（微电子学与固体电子学专业论文）led平板显示器中图像缩放与显示控制的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 l e d 平板显示器以其使用寿命长、可靠性高、环境适应能力强等优点成为 平板显示器产品的主流之一。 文章主要针对l e d ( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 平板显示器的图像缩放处理与 扫描控制两大问题，展开了讨论并实现了系统设计。 文章从l e d 平板显示器的实际应用及发展背景出发，在讨论几种图像缩放 算法的基础上，提出并实现了一种新的算法即矩形窗算法：将该算法与传统算 法进行比较和m a t l a b 仿真，验证了新算法的有效性；提出了用硬件描述语言加 以实现设计方案，并对缩放模块进行了优化。 文章针对l e d 平板显示器扫描数据排序特点与显示效果的关系，采用了“权 重分解插序”的扫描模式。详细说明该扫描模式的工作原理与具体实现方法： 完成了l e d 平板显示器全彩高灰度级的扫描显示，确保了扫描图像的还原质量， 提高了图像显示的稳定性。 针对图像缩放、显示扫描算法模块，文章研究使用c p l d 作为硬件核心器 件来构建高密度、高集成系统的可行性；简化了系统硬件设计结构，提高了系 统的运行速度。 文章对l e d 显示器的整个系统进行了尝试性的设计。对系统的通讯协议、 u s b 2 0 控制模式、数据d m a 传输的特点及系统整体设计的可靠性进行了讨论。 关键词：l e d 显示器；图像缩放算法；l e d 平板显示器灰度扫描控制 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e d ( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) f p d ( f l a tp a n e ld i s p l w ) h a s b e e no n eo f t h ef p d d e v e l o p i n g m a i n s t r e a m sb e c a u s eo fi t s l o n g e v i t y , h i g hr e l i a b i l i t y a n d g o o d a d a p t a b i l i t y t h et h e s i sg i v e st h ei m p l e m e n t a t i o nf o ran e wa l g o r i t h m ( w i n d o w s s c a l e ) f o r t h e i m a g es c a l i n g o fl e dp a n e l t h et h e s i sa l s ob r i n g sf o r w a r dw e j i g h t d e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s mt op r e v e n tt h ef l i c k e r - n o s eo fl e d f p d a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no ft h el e df p d ，t h i st h e s i sg i v e sad e s i g nf o rt h e d i s p l a yc o n t r o ls y s t e mf o rt h el e d f p d t h ew i n d o w s s c a l ea l g o r i t h mi ss i m i l a rw i t hb i l i n e a r , m a k e sg o o dh i g h f r e q u e n c yr e s p o n s e a l lt h ea l g o r i t h m si n c l u d i n gn e a r e s ti n t e r p o l a t i o nw a sc o m p a r e d i nm a t l a b t h en e wa