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基于FPGA的视频格式转换系统的设计与实现

作　者: 柏化春
导　师: 朱晓青
学　校: 湖南工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 视频格式转换去隔行处理帧率提升分辨率变换
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 67次
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内容摘要

随着图像显示技术，特别是大屏幕高分辨率的显示器的不断发展，人们对视频图像的质量要求越来越高。为了使原有传统视频图像能在大屏幕显示器上获得最佳的显示效果，这就需要对视频进行相关的格式转换。本课题就是围绕视频格式的相关转换而展开的。本课题主要是以分辨率为720×576、场频为50Hz的隔行扫描的模拟视频转换成分辨率为1024×768、帧频和场频均为60Hz的逐行视频为例，对系统的设计与实现进行了研究。首先对视频进行去隔行处理，本系统选用的是空间插值算法中的行复制法，该算法与其它算法相比较，更易于硬件实现。然后是视频的帧率提升，把隔行扫描的50Hz的场频变换到逐行扫描的60Hz的帧频，由于它们之间存在着帧差，又不是整数倍关系，本系统采用的是分段插帧法，及每五帧为一组进行线性插帧，同时进行相应的时域提升，在SRAM的配合与FPGA的控制下将50Hz的场频转换成60Hz的帧频。最后是分辨率的转换，本系统以分辨率为720×576转换成分辨率为1024×768为例，使用双线性插值算法在适当的像素点之间进行相应的插值，以达到分辨率放大的目的。本系统主要采用了Altera公司生产的高性能、低成本Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8F256C6来实现视频格式转换的。首先在Altera公司开发的软件Quartus II9.0中进行各处理算法程序的编写，然后通过JTAG端口将程序保存到外部的EEPROM里，系统工作时再对EEPROM中的程序进行调用。与以往视频格式转换系统相比，这种方案可以应对不同的视频格式进行相应参数修改，同时，还可以很方便地对程序算法进行更改。本系统实现了对SAA7111A的寄存器配置、存储器的乒乓操作控制以及去隔行、帧频提升、分辨率转换等图像处理算法。通过使用CCD图像传感器信号作为系统的视频源信号，以产品商所提供的LVDS-DVI视频转接盒和DELL公司生产的LCD显示器来验证了视频格式转换系统的功能与工作状态。测试结果表明，该系统的软硬件能较好的对视频图像进行格式转换，达到了设计的预期目标。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 课题的研究背景与意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 本课题研究内容  12-14
  1.4 论文的组织结构  14-15
第二章视频转换的相关理论  15-28
  2.1 视频的表示  15-16
    2.1.1 活动图像  15-16
    2.1.2 静止图像  16
  2.2 模拟视频  16-21
    2.2.1 视频的光栅扫描  16-18
    2.2.2 模拟视频的表示  18-19
    2.2.3 模拟电视系统  19-21
  2.3 数字视频  21-24
    2.3.1 模拟视频数字化  21-22
    2.3.2 数字视频的表示  22
    2.3.3 数字视频的特点及其相关应用  22-23
    2.3.4 数字视频标准  23-24
  2.4 像素间的基本关系  24-26
    2.4.1 像素的邻域  24
    2.4.2 像素的连通性  24-25
    2.4.3 像素之间的距离  25-26
  2.5 本章小结  26-28
第三章系统设计及视频格式转换算法的研究  28-51
  3.1 系统总体设计  28-29
    3.1.1 系统结构设计  28-29
    3.1.2 系统功能设计  29
  3.2 视频去隔行技术  29-36
    3.2.1 线性滤波去隔行  31-33
    3.2.2 非线性滤波去隔行  33-35
    3.2.3 运动补偿算法  35-36
  3.3 帧率提升技术  36-41
    3.3.1 帧率提升算法的基本原理  36-37
    3.3.2 非运动补偿线性插帧法  37-39
    3.3.3 运动补偿线性插帧  39
    3.3.4 插补帧的时域分布  39-41
  3.4 分辨率变换技术  41-49
    3.4.1 分辨率变换理论基础  42-43
    3.4.2 理想插值函数  43-44
    3.4.3 最邻近插值法  44-45
    3.4.4 双线性插值法  45
    3.4.5 B 样条插值法  45-46
    3.4.6 三次插值法  46-48
    3.4.7 本课题选用的插值方法  48-49
  3.5 本章小结  49-51
第四章系统的实现与测试  51-74
  4.1 系统的硬件设计  51-58
    4.1.1 系统的总体电路设计  51-52
    4.1.2 解码芯片外围电路  52-54
    4.1.3 FPGA 外围电路  54-56
    4.1.4 SRAM 外围电路  56-58
    4.1.5 LVDS 外围电路  58
  4.2 系统转换功能的实现  58-69
    4.2.1 去隔行实现  58-60
    4.2.2 帧率提升实现  60-62
    4.2.3 分辨率变换实现  62-69
  4.3 系统的测试与分析  69-73
    4.3.1 系统的测试  69-71
    4.3.2 系统测试结果及分析  71-73
  4.4 本章小结  73-74
第五章总结与展望  74-76
  5.1 研究工作总结  74-75
  5.2 未来工作展望  75-76
参考文献  76-81
攻读学位期间主要的研究成果  81-82
致谢  82

基于FPGA的视频格式转换系统的设计与实现

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