基于FPGA的HD-SDI下變換的研究與設(shè)計(jì)

摘要 研究了一種采用FPGA將高清數(shù)字電視信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)清數(shù)字電視信號(hào)的方法，利用重采樣等技術(shù)降低了圖像中每行的有效像素和垂直行，完成了HD-SDI到SD-SDI的下變換。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，目前已運(yùn)用于實(shí)際工程當(dāng)中。
關(guān)鍵詞 FGPA；HD-SDI；下變換；重采樣

隨著我國(guó)數(shù)字廣播電視技術(shù)的日趨成熟，電視臺(tái)采用高清數(shù)字串行信號(hào)(HD-SDI)下變換系統(tǒng)，目前大多數(shù)下變換采用ASIC進(jìn)行高清數(shù)字電視信號(hào)下變換，成本較高且系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、移植性差、不容易升級(jí)。而利用FPGA開(kāi)發(fā)，就可以體現(xiàn)出周期短、成本低、集成度和可移植性好，可隨時(shí)更改程序以適應(yīng)電視制式標(biāo)準(zhǔn)的變更等優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種基于FPGA采用重采樣技術(shù)的HD-SDI到SD-SDI的下變換實(shí)現(xiàn)方法。

1 HD-SDI與SD-SDI的區(qū)別
根據(jù)ITU-R BT．709-3標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)SDI的高清演播室電視信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1125／50掃描標(biāo)準(zhǔn)，水平、垂直有效像素為1 920×1 080，4：2：2編碼格式，亮度信號(hào)Y的抽樣頻率為74．25 MHz，兩個(gè)色差信號(hào)Cb／Cr的抽樣頻率為37．125 MHz，采用10 bit量化，Y與Cb／Cr信號(hào)分成兩個(gè)通道傳輸，每個(gè)通道并行數(shù)據(jù)傳輸率74．25 MB·s-1；根據(jù)ITU-R BT．656標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)標(biāo)清演播室信號(hào)接口規(guī)定為625／50掃描標(biāo)準(zhǔn)，水平、垂直有效像素為720×576，4：2：2編碼格式，亮度信號(hào)Y的抽樣頻率為13．5 MHz，兩個(gè)色差信號(hào)Cb／Cr的抽樣頻率為6．75MHz，采用10 bit量化，時(shí)分復(fù)用Y，Cb／Cr一個(gè)通道傳輸，并行數(shù)據(jù)傳輸率27 MB·s-1。

2 HD-SDI下變換的系統(tǒng)描述
高清數(shù)字電視信號(hào)下變換的主要原理是一幀圖像中水平行與垂直像素點(diǎn)的減少。文中的研究主要是以FPGA為核心，HD-SDI信號(hào)以并行的形式輸入FPGA，在FPGA中進(jìn)行視頻信號(hào)重采樣算法、所取字RAM控制和YC復(fù)合處理、SD-SDI的并行信號(hào)格式的重構(gòu)等處理，從而完成HD- SDI的下變換。FPGA中對(duì)信號(hào)的整個(gè)處理過(guò)程用Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)編程實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA中的各主要處理模塊的流程圖，如圖1所示。

2．1 重采樣處理
由下變換原理可知，從HD分量信號(hào)獲得低分辨率的SD分量信號(hào)，可分別在垂直方向和水平方向上的有效視頻區(qū)去抽取有效像素點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像格式的轉(zhuǎn)換。考慮到二維空間的數(shù)據(jù)計(jì)算量和復(fù)雜性，常用兩個(gè)一維濾波器實(shí)現(xiàn)二維空間的轉(zhuǎn)換，即先在垂直方向上抽值，然后再在水平方向上抽值，這樣減少計(jì)算復(fù)雜性，提高運(yùn)算速度。抽出的值可以是相鄰幾個(gè)樣點(diǎn)去抽一個(gè)。
圖像下變換時(shí)，通過(guò)抽取濾波器抽取原有信號(hào)的取樣點(diǎn)值，增大采樣的點(diǎn)空間距離，降低每行的有效像素和垂直行。高清1 920×1 080格式下變換為標(biāo)清720×576格式，由于高清信號(hào)的水平與垂直分解力不是標(biāo)清信號(hào)4：2：2編碼的整數(shù)倍，所以本文主要通過(guò)以下兩個(gè)計(jì)算式抽取像素點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)

有效行處理原理：由視頻分量信號(hào)的特性，先找到一幀視頻信號(hào)的有效行，然后按式(2)在高清一幀共1 080條有效行中按每15行取8行循環(huán)抽取，從而得到標(biāo)清所要求的576行的有效行。