l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e di nc p l d t h ei m p r o v e da l g o r i t h m i sp r o v e dt oh a v eg o o ds c a l ep r o p e r t yw i t hl o wh a r d w a r ec o n s u m p t i o n t h ew e i g h td e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s mi su s e dt op r e v e n tt h ef l i c k e r - n o s eo f l e df p d i na l l u s i o nt ot h ef e a t u r e so fg r a y - c o n t r o la n df l i c k e r - n o i s eo fl e df p d ， t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dw e i g h td e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s m ，t w o - p a g e ss t o r e m e c h a n i s m ，b i gp o w e rd e c o m p o s i t i o n a n dc h a o s s c a n n i n g m e c h a n i s ma n d m u l t i c y c l eg a y - c o n t r o lm e c h a n i s m w i t ht h e s em e c h a n i s m s ，t h et h e s i ss o l v e st h e p r o b l e mo f f l i c k e r - n o i s ee f f e c t t h ei m a g es c a l i n gm o d u l ea n dt h ed i s p l a yc o n t r o lm o d u l ei si m p l e m e n t e db y c p l d t h ef e a s i b i l i t yo fb m m m gah i g hd e n s i t yi n t e 乒a t e ds y s t e mi sa l s od i s c u s s e d t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h es y s t e mi so p t i m i z e df o rhj i g hs p e e d t h et h e s i sd e t a i l e dd i s c u s s e st h eh a r d w a r er e a l i z a t i o nf o rt h ew h o l el e d d i s p l a yc o n t r o ls y s t e m ，s o f t w a r er e a l i z a t i o na n d t h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n k e y w o r d ：i m a g es c a l i n g ，l e dg r a y - c o n t r o l ，f l i c k e r - n o i s e v i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 日期：呸茎! 三箩 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 1 1 课题来源 第一章绪论 本论文的研究内容受到“新型显示技术与应用集成( 教育部) 重点实验室开 放基金”与“上海市科学技术委员会s d c 重点项目( 项目编号：0 4 7 0 6 2 0 1 2 ) ” 的资助。 