基于FPGA的電子穩像系統的設計

實際上為實現去隔行已經提出了很多簡單的濾波器。一種選擇是用同一場中的垂直內插值，這是個一維二倍上轉換的問題。理想的垂直濾波器是一個半帶低通濾波器。然而，這個濾波器要求無限長度沖擊響應是不可實現的。實際應用中使用的是短得多的濾波器。最簡單的是行平均，它用丟失行的上一行和下一行的平均來估計該丟失行。在圖2中，對于第t場，D=(C+E)/2。由于沒有使用時域濾波，所以它沿時間頻率軸具有全通特性。為了改進性能，另一種選擇是使用更長的垂直內插濾波器，其頻率響應更接近理想的半帶低通濾波器。對于第t場的行，滿意的內插方法是D=(A+7C+7E+G)/16。以上兩種方法都是只用了垂直內插。一種替代方法是使用時間內插。值得注意的是，對于一場中每個丟失行，在同一幀的另一場中有一個對應行。一個簡單的時間內插方案是復制此對應行，即D=K，J=C。這種方法稱為場合并。因為每一個去隔行幀都由合并兩場獲得,但是這兩場的時間內插是相反的(對于某些特殊圖案可能會產生視覺人為失真)。由于只在時間方向上進行了濾波，因此在垂直方向上是全通的。

為了改進性能，可以使用一種對稱的濾波器，例如，對前一場和后一場中的對應行去平均以獲得當前場中丟失的行，即D=(K+R)/2。這種方法稱為場平均。然而這種辦法內插任何一場需要涉及三個場，需要兩幀存儲器。與場合并的方法相比，在存儲器容量和延時上有不可忽視的增加。為了在時間和空間人為失真方面達到折衷，較好的方法是既用垂直內插也用時間內插。例如，通過對同一場中上一個和下一個像素以及前一場和后一場取平均進行內插的辦法得到一個丟失的像素。綜上所述，當成像的景物在相鄰兩場之間靜止時，在奇數場中丟失的偶行數應該與前一個和后一個偶場中對應的偶數行完全一樣。因此時間內插將產生精確的估計。另一方面，當景物中存在運動時，相鄰場中對應行可能不在同一個物體位置上，時間內插將產生不可接受的人為失真。而同時使用空間和時間平均的方法將產生不太嚴重的人為失真，但在存儲器容量和反應時間方面作出犧牲。

通過上述方案的對比及系統的具體要求，設計中采用了場合并的辦法，具體實現由幀存控制器完成。

1.3 幀存控制器

幀存儲器是圖像處理器與顯示設備之間的通道，所有要顯示的圖形數據先存放到幀存儲器中，然后再送到顯示設備進行顯示，因此幀存儲器的設計是圖形顯示系統設計的一個關鍵。傳統上，可以實現幀存儲器的存儲器件有多種，如DRAM、SDRAM及SRAM等。DRAM、SDRAM屬于動態存儲器，容量大、價格全家但速度較慢，且在使用中需要定時刷新。對于基于FPGA的視頻處理器，需要設計專用的刷新電路，增加了系統設計的復雜程度。SRAM速度高、接口簡單、容量較小。隨著集成電路技術的不斷發展，容量不斷增大，價格也不斷下降。在需要高速實時顯示的視頻處理系統中的使用越來越普遍。

幀存控制器的設計對于實現兩種不同視頻系統之間的圖像信號的存儲、采集和顯示顯得非常重要。為了保證數據處理與采集的連續，設計中使用了兩組幀存儲器(FRAM1、FRAM2)，由于數字化的圖像每幀大小為640×480=307200(16bit)共300K×16bit的數據量，筆者使用每組512K×16bit的靜態存儲器，存儲時間為12ns，可以保證快速地讀出和寫入圖像數據。圖3為幀存控制器的邏輯框圖。

由于輸入信號為隔行掃描的圖像數據，顯示輸出需要逐行掃描數據，因此數據存入幀存儲器時需要進行處理。設計中采用場合并行法，將兩場的數據寫入一個幀存中，構成一幅完整的逐行掃描圖像，系統利用VREF信號對此進行控制，產生的幀切換控制信號控制數據在兩個幀存中的切換。當VREF信號有效時，表明新的一場開始了，此時無效行計數器開始工作，控制不需要采集的圖像行，計數到閾值后，有效行計數器開始工作，控制所要采集的圖像行，并發出高位地十信號A[18..11];同樣，當HREF有效后，無效像素計數器開始計數每行中的無效像素，然后有效像素計數器開始計數需要采集的行聽有效像素;每次計滿640個像素后，等待下一次有效行信號的到來，同時將有效行計數器加1。由于系統選用的幀存容量較大，因此利用ODD的反相信號作為幀存地址的A10，為每行圖像提供了1024個存儲空間(實際使用640個)，可以簡化數據寫入與讀出的控制電路。隔行的視頻信號就會被逐行地存儲到幀存體中。總線隔離與控制電路用來完成數據在幀存中的寫入與讀出的同步。由于采用SRAM作為幀存體，有效像素的寫入與后續視頻接口的讀出不能在一個幀存體中同時進行，系統采用雙幀存輪流操作的方法，系統采用雙幀存輪流操作的方法：當數字化后的圖像信息寫入其中的一個幀存時，幀存控制器將另一個幀存中的像素順序讀出，送到顯示設備，反之亦然。

1.4 視頻圖像的放大變換

應用柵格理論幾何變換處理過程可以按下面方式進行描述：給定一個定義于點陣Λ1上已采樣信號，需要產生一個定義于另一個點陣Λ2上的信號。如果，Λ1中的每一個點也在Λ2中，那么此問題是上轉換(或內插)問題，可以先將那些在Λ2中而不在Λ1中的點添零(即零填充)，然后用一個作用于Λ2上的內插濾波器估計這些點的值;若Λ1)Λ2，即為下轉換(或抽取)問題，可以簡單地從Λ1中取出那么也在Λ2中的點。然而，為避免下采樣信號中出現混疊，需要對信號進行預濾波，以將其帶寬限制到Λ2*的沃格納晶體。上轉換和下轉換的過程示于圖4(a)、(b)中。更一般的情況，如果Λ1和Λ2互相不包含，就需要找到另一個即包括Λ1又包括Λ2的點陣Λ3，可以先將Λ1上采樣到Λ3，然后再下采樣到Λ2。此過程示于圖4(c)。圖4(c)中Λ3中的中間濾波器完成兩個任務：首先，內插出Λ1中漏下的采樣點;其次把Λ3中的信號頻譜限制于Λ2*的沃格納晶格。