一種基于FPGA的電子穩像系統的研究與設計

　　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。

　　由于系統中進行放大變換采用FPGA實現，因此本文討論的重點在于如何簡化實現并提高轉換速度，上轉換中的上采樣過程為：

　　(1)式中Ψs,1和Ψs,3分別為原理圖像和上采樣信號;U(.)為上采樣運算;Λ2Λ1表示在Λ2而不在Λ1內的點的集合。插值濾波器的定義如下：

　　(2)式中，d(Λ)為柵格Λ的采樣密度;v*表示柵格Λ的轉逆柵格的Voronoi單元，即柵格Λ原點的單位元，它向所有柵格點平移將會無重疊地覆蓋整個連續空間。最簡單的插值濾波為線性插值，也可以采用二加權濾波的方法。圖像的縮放還可以采用3次樣條插值和小波分解的方法，雖然這些方法在理論上可以取得很好的圖像縮放效果，但計算復雜，即使采用快速算法，也難以實現視頻圖像的實時顯示。

　　針對視頻信號數據量大、數據流速度的特點，采用FPGA設計，可以完成幀存控制、視頻信號的實時放大與疊加功能。基于運算速度與算法實現的難易程度分析，對視頻信號的放大采用了簡單的線性插值的辦法，原理如圖5所示。視頻信號是以場或幀進行存儲的，由于數據寫入時存儲地址與圖像顯示的空間位置有確定的對應關系，因此系統需要的放大處理就變為對幀存儲體的地址線的控制問題。

　　對于本系統具體的4倍放大要求，將行同步信號先進行二倍行使能運算，并利用場同步信號對該寄存器進行復位，將生成后的二分頻行同步信號控制行地址發生器，也就是產生幀存儲器所需的高位地址;類似地利用像素時鐘、行同步信號和場同步信號就可以得到所需的低位地址。由于在幀存控制器向幀存儲器寫入數據時采用了一行點1024個位置的辦法，所以在低位地址后連接了一個比較器，當產生的低位地址小于640時，幀存儲器的讀信號有效，否則無效，以保證不會混疊入無效的數據。