1 2 问题的提出与课题研究的目的 随着新型材料的应用和电子工业的革新，平板显示器发展迅猛【1 】【2 1 已成为现 代社会的主流显示设备。目前，液晶显示器件( l c d ) 异军突起；电致发光显示 ( e l ) 东山再起；发光二极管( l e d ) 显示寿命长、可靠性高：等离子显示( p d p ) 发展前景不可低估；荧光显示器件显示( d ) 优美、豪华，具有极好的显示效 果；有机电致发光显示( o l e d ) 、平板场发射显示器( f e d ) 刚刚诞生，就已 显示出巨大的生命力和竞争力。 发光二极管( l e d ) 是一种电一光转换型器件，是p - n 结构，在p n 结上加 正向电压，产生少数载流子注入，少数载流子在传输过程中不断扩散，不断复合 而发光。l e d 的产生，最早可以追溯到1 9 2 3 年o w l e s s e w 所观察到的s i c 单 晶注入型发光现象。到2 0 世纪6 0 年代，单晶生产技术的产生，给二极管的制作 奠定了坚实的基础。1 9 8 0 年以后，随着情报信息化社会的高度发展，光情报处 理技术得到了迅速发展，l e d 在扩大发光波长范围和性能方面大大提高，并迅 速进入批量化和实用化发展，进而开始形成平板显示产品，即l e d 显示屏。 l e d 平板显示器是利用l e d 点阵模块或像素单元组成的平板显示屏幕。 l e d 平板显示器以其使用寿命长、可靠性高、性价比高、环境适应能力强等优 点，在短短的二十来年中，得到了广泛应用，成为大尺寸平板显示器的主流产品 之。l e d 平板显示器已经达到了超高亮度全彩色视频显示的水平，其应用领 域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。 上海大学硕士学位论文 l e d 平板显示器控制系统一般包括微机控制、数据通信、扫描控制和l e d 显示驱动四部分。操作过程是由微机将处理好的视频图像、字符等信息通过数据 传输通道传送给控制扫描电路，然后控制扫描电路通过行列驱动模块使l e d 显 示屏从物理上再现视频图像及文字等信息。 l e d 平板显示器是一种非标准产品，其显示控制方式主要采用单片机配合 逻辑电路 5 7 】或采用c p l d ( 复杂可编程器件) 直接控制【9 】 13 1 来完成各种显示功 能。针对需要实时显示的视频信息，全彩色l e d 大屏幕平板显示器除传输的数 据量具有非常巨大的特点外( 一帧信息量为：点阵数帧数灰度级数颜色数) 一般要求其扫描刷新频率大于6 0 h z ，具有高灰度级显示功能，图像分辨率及显 示窗口尺寸根据实际要求可变的特性【】，。因此，根据l e d 显示屏象素尺寸大小 进行图像尺度变换、为完成不同显示效果，进行l e d 显示系统设计是平板显示 器设计中的两大关键问题，也是本论文的主要研究目的。 1 3 论文研究内容及创新点 本文研究内容及创新点主要有以下几方面： 1 、研究适用于l e d 平板显示器的图像缩放处理方法，以改善不同像素尺寸的图 像显示效果。论文实现一种新的图像缩放算法即矩形窗算法，并将该算法与传统 算法进行了比较和m a t l a b 仿真，验证了新算法的有效性；提出了用硬件描述语 言加以实现设计方案，具有创新性。 2 、研究l e d 平板显示器扫描数据排序特点与显示效果的关系，针对闪烁噪声产 生的机理，采用了“权重分解插序”的扫描模式。论文详细说明了该扫描模式的 工作原理与具体实现方法；运用数字图像位权分解处理、数据双页存储机制和去 闪烁噪声处理等手段，完成了l e d 平板显示器全彩高灰度级的扫描显示，确保了 扫描图像的还原质量，提高了图像显示的稳定性。 3 、针对图像缩放、显示扫描算法模块，研究使用c p l d 作为硬件核心器件来构 建高密度、高集成系统的可行性；为l e d 显示屏控制模块的片上系统( s o c ) 实现打下了坚实的基础。论文利用复杂可编程逻辑控制器( a c e x l k 5 0 ) 高速、 高集成度的特点，配合高速s s r a m ( i s 6 1 n p 2 5 6 3 6 ) 完成图像缩放处理，数据 上海大学硕士学位论文 存储和l e d 平板显示器控制扫描任务；简化了系统硬件设计结构，提高了系统 的运行速度，同时可靠性和稳定性也有了较高的提升。 