基于FPGA的多制式视频转换系统

分析了 视频转换中的关键技术，即，视频扫描转换和视频图像处理的基本原理，并给出了一种实际的实现方案，构建了以 FPGA为控制核心的视频转换 硬件系统。利用FPGA对整个系统进行 编程配置，灵活地对系统进行控制，实现从非标准视频制式到标准视频制式以及标准制式之间的相互转换。
关键词：视频转换，前向通道，后向通道，内插，FPGA

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。

　　对于静止和慢速变化的图像，由于行、场图像信号之间存在着较大的相关性，因此，以上的行场扫描变换是可行的。对快速变换的视频图像信号而言，由于场、帧的数据信号之间的相关性很小，采用简单的内插就会产生严重的图像模糊和托尾现象。为了保持图像的连续和清晰度，可以采用两种方法来实现：第一，利用场内／帧内图像数据的相关性，采用场内／帧内行间数据内插实现场倍频。这种处理效果在变化较快的场图像之间会产生很大的突变，很容易被人眼识别；第二，使内插处理的数据自适应于图像的快速变化。这种内插处理本质上就是一个自适应的数字 滤波器，通过权值的调整来跟踪图像的变化，以达到消除图像模糊和突变的效果。常用的自适应滤波器有：定向平滑滤波器和空间变化的线性最小均方误差（LMMSE）滤波器。各种自适应滤波器由于其自适应的算法的差异，在收敛速度、跟踪特性和最优解方面存在着差异，因此，处理后的图像质量也不一致，在滤波后的图像上也会留下噪声点〔1〕。
2．2　视频图像的几何变换
　　视频信号通常是以场或者帧进行存储的，存储地址和图像显示的空间位置都有确定的对应关系。在视频转换系统中，通常都要求实现图像的位移、扩大和缩小甚至旋转，这可以通过控制读取地址来实现图像的几何变换。
　　图像的移位其实就是图像的滞后／超前显示，这可以通过延迟显示和地址顺序读取来实现。
　　而图像的扩大和缩小，是对帧图像的整体放大和缩小。这不同于图像的截取，需要对图像数据进行“压缩”或者“放大”，即，对水平和垂直方向的数据进行内插和抽取。当进行图像缩小时，如果压缩率为0．5，只需对水平方向的采样输出点数减半。如果压缩比不是整数倍，则没有准确的采样点，就必须进行数据的内插来实现，即，对临近采样点的数据加权计算来获取。同样，对图像的放大，也是通过前后相邻的数据内插来实现的。我们可以看到〔2〕，对图像进行缩小时，图像数据的取样频率降低，这将会产生频谱混叠现象，在数模转换恢复为 vwin 信号时将产生失真。为避免这种失真，应当对原来的数字信号进行压缩滤波。对图像进行放大时，相当于提高了数据的取样频率，因此不会产生频谱混叠现象〔2〕。
3　系统的硬件实现
该视频转换系统要求实现单路非标准视频信号到多路标准视频信号的转换，它输出的标准信号包括可选通标准S－Video和CVBS的NTSC／PAL输出，符合EIA RS－343A标准的不同分辨率和刷新频率的VGA输出。其硬件实现框图如图2所示。由图2可见，系统主要由两大部分组成：由专用 芯片实现的视频信号处理单元，它是由前向通道和后向通道组成的，完成视频信号的取样和处理，而基于FPGA的控制单元完成整体信号的识别和控制。

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。

　　由于FPGA特有的信号并行处理特性，能在一个时钟周期实现同步信号的 检测和识别，同时控制数据流的输入和输出，对外围器件进行配置和控制，从而提高系统的数据处理能力和速率，提高整个视频转换系统的整体性能。其中，FPGA有一个重要的功能，就是对芯片初始化和参数配置。系统中采用了I2C总线配置的存储器和视频处理芯片。由于I2C总线以两根数据连线实现对多个芯片的全双工同步数据传输，存在着标准和非标准的总线配置，芯片的配置时序相差较大，配置时的读写时序也不尽相同。FPGA作为系统的主控单元，充分利用其逻辑控制强的特点，在不同的读写时序之间灵活切换，控制I2C总线对芯片的参数进行配置，实现系统的编程控制。
　　图5为FPGA对两个不同芯片进行读操作的 仿真时序。FPGA对两个芯片分别进行读操作时，需要不同的时钟周期和不同的配置状态，图5中虚线间即为数据配置时需经历的状态。从图中可以看到，这两个芯片配置数据的同步时钟sclk　及读操作周期都不相同。
4　结束语
　　在实际系统测试中，将非标准隔行视频信号（1249线，50Hz场频）转换到分辨率为1024×768，刷新频率为60Hz的VGA视频信号输出，图像质量有了显著的提高，清晰度和细腻感增强。但是，在图像的行扫描开始的边缘有图像模糊现象，这是由于非标准视频信号的行同步周期并不完全一致所引起的。而且锁相环在初始相位锁定和跟踪同步信号时，相位跳变较大从而产生不均匀的采样时钟也会导致数据不均匀。考虑到行扫描初始的几个采样点并不会对图像产生影响，通过屏蔽这边缘的采样点来去除图像的边缘模糊。另外，如果提高 ADC和 DAC的转换精度，或者加入图像压缩、编码解码模块，将会取得更好的视觉效果。这种多制式的视频转换系统对视频转换进行了有益的尝试和探讨，具有较强的实用价值，目前已经应用于某企业的监控系统中。

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