pdp機(jī)房多制式數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

pdp機(jī)房多制式數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

1數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路視頻源轉(zhuǎn)換電路是pdp集成電路的重要組成部分。它的主要功能是解碼和數(shù)字模擬信號(hào)的通道，并提供必要的預(yù)處理。同時(shí)，可以為pdp集群提供同步信號(hào)、消隱信號(hào)和時(shí)間信息。有了多制式數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路,就使得PDP能夠兼容各種現(xiàn)存的視頻制式,使其應(yīng)用面更廣。同時(shí),數(shù)字視頻制式的標(biāo)準(zhǔn)化也為下一步對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行各種優(yōu)化處理作了必不可少的鋪墊。在一個(gè)PDP顯示系統(tǒng)中,數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路作為接口電路的核心部分,其重要作用是不言而喻的。它對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)處理的好壞直接關(guān)系到這個(gè)PDP顯示系統(tǒng)對(duì)視頻制式的支持以及顯示圖像質(zhì)量的優(yōu)劣。研究多制式數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路對(duì)于PDP的應(yīng)用和發(fā)展是很重要的。高端的數(shù)字視頻處理芯片在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的研究歷史,西安交大于1994年率先提出研制開(kāi)發(fā)數(shù)字視頻格式轉(zhuǎn)換與處理專(zhuān)用集成電路的立項(xiàng),先后在國(guó)家863計(jì)劃和省市科技計(jì)劃的支持下,經(jīng)過(guò)6年多的科技攻關(guān),采用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)自適應(yīng)插補(bǔ)算法,實(shí)現(xiàn)了隔行/逐行掃描變換,開(kāi)發(fā)出了國(guó)內(nèi)的首枚數(shù)字視頻處理芯片。在此之后,海爾集成電路設(shè)計(jì)有限公司、北京中星微電子有限公司等眾多的國(guó)內(nèi)公司都將注意力投放到了數(shù)字視頻處理芯片的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)上來(lái)。本文介紹了我們開(kāi)發(fā)多制式數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方案實(shí)例。2系統(tǒng)功能要求多制式數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)為復(fù)合視頻信號(hào)(包括PAL/NTSC/SECAM幾種制式)、S-VIDEO信號(hào)和VGA信號(hào)。輸出信號(hào)為RGB888格式同步輸出信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)(VS)、行同步信號(hào)(HS)、消隱信號(hào)(DE)和時(shí)鐘信號(hào)(CLK)。要求系統(tǒng)具備如下功能:(1)兼容現(xiàn)存多種視頻格式,包括PAL/NTSC/SE-CAM/S-Video和VGA模式;(2)對(duì)于復(fù)合視頻信號(hào)能進(jìn)行隔行/逐行轉(zhuǎn)換;(3)對(duì)單幀視頻信號(hào)進(jìn)行尺度變換,進(jìn)行縮小和放大;(4)進(jìn)行幀頻轉(zhuǎn)換(要求50Hz和100Hz);(5)具有亮度/色度/飽和度調(diào)節(jié)功能。根據(jù)要求設(shè)計(jì)的視頻卡功能結(jié)構(gòu)如下圖所示:2.1解碼芯片的模擬輸入需要解碼的視頻信號(hào)主要有幾種類(lèi)型,一種是復(fù)合視頻信號(hào),比如PAL/NTSC/SECAM,一種是S端子信號(hào)(Y/C),還有一種是VGA信號(hào)。解碼工作需要針對(duì)這幾種模式進(jìn)行。SAA7118是PHILIPS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款視頻專(zhuān)用解碼芯片,功能很強(qiáng)大。它支持I2C總線,需要有MCU通過(guò)I2C總線對(duì)它進(jìn)行控制才能正常運(yùn)行。