4 、对l e d 显示器的硬件系统进行了尝试性的设计。论文利用增强型单片机完成 了整体协调和u s b 2 0 应用协议处理功能；对系统的通讯协议、u s b 2 0 控制模 式、数据d m a 传输的特点及系统整体设计的可靠性进行了讨论。 1 4 文章结构 本文的主要内容是l e d 平板显示器系统的设计与研究，围绕这些内容，文 章分八个章节来详细阐述： 第一章主要对论文整体结构进行了说明，介绍了研究背景，指出了研究的主 要问题与论文作者所做的主要工作。 第二章介绍了l e d 显示系统的整体架构，叙述了系统的特性，着重介绍了 图像缩放模块与驱动模块的数据处理。 第三章主要介绍了矩形窗缩放算法及其实现，其中还介绍了两种其他代表算 法，双线性插值算法与b 样条缩放算法，用m a t l a b 对这几种算法进行了比较， 并给出了详细的硬件设计方案，包括存储器，运算单元，时序模块等等。 第四章主要针对l e d 平板显示器的特点，详细阐述扫描处理机制，针对闪 烁噪声产生的过程，采用了一种“权重分解插序”的扫描模式：并详细说明了该 扫描模式的工作原理与具体实现方法。 第五章主要介绍了l e d 显示系统电路的构建，包括高速数据传输电路与扫描 驱动系统的电路设计。介绍了 j s b 高速接1 ：3 电路的设计与l e d 平板显示器的点阵 电路，列驱动电路与行驱动电路的设计与详细的实现方法。同时也介绍了显示器 的电源模块，c p u 的核心控制，按键扫描模块。 第六章详细说明了显示控制逻辑，详细介绍了u s b 的d m a 通道接口设计， 读入图像数据进行的图像预处理过程，微机管理模块设计，总线仲裁模块的设计。 第七章则详细的介绍了l e d 平板显示系统的调试过程，其中完成u s b 数据 传输通道的调试与显示控制系统板的调试。 第八章为全文的总结与对l e d 显示系统进一步研究的展望。 上海大学硕士学位论文 第二章l e d 显示系统架构概述 2 1 系统架构与工作原理 本文针对l e d 平板显示器的研究是以l e d 扫描显示的设计与图像处理系统 展开的，其主要工作分为两个部分：图像缩放处理和l e d 平板显示器显示控制。 论文中提出一种新的矩形窗缩放算法，实现l e d 显示屏显示窗口的变换。 该种图像缩放算法效果较好，针对硬件处理来说该算法并不复杂，效率较高。 在l e d 平板显示器控制系统架构方面，主要分析了平板显示器扫描产生图 像的方法、数据预处理机制和去噪声处理方法。 根据l e d 平板显示器系统和u s b 2 0 总线技术的特点，设计了显示控制系 统，具体的硬件设计总框架如图2 1 所示。 图2 1l e d 显示系统框架 在图2 1 系统框架中，高速数据传输环节采用了u s b 2 0 总线技术来完成大 批量图像数据的传输任务；采用高速s s r a m 来完成高速数据的缓冲；图像缩放 处理模块主要包括存储单元，运算单元，时钟模块。l e d 平板显示器显示控制 电路主要包含l e d 平板显示器行驱动电路、列驱动电路、l e d 点阵模块和显示 4 上海大学硕上学位论文 扫描逻辑控制。图像缩放处理和l e d 平板显示器显示控制逻辑采用c p l d 来完 成，在整个系统设计中采用高速单片机作为核心控制微处理器来进行系统整体协 同管理，提高系统整体可靠性和稳定性。 视频图像数据( r g b 信号及控制信号) 由p c 机通过u s b 接口d m a 通道 输入，进入图像缩放预处理模块，每个象素r g b 数据3 * 8 b i t s ，经过处理后存入 f i f o ，图像缩放模块对其进行运算处理，处理后生成的与l e d 显示屏分辨率一 致的图像数据再进行位权分解存储，每个像素信号转换成显示控制模块能读取、 分解的数据，在显示控制模块中进行图像数据位权分解处理，并将信号分别送入 行驱动模块与列驱动模块，在l e d 显示屏上生成还原图像信息。 2 2 显示控制器片上系统( s o c ) 实现的概念 在2 1 节中提到的l e d 显示控制系统，通常的实现方法是采用多片不同功 能特性的小规模芯片，在一个印刷电路板( p c b ) 上进行系统整合来实现l e d 控制器的整体电路功能；这样的系统实现方案会存在系统功耗大、抗干扰能力差 和可靠性等须加以解决的问题。如果能把整个控制器系统整合到一片芯片上，将 会大大提高系统性能，节省开销。