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HDTV中基于ME/MC的插帧倍频FPGA实现架构研究

作　者: 陈孙阳
导　师: 陈颖琪
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 高清电视运动估计运动补偿帧率提升 VLSI
分类号: TN949.17
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 76次
引　用: 1次
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内容摘要

按照计划,我国将于2015年关闭模拟电视,全面进入数字电视时代。液晶面板由于体积小巧、外形美观、价格实惠等优点在数字电视中得到广泛的应用。随着显示尺寸的增大,液晶面板中固有的残影(shadow)、运动模糊(motion blur)等现象变得尤为突出,尤其在表现快速运动场景时视觉效果下降较为严重。为了解决该问题,有的厂商从液晶面板的物理特性出发,降低面板的液晶分子响应时间;有的通过简单的帧重复提高画面的刷新频率;也有的在两帧图像之间插入黑帧、灰帧的方法提高刷新频率。这些简单的处理方法对于视觉效果的提升并不明显。近期的研究热点主要是基于运动估计和运动补偿(Motion Estimation and Motion Compensation,ME/MC)的倍频方法。每两帧图像之间通过运算内插出一帧虚拟图像,当这幅运算出来的虚拟图像逼近“中间状态”这一理想情况时,视觉效果将改善。本课题正是在这样的背景下提出来,主要研究运动估计器及倍频处理的硬件实现电路。本文研究的硬件实现电路基于仿真过的插帧倍频算法,并在该算法的基础上根据硬件实现的特点和要求进行了裁剪,使之能够满足视频信号实时处理的要求,同时又不降低主观视觉效果。本文主要工作如下:(1)改进了Lai等人提出的奇偶阵列结构运动估计器。改进后的运动估计器保持了高速、并行计算的特点,同时使电路的工作频率有所提升;(2)实现了Lai结构和改进结构的运动估计器;验证了奇偶阵列运动估计器的功能和时序;(3)配置了多口内存控制器(MPMC)的IP Core,搭建了仿真平台,测试通过了多个口同时读写内存的功能;(4)提出了将视频帧划分为垂直的条带进行处理的方案,减少了访问外部存储器的总次数和时间;(5)提出了采用多级存储的方式分别缓存帧数据、搜索窗数据和宏块内部数据的方案。将数据分级存储后,降低了ME/MC处理模块与外部存储器之间的带宽需求;本文首先回顾了ME/MC算法的基础理论及其在插帧倍频处理中的应用,接着阐述了基于ME/MC的插帧倍频算法实现的各个步骤。然后提出了一个整体的硬件实现电路和多级存储结构、系统接口、流水处理以及主控状态机的设计方案。第四章研究现有的全搜索运动估计器的实现架构,并对Lai结构进行了改进,给出了实现结果。第五章给出了多口内存控制器的综合与仿真结果以及系统基本调试平台的搭建方案。第六章对全文进行了总结并展望课题未来的研究和发展。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-10
第1章绪论  10-16
  1.1 引言  10
  1.2 研究背景及目的  10-12
  1.3 面临的挑战及研究意义  12-13
  1.4 研究框架及主要内容  13-14
  1.5 章节安排  14-16
第2章基于 ME/MC 的插帧倍频算法  16-24
  2.1 运动估计与运动补偿原理  16-19
    2.1.1 运动估计  16-17
    2.1.2 运动补偿  17
    2.1.3 块匹配算法  17-18
    2.1.4 运动估计器硬件实现的要点  18-19
  2.2 倍频算法总体描述  19
  2.3 单向运动估计  19-20
  2.4 块分解及运动矢量取精  20
  2.5 运动补偿  20-21
  2.6 算法实验结果及分析  21-23
  2.7 本章小结  23-24
第3章基于 ME/MC 的插帧倍频电路的硬件设计  24-52
  3.1 系统需求分析与划分依据  24-27
    3.1.1 基本需求分析  24-25
    3.1.2 数据复用与存储结构分析  25
    3.1.3 条带分割策略分析  25-27
  3.2 整体实现结构  27-30
    3.2.1 输入输出接口  28
    3.2.2 多口内存控制器(MPMC)  28
    3.2.3 Cache 数据缓存  28-29
    3.2.4 运动估计器及 ME 控制器  29
    3.2.5 块分解、取精、内插模块及 MC 控制器  29-30
    3.2.6 主控模块  30
  3.3 多级存储结构  30-34
    3.3.1 三种存储介质比较  30-31
    3.3.2 数据组织方式  31-34
  3.4 系统接口设计  34-39
    3.4.1 帧时序信息  35-37
    3.4.2 输入接口设计  37-38
    3.4.3 输出接口设计  38-39
  3.5 系统中的流水处理  39-43
    3.5.1 流水设计基本思想  40-41
    3.5.2 帧级流水处理  41-42
    3.5.3 宏块级的流水处理  42-43
  3.6 主控状态机  43-47
    3.6.1 模块间主要控制信号  43-44
    3.6.2 状态机的输入输出信号和内部信号  44-45
    3.6.3 状态机的计数器和内部寄存器  45
    3.6.4 主控模块的状态分析  45-47
  3.7 存储资源占用与内存工作频率分析  47-51
    3.7.1 存储资源占用分析  47-48
    3.7.2 内存工作频率需求分析  48-51
  3.8 本章小结  51-52
第4章运动估计器设计  52-66
  4.1 几种运动估计器的运算速度比较  52-53
  4.2 奇偶阵列运动估计器设计  53-56
    4.2.1 FS-BMA 算法及数据复用特性  53-54
    4.2.2 基本处理单元及奇偶阵列结构  54-56
  4.3 改进的奇偶阵列运动估计器  56-59
    4.3.1 插入寄存器树的方法  56-57
    4.3.2 大搜索窗时的级联方案  57-58
    4.3.3 Lai 的结构与改进结构综合结果对比  58-59
  4.4 改进的奇偶阵列运动估计器设计与实现结果  59-61
    4.4.1 模块接口定义  59-60
    4.4.2 ME 模块工作时序图  60-61
  4.5 运动估计器仿真结果与分析  61-65
    4.5.1 验证内容  61-62
    4.5.2 测试数据输入与预期结果  62-63
    4.5.3 仿真结果与分析  63-65
  4.6 本章小结  65-66
第5章系统基本调试平台  66-69
  5.1 MPMC 综合结果与仿真平台  66-67
  5.2 系统基本调试平台搭建  67-68
  5.3 本章小结  68-69
第6章总结与展望  69-71
  6.1 全文总结  69
  6.2 课题未来发展展望  69-71
附录A:缩略语  71-72
参考文献  72-75
致谢  75-76
攻读硕士研究生期间发表的文章  76-79
上海交通大学硕士学位论文答辩决议书  79

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