)丟失的像素。綜上所述，當(dāng)成像的景物在相鄰兩場(chǎng)之間靜止時(shí)，在奇數(shù)場(chǎng)中丟失的偶行數(shù)應(yīng)該與前一個(gè)和后一個(gè)偶場(chǎng)中對(duì)應(yīng)的偶數(shù)行完全一樣。因此時(shí)間內(nèi)插將產(chǎn)生精確的估計(jì)。另一方面，當(dāng)景物中存在運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰場(chǎng)中對(duì)應(yīng)行可能不在同一個(gè)物體位置上，時(shí)間內(nèi)插將產(chǎn)生不可接受的人為失真。而同時(shí)使用空間和時(shí)間平均的方法將產(chǎn)生不太嚴(yán)重的人為失真，但在存儲(chǔ)器容量和反應(yīng)時(shí)間方面作出犧牲。

通過(guò)上述方案的對(duì)比及系統(tǒng)的具體要求，設(shè)計(jì)中采用了場(chǎng)合并的辦法，具體實(shí)現(xiàn)由幀存控制器完成。

1.3 幀存控制器

幀存儲(chǔ)器是圖像處理器與顯示設(shè)備之間的通道，所有要顯示的圖形數(shù)據(jù)先存放到幀存儲(chǔ)器中，然后再送到顯示設(shè)備進(jìn)行顯示，因此幀存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)是圖形顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。傳統(tǒng)上，可以實(shí)現(xiàn)幀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器件有多種，如DRAM、SDRAM及SRAM等。DRAM、SDRAM屬于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，容量大、價(jià)格全家但速度較慢，且在使用中需要定時(shí)刷新。對(duì)于基于FPGA的視頻處理器，需要設(shè)計(jì)專用的刷新電路，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。SRAM速度高、接口簡(jiǎn)單、容量較小。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，容量不斷增大，價(jià)格也不斷下降。在需要高速實(shí)時(shí)顯示的視頻處理系統(tǒng)中的使用越來(lái)越普遍。

幀存控制器的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)兩種不同視頻系統(tǒng)之間的圖像信號(hào)的存儲(chǔ)、采集和顯示顯得非常重要。為了保證數(shù)據(jù)處理與采集的連續(xù)，設(shè)計(jì)中使用了兩組幀存儲(chǔ)器(FRAM1、FRAM2)，由于數(shù)字化的圖像每幀大小為640×480=307200(16bit)共300K×16bit的數(shù)據(jù)量，筆者使用每組512K×16bit的靜態(tài)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)時(shí)間為12ns，可以保證快速地讀出和寫(xiě)入圖像數(shù)據(jù)。圖3為幀存控制器的邏輯框圖。

由于輸入信號(hào)為隔行掃描的圖像數(shù)據(jù)，顯示輸出需要逐行掃描數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)存入幀存儲(chǔ)器時(shí)需要進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)中采用場(chǎng)合并行法，將兩場(chǎng)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入一個(gè)幀存中，構(gòu)成一幅完整的逐行掃描圖像，系統(tǒng)利用VREF信號(hào)對(duì)此進(jìn)行控制，產(chǎn)生的幀切換控制信號(hào)控制數(shù)據(jù)在兩個(gè)幀存中的切換。當(dāng)VREF信號(hào)有效時(shí)，表明新的一場(chǎng)開(kāi)始了，此時(shí)無(wú)效行計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，控制不需要采集的圖像行，計(jì)數(shù)到閾值后，有效行計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，控制所要采集的圖像行，并發(fā)出高位地十信號(hào)A[18..11];同樣，當(dāng)HREF有效后，無(wú)效像素計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)每行中的無(wú)效像素，然后有效像素計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)需要采集的行聽(tīng)有效像素;每次計(jì)滿640個(gè)像素后，等待下一次有效行信號(hào)的到來(lái)，同時(shí)將有效行計(jì)數(shù)器加1。由于系統(tǒng)選用的幀存容量較大，因此利用ODD的反相信號(hào)作為幀存地址的A10，為每行圖像提供了1024個(gè)存儲(chǔ)空間(實(shí)際使用640個(gè))，可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)寫(xiě)入與讀出的控制電路。隔行的視頻信號(hào)就會(huì)被逐行地存儲(chǔ)到幀存體中?？偩€隔離與控制電路用來(lái)完成數(shù)據(jù)在幀存中的寫(xiě)入與讀出的同步。由于采用SRAM作為幀存體，有效像素的寫(xiě)入與后續(xù)視頻接口的讀出不能在一個(gè)幀存體中同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)采用雙幀存輪流操作的方法，系統(tǒng)采用雙幀存輪流操作的方法：當(dāng)數(shù)字化后的圖像信息寫(xiě)入其中的一個(gè)幀存時(shí)，幀存控制器將另一個(gè)幀存中的像素順序讀出，送到顯示設(shè)備，反之亦然。

1.4 視頻圖像的放大變換

應(yīng)用柵格理論幾何變換處理過(guò)程可以按下面方式進(jìn)行描述：給定一個(gè)定義于點(diǎn)陣Λ1上已采樣信號(hào)，需要產(chǎn)生一個(gè)定義于另一個(gè)點(diǎn)陣Λ2上的信號(hào)。如果，Λ1中的每一個(gè)點(diǎn)也在Λ2中，那么此問(wèn)題是上轉(zhuǎn)換(或內(nèi)插)問(wèn)題，可以先將那些在Λ2中而不在Λ1中的點(diǎn)添零(即零填充)，然后用一個(gè)作用于Λ2上的內(nèi)插濾波器估計(jì)這些點(diǎn)的值;若Λ1)Λ2，即為下轉(zhuǎn)換(或抽取)問(wèn)題，可以簡(jiǎn)單地從Λ1中取出那么也在Λ2中的點(diǎn)。然而，為避免下采樣信號(hào)中出現(xiàn)混疊，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波，以將其帶寬限制到Λ2*的沃格納晶體。上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換的過(guò)程示于圖4(a)、(b)中。更一般的情況，如果Λ1和Λ2互相不包含，就需要找到另一個(gè)即包括Λ1又包括Λ2的點(diǎn)陣Λ3，可以先將Λ1上采樣到Λ3，然后再下采樣到Λ2。此過(guò)程示于圖4(c)。圖4(c)中Λ3中的中間濾波器完成兩個(gè)任務(wù)：首先，內(nèi)插出Λ1中漏下的采樣點(diǎn);其次把Λ3中的信號(hào)頻譜限制于Λ2*的沃格納晶格。