这也是大多数系统和集成电路芯片设计者的心 愿。本论文在l e d 平板显示控制系统设计时，充分考虑上述问题，已将缩放及 显示控制电路植入于c p l d 芯片中，若将核心微控制器口核嵌入该芯片即可实 现l e d 显示控制的片上系统。下面简单介绍一下s o c 的实现的概念【4 l 。 利用e d a 工具和硬件描述语言，根据产品特定要求设计性价比高的s o c ， 是目前国际上广泛使用的方法。大多数s o c 中都含有微处理器如a r m 核等。 s o c 的设计概念与传统设计方法不同，在设计开始阶段并不一定需要具体的 m p u 控制器、开发系统以及带有外围电路的线路板进行系统硬件调试，所需要 的只是由a s i c 设计公司和工艺生产厂提供的p 核和标准单元库。设计人员在 e d a 工具的环境下设计和仿真自定义的电路模块，并利用标准单元库通过综合 和布线工具自动转换为电路结构，或者采用全定制方法直接画出版图，与设计公 司提供的m 核结合形成s o c 芯片版图，经过功能仿真和静态时序分析等工具验 证后，即可制造片上系统的a s i c 。 上海大学硕士学位论文 第三章图像缩放算法研究与实现 3 1l e d 平板显示器图像缩放算法比较 由于l e d 平板显示器是分辨率固定的显示器件，只有当显示图像分辨率 与l e d 显示器的分辨率一致的时候才能达到最好的显示效果。图像的缩放处理 是平板显示器的显示处理中非常重要部分，其算法的好坏与效率的高低直接影响 图像显示的效果。 图像的放大与缩小过程实际上是一个重取样的过程，即根据离散的取样点 估算出一个连续函数，在图像的放大与缩小过程中间，除已有的像素坐标发生变 换外。还需要相应插值运算找出输出图像中的额外像素的值。插值运算的方法有 最邻近插值法和双线性插值法等许多种，但是插值操作的方式都是相同的。无论 是用何种插值方法，首先都需要找到与输出图像像素相对应的输入图像点，然后 再通过计算该点附近某一像素集合的权平均值来指定输出像素的灰度值。像素的 权是根据像素到点的距离而定的，不同插值方法的区别就在于所考虑像素集合不 同。 图像缩放将输入视频窗口按给定比例放大或缩小，使输出窗口与显示屏像素 点一致。尺度变换通过插值( i n t e r p o l a t i o n ) 完成，插值也称“样本重置”，用 于确定某个函数处于离散采样值之间的数值13 1 。插值通常利用曲线拟合的方法， 通过离散输入采样点重构一个连续函数以求得任意变量的函数值。采样是用有限 带宽信号来产生无限带宽信号，而插值正好相反，它通过对离散信号作低通滤波 处理，减少信号带宽。插值函数恢复了采样过程中丢失的信息，因而插值可以看 作采样的逆过程。对于等间隔采样数据，插值用卷积表示为： k - i f ( x ) = g h ( x 一) ( 3 - 1 ) k = o 其中h 为插值核，g 为权系数，卷积对k 个数据作处理。实际应用中，h 总是对称的，即 = ( - x ) ，g 可看作采样值。插值核h 的性质可以通过频域特 性评估。理想的h 在带通区具有单位增益，在带阻区具有0 增益，以此对不同频 上海大学硕士学位论文 率的信号进行放大或抑制，h 的作用等同于用滤波器。 理想滤波器在空间域内具有很宽的拓区，故称为无限脉冲响应滤波器( i i r ) ， 但实际中此类滤波器无法实现，仅能在一定程度上近似。另一类可实现的滤波器 称为有限脉冲响应滤波器( f i r ) ，它的每个输出值都是其邻域有限输入元素的 加权和。f i r 滤波器中可用作插值的算法有最近邻域法、双线性插值、双三次插 值、b e z i e r 曲线法、b 样条法、分形等算法【2 2 l1 2 4 1 z 6 1 。 最邻近插值算法是计算插值点与周围四个点的距离，该点灰度值直接等于距 离最近点的值。该算法的缺点是有明显的马赛克现象。用双线性插值方法可得到 满意的插值结果，没有灰度不连续的缺点。但双线性插值方法具有低通滤波性质， 它会使图像内的高频分量受损，图像内原来轮廓分明的对象边缘将变得比较模 糊。 在m a t l a b 中比较使用这几种缩放算法时发现，在图像缩放时，图像的边缘会 出现模糊的情况，这是由于图像边缘的像素值差别较大，进行插值运算时误差较 大。 同样，文本型图像与自然景物( 人物肖像) 型图像有明显的差异自然景物图 像的像素值较均匀地分布在灰度值的一定范围内，大部份相邻像素间的差值不大 而文本型图像像素值主要集中在相对较少的灰度级上，而且相邻像素的灰度值差 别较大正是由于上述特点，在对自然景物的图像作缩放时，完全可用周围的像 素取代某一像素，而在对文本型图像作缩放时，采用周围像素的像素值来代替某 一像素值的方法往往会使图像信息丢失而不可恢复，甚至无法辨认。 矩形窗缩放算法为双线性插值方法的矩形窗缩放算法，将图像像素看成矩形 块而非像素点，利用插值图像的矩形像素块由尺寸放大( 或缩小) 的原始图像的 像素所占的百分比，将原始图像进行放大或缩小变换，从而在最大程度上保留了 原始图像的数据。m a t l a b 仿真表明，即使经过多次的缩放变换，也不至使图 像失真。 虽然最邻近插值法与双线性插值法因其简洁实用而成为硬件实现中较为广 泛使用的算法，但实验结果表明经该算法放大后的图像边缘清晰，分辨率高，优 于双线性插值方法，可以满足高速、高品质的图像缩放要求。 上海大学硕士学位论文 3 1 1 双线性插值算法 双线性插值是最常见的线性插值算法，它根据像素点周围最接近的四个点的 灰度值作二维线性插值计算，它的准确度要高于最邻近插值法。双线性插值算法 如图1 所示：设输出图像宽为彬高度为且输入图像宽为w ，高度为h ，将输入 图像的宽分为等分，将输入图像的高度方向分为何等分，输出图像中任一点 灰度的值就由输入图像中四点( ，6 ) ，( ，b + 1 ) ，( d + j ，6 ) ，( d + j ，b + 1 ) 来确 定，其中a = h w _ 5 i ；肛 y 7 明；a ，b 即五y 点在源图中对应的位置。则得到 ( 丑y ) 点的灰度值，( 五力为： f ( x , y ) = ( b e l - y ) f ( x , b ) + ( y - b ) f ( x , b h ) ， 电吲酬胁l ，b ) 协l 瑚， 眠叶l h 煳d 强 l ，b 十l 卜 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( a + l - x ) f ( a , b + 1 ) ( 3 - 3 ) 图3 - 1 为双线性插值算法的示意图，由图可知，双线性插值算法是对原坐标 进行了两次坐标转换得到的。 代o l b l 图3 1 双线性插值算法 将( 3 2 ) 式( 3 - 3 ) 式代入( 3 1 ) 式中可得： “x ，y ) 2 ( b + 1 - y ) ( x a ) f ( a + 1 ，b ) + ( a + 1 一x ) f ( a ，b ) + ( y b ) ( x a ) f f a + 1 ，b + 1 ) + ( a + l x ) f ( a , b + 1 ) ( 3 - 4 ) 上海大学硕士学位论文 该算法也可由图3 - 2 表示，即像素的灰度值是由要求的象素点矩阵覆盖源图 各相邻像素的面积大小决定。 p 图3 - 2 双线性插值算法 图3 2 中p 点的灰度值对应为： f ( x , y ) = a 0 f ( a , b ) + a 3 f ( a + 1 ，b + 1 ) 卅巡a + 1 ，b ) + a l f ( a , b + o ( 3 - 5 ) 双线性插值算法并不复杂，缩放效果大大好于最邻近插值法，复杂度也小于 双三次插值算法。但是由于该算法的高频滤波特性，会使图像轮廓容易混淆模糊， 这对于一些轮廓清楚的源图像来说，特别是文本图像，该算法还是需要改进的【4 j 。 3 1 2b s p li n e 斜率缩放算法 上面讲述的都是线性插值方法，而现行的插值方法都是对位于采样点附近的 像元进行一定规则的线性组合而得到新像元的灰度值，b 样条缩放算法的插值方 法也不例外，只是权的产生方法不一样。而目前为止，处理二维图像所用的二元样 条函数都是张量积样条函数( t e n s o rp r o d u c ts p l i n ef u n c t i o n ) ，即可分离的二元样条 函数由于可以被分解为两个一元样条函数的乘积，本文的讨论仅限于一元样条函 数。 b 样条缩放算法【6 1 是一种选择一种连续模型( 函数) 来拟合图像( 离散模型) ，求 得连续模型参数，并用所期望的采样率对该连续模型进行重采样，得到缩放图像的 一种图像缩放算法。 