不同格式的視頻信號(hào)通過(guò)輸入端子接入解碼芯片的模擬輸入端(7118共有16路模擬接口,可同時(shí)輸入16線的信號(hào))。可以通過(guò)設(shè)定輸入模式的控制字來(lái)確定輸入的信號(hào)模式。SAA7118共有40種信號(hào)輸入模式,其中CVBS模式為16種,YC模式為8種,Y-PBPR模式為4種,RGB模式為4種。所有的這些輸入視頻信號(hào)都被送到ADC進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換,但是不同的信號(hào)有著不同的輸出。如果是YUV/GRB分量信號(hào),則先轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的分量信號(hào),然后通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣變換為YCrCb分量信號(hào)。如果是S-VIDEO信號(hào),則通過(guò)ADC先轉(zhuǎn)換為數(shù)字的Y/C信號(hào),然后亮色信號(hào)分別經(jīng)過(guò)亮色處理,轉(zhuǎn)化為YCrCb分量信號(hào)。如果是CVBS信號(hào),則首先通過(guò)ADC數(shù)字化,然后通過(guò)一個(gè)梳狀濾波器改善亮色分離性能后再分別進(jìn)行亮色處理,最后同樣的轉(zhuǎn)化為亮色信號(hào)YCrCb分量。在處理亮度和色度信號(hào)的同時(shí),同步信號(hào)也得到了解碼。該信號(hào)一方面被用來(lái)作為解碼的輸出控制,另一方面還可以用來(lái)協(xié)助BCS控制及分辨率變換處理,NTSC制式時(shí)為720×480,PAL制式時(shí)為720×576。2.2場(chǎng)間插補(bǔ)算法隔行到逐行掃描變換的基本方法就是利用已知的圖形信息,通過(guò)線性?xún)?nèi)插方法重構(gòu)出每場(chǎng)中缺少的行。一種獲得插補(bǔ)行的最簡(jiǎn)單的方法是利用圖像的空間相關(guān)性,直接利用場(chǎng)內(nèi)上一行和下一行的信息平均來(lái)獲得,即場(chǎng)內(nèi)插補(bǔ)。方法僅需要少量行存儲(chǔ)器,算法簡(jiǎn)單,運(yùn)算量小,可以有效地消除閃爍,增加圖像的細(xì)膩感,但它沒(méi)有充分利用電視圖像的時(shí)間相關(guān)性,圖像的垂直清晰度并未提高;另一種方法是利用電視圖像的時(shí)間相關(guān)性,將相鄰兩場(chǎng)的掃描線鑲嵌,即場(chǎng)間插補(bǔ)。這種方法需要大容量的場(chǎng)存儲(chǔ)器,可以消除閃爍,提高靜止區(qū)域圖像的垂直清晰度,但對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)模糊。這兩種線性插補(bǔ)算法,對(duì)圖像的所有部分采用同一算法,而實(shí)際圖像既包括靜止部分也包括運(yùn)動(dòng)部分,如果沒(méi)有根據(jù)圖像的局部特征而采用相應(yīng)算法,則不能保證圖像的所有部分均獲得好的轉(zhuǎn)換效果。因此,必須采用基于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的自適應(yīng)控制內(nèi)插算法,即首先通過(guò)判斷待插補(bǔ)點(diǎn)是靜止還是運(yùn)動(dòng),然后對(duì)靜止圖像采用場(chǎng)間插補(bǔ),對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像采用場(chǎng)內(nèi)插補(bǔ),以達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換效果。2.3非線性放電的運(yùn)用一般的視頻處理器都支持圖像格式的尺度變換,但是他們大都采用了線性變換,即對(duì)整屏的數(shù)據(jù)采用相同的縮放比例進(jìn)行縮放。在我們開(kāi)發(fā)的視頻處理器中引入了非線性縮放特性,它通過(guò)對(duì)寄存器的值的設(shè)定,在垂直方向上設(shè)定上、中、下三個(gè)區(qū)域,在水平方向上設(shè)定左、中、右三個(gè)區(qū)域。對(duì)于處在中間區(qū)域的使用線性變換(根據(jù)寄存器設(shè)定的值進(jìn)行變換),對(duì)處在旁邊的兩個(gè)區(qū)域,可以使用線性變換或者非線性變換(遞增或者遞減模式變換)。2.4變換后的信號(hào)失真經(jīng)過(guò)前面視頻解碼以及去隔行處理后,視頻格式的幀頻為50Hz和60Hz兩種標(biāo)準(zhǔn)。在輸入給顯示屏顯示之前,需要將這兩種視頻格式的幀頻進(jìn)行統(tǒng)一。要對(duì)原有視頻信號(hào)的幀頻作變換,首先要最大程度的利用原有信號(hào)的信息量,這樣才能讓變換后的信號(hào)失真最小。