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视频信号处理芯片中图像缩放模块的研究与设计

作　者: 赵雷
导　师: 张生才
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 视频信号处理芯片 视频格式转换 视频缩放 图像插值 宽屏转换
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 288次
引　用: 2次
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内容摘要


视频信号处理芯片是数字电视的核心芯片之一,其主要功能是将输入源通过信号处理转换成显示终端所要求的格式,并且利用OSD菜单调节实现多种显示功能。本论文的研究来源于天津市科技发展计划项目《视频信号处理芯片的研发》,视频图像缩放技术是该项目课题中的重要组成部分。本文通过对现有视频图像缩放算法研究和分析,提出了适于视频信号处理芯片的缩放算法以及硬件实现架构,最后给出了视频缩放模块的仿真和FPGA验证结果。本文研究了现行的两类主要算法:基于像素位置的插值算法和基于图像内容的插值,分别采用了三次样条插值和基于边沿检测的插值缩放算法(方向性关联插值算法和拉普拉斯边沿检测插值算法)。三次样条插值结构简单,可以实现水平和垂直分离的行缩放和列缩放。基于边沿检测算法在三次样条结构基础上对图像的边沿方向进行检测,并在边沿方向上进行菱形插值处理,以降低插值过程中损失的图像边沿信息。仿真结果对比显示,此类算法拥有比三次样条插值算法更好的图像处理质量。同时通过外部MCU的可控制性和OSD人机交互菜单的属性调节达到了系统的可配置性和扩展性,实现多种格式之间的转换和宽屏的多功能显示。本文采用自顶向下(Top-Down)的设计方法,按照系统功能模块划分、模块的RTL级代码设计、软件功能仿真、逻辑综合以及FPGA硬件功能验证等主流IC设计流程,提出了一种具有可配置的视频缩放IP软核的设计方案。到目前为止,本项目已经完成了FPGA验证,通过了天津市科委的验收。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-10
  1.1 数字电视的发展前景  7
  1.2 数字信号处理芯片的意义、发展近况及发展趋势  7-9
  1.3 本文研究的内容和发展趋势  9
  1.4 本文章节安排  9-10
第二章 视频缩放算法设计  10-36
  2.1 视频处理基本理论  10-13
    2.1.1 图像重构理论  10
    2.1.2 信号的抽取与插值  10-12
    2.1.3 任意分辨率转换  12-13
  2.2 基于像素位置的插值算法研究  13-20
    2.2.1 Sinc加窗函数法  13-14
    2.2.2 多项式函数插值法  14-20
  2.3 基于边沿方向检测的图像缩放算法  20-32
    2.3.1 基于Faroudja的DCDI的改进算法  20-27
    2.3.2 基于拉普拉斯边缘检测插值算法  27-32
  2.4 算法的原型设计和效果评比  32-36
第三章 视频缩放模块电路设计  36-56
  3.1 视频信号处理芯片的整体架构  36-39
  3.2 三次样条插值的电路设计  39-42
    3.2.1 时序控制单元  40
    3.2.2 数据存储单元  40-41
    3.2.3 插值运算单元  41-42
  3.3 电路实现的简化过程  42-43
    3.3.1 浮点运算转定点运算  42-43
    3.3.2 乘法器的优化  43
  3.4 基于边沿方向检测算法的电路设计  43-54
    3.4.1 主控制模块（Main Controller）  44-46
    3.4.2 边沿检测模块（Edge Detect）  46-50
    3.4.3 尺寸缩放模型（Scale Model）  50-54
    3.4.4 插值系数查找表（Coefficient Table）  54
    3.4.5 输入输出存储单元（Ram_in 、Data Mux and Ram_out）  54
  3.5 电路的综合结果和结构分析  54-56
第四章 视频缩放的可配置设计  56-76
  4.1 可配置性的实现基础  56-63
    4.1.1 I~2C总线的原理和实现方式  56-60
    4.1.2 MCU控制实现过程  60-63
  4.2 显示制式的可配置性设计  63-64
  4.3 16:9 宽屏与4:3 普屏的显示转换方案  64-67
    4.3.1 4:3 节目源的16:9 宽屏显示  65-66
    4.3.2 16:9 节目源的4:3 宽屏显示  66-67
  4.4 视频缩放中PIP和PoP电路设计  67-71
    4.4.3 画中画电路的设计  67-70
    4.4.4 画外画电路的设计  70-71
  4.5 人机交互的可配置设计和验证  71-76
第五章 视频缩放模块的验证和测试  76-82
  5.1 视频缩放模块的仿真功能验证  76-78
  5.2 视频缩放模块基于FPGA的实现  78-79
  5.3 视频缩放模块测试  79-82
第六章 总结与展望  82-84
  6.1 全文总结  82-83
  6.2 展望  83-84
附录1：缩放模块相关寄存器  84-85
参考文献  85-87
发表论文和参加科研情况说明  87-88
致谢  88

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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