图像模型的好坏主要取决于以下两个因素：模型的再现能力和模型的复杂程 度，模型的再现能力决定了模型能在何种精度上重现图像；而模型的复杂程度则 e 海大学硕上学位论文 决定了模型的实现的难度，一般而言，两者是不可兼得的。实际应用中常用的3 种 插值算法( 最近邻点，双线性，双三次) 精度和效率之间的关系可以说明问题。基 于插值的算法在设计过程中未考虑信息损失，是一种不甚理想的方法。 b 样条变换的定义如下：n 阶样条函数空间0 是平方可积( 可和) 空间函数子 集，其中函数是n 阶分段多项式，具有最高到n 1 阶的偏导数，根据s c h o e n b e r g 的 定义，r l 阶样条函数空间可表示为： s q = g ”川= y f y f x 一蠡j r 善r ，y l 2 ) j ( 3 - 6 、 式中，s “表示结点距离为1 的n n 样条函数空间b “( x ) 表示n 阶对称b 样条，y ( k ) 则为样条系数序列b 样条的生成式定义为： 吖咖萎掣忆掣一i ： ， b 样条具有许多良好的性质，其中较为重要的几点是：连续性，紧支性，规范性， 对称性，阶问递推性。 利用b 样条实现缩放算法的实现过程如下：直接b 样条变换，对输入序列 作b 样条逆滤波，以得到表征输入序列的b 2 样条系数序列，利用z 变换对直接 b 2 样条变换进行快速计算，可由输入序列直接计算系数序列。再进行插值计算， 得到系数序列后，就可以利用该序列来计算插值点x 0 的值。其中还要注意的是边 缘判别，设当前处理点为k ，判别其采样区间内是否存在边缘：首先计算采样区间 两端点处的一阶微分和二阶微分符号是否相异；若两端点处的一阶微分异号，则 区间内必有点x ，其一阶微分等于零，此时区间内有峰状信号；若二阶微分，区间内 必存在阶步状信号；若区间两端点处的一阶微分和二阶微分符号都相同，说明区 间内没有边缘，此时不作后续处理。 通过实验说明：在n = 3 时，算法的性价比是比较高的，因而本文选取n = 3 。为定 量说明问题，现用二乘指标( m m s e ) 来度量算法性能，m m s e 是常用的图像处理的 检验参数： 上海大学硕士学位论文 = 逛劳b 。， 其中f ( i j ) 为原图像，f ( i j ) 为变换到原大小的图像，m 为列数，n 为行数 双三次插值m m s eb 样条插值m m s e 0 0 0 8 20 0 0 5 5 m m s e 越小，则缩放后图像信息损失越小，算法越好，可见b 样条算法相对于 线形插值算法，图像缩放的处理效果将优秀许多。 在m a t l a b 中使用双线性算法与b 样条算法1 5 倍放大源图片，图3 - 3 与图 3 - 4 可以知道，作为将离散函数变为连续函数重采样的b 样条的效果大大好于线 性插值法。 原图 图3 - 3 双线性插值算法放大 图3 - 4b 样条放大 上海大学硕士学位论文 3 1 3 矩形窗缩放算法 线性插值法的图像缩放效果边缘不清晰，b 样条缩放效果较好，但运算复杂 不适合硬件实现。边缘的模糊是图像质量下降的重要因素。本文提出了一种新算 法一矩形窗缩放算法 6 1 是一种有较好高频特性的缩放算法，与双线性插值法有一 定的相似性，但针对其低通滤波器的缺点进行了改进。 该算法将每个像素点处理进行矩形处理。每个新像素值由面积覆盖率决定， 即由窗口决定。以图3 5 为例，将一个4 4 的图片放大到5 5 ，p 点的像素位 置对应源图上，以p 点为中心的矩形窗口覆盖源图各像素的面积比例与各像素的 灰度值决定了新像素值1 5 j 。 p = w i n ( a 0 c 0 + a i c i + a 2 c 2 + a 3 c 3 ) ( 3 - 6 ) w i n 为窗口系数，w i n = l 窗口面积。 删 ：。业，l 汹 博 回 c f 加a 2 p h 。 御 a 3 o c 了 图3 - 5 矩形窗缩放算法( 4 4 放大至5 5 ) 图3 - 6 矩形窗缩放算法 如图3 - 6 所示，p 点为目标图像中要求的象素点，c o ，c l ，c 2 ，c 3 分别为p 点对应源图中最邻近的四个点( 原像素矩阵长宽都定义为1 o ) ，将p 点映射到源 图上。并以p 点为中心，作一矩形，该矩形尺寸规定如下： w i n h ( 窗口的高度1 = 1 垂直缩放比例 w i n w ( 窗v i 