由于幀頻轉(zhuǎn)換后,目標(biāo)視頻的圖像序列所處的時(shí)間點(diǎn)同原有視頻信號(hào)的圖像序列處于不同的時(shí)間標(biāo)度上。其中有的圖像的時(shí)刻能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng),而有的圖像的時(shí)刻則相距較遠(yuǎn)。對(duì)于那些時(shí)間點(diǎn)能準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)(或者有較小偏差)的幀,完全可以采用復(fù)制的方式,利用源幀圖像作為目標(biāo)幀的圖像。而對(duì)于那些時(shí)間偏差較大的對(duì)應(yīng)幀,則需要利用插值的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐紤]到硬件實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,因此,我們首先提出了采用可調(diào)整的幀復(fù)制策略,即動(dòng)態(tài)的對(duì)整個(gè)圖像序列中需要插值的幀進(jìn)行調(diào)整。規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間間隔作為最小插值時(shí)間間隔△t,假設(shè)目標(biāo)幀的時(shí)刻為t3ilinx公司的fpga因?yàn)樵撍惴▽?duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高,一般的DSP處理器無(wú)法滿足需要,因此選用FPGA器件來(lái)實(shí)現(xiàn)算法。根據(jù)已有文獻(xiàn),采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸l提升的算法可以采用5萬(wàn)門(mén)的邏輯電路實(shí)現(xiàn),為保證裕度,選用10萬(wàn)門(mén)的邏輯器件。與CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)相比,FPGA(FieldProgrammableGateArray)具有更高的集成度、更強(qiáng)的邏輯功能和更大的靈活性。FPGA屬于陣列型PLD,這里以Xilinx公司的FPGA為例來(lái)進(jìn)行相關(guān)的介紹。XC9500是Xilinx公司采用Flash工藝的PLD,常見(jiàn)型號(hào)有XC9536,XC9572,XC95144;CoolRunner原是PHILIPS的PLD產(chǎn)品,99年被Xilinx收購(gòu),特點(diǎn)是功耗很低,可以用于電池供電系統(tǒng).;CoolRunner-II是最新一代1.8v低功耗PLD產(chǎn)品。Spartan是中等規(guī)模SRAM工藝FPGA;Spartan-II是2.5VSRAM工藝FPGA,Spartan的升級(jí)產(chǎn)品;Virtex/Virtex-E是大規(guī)模SRAM工藝FPGA;Virtext-II是大規(guī)模SRAM工藝FPGA,Virtex的下一代產(chǎn)品。其中,Virtex-II系列FPGA由于其容量大、速度快等一系列優(yōu)點(diǎn),在科研開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用,圖5是FPGA的基本結(jié)構(gòu)框圖。本文采用XILINX公司的XCV100E芯片作為硬件實(shí)現(xiàn)。視頻格式的轉(zhuǎn)換算法,包括去隔行算法、幀頻轉(zhuǎn)換算法、尺度縮放算法都是在一個(gè)FPGA中實(shí)現(xiàn)。SAA7118解碼芯片出來(lái)的解碼信號(hào)輸入到FPGA后,通過(guò)MCU控制轉(zhuǎn)換參數(shù),根據(jù)客戶(hù)要求,將FPGA的輸出變換為需要的形式。在中間轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,因?yàn)樾枰M(jìn)行多幀圖像的處理,所以需要對(duì)每幀輸入的信號(hào)作暫存處理。采用SDRAM存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù),利用FPGA對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,然后輸出變換后的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)輸出的同時(shí),時(shí)鐘信號(hào)、同步信號(hào)以及數(shù)據(jù)使能信號(hào)同時(shí)輸出,提供給PDP的驅(qū)動(dòng)電路。本文采用10萬(wàn)門(mén)的邏輯器件,本算法用了總資源的45%,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),該算法得到了很好的應(yīng)用效果。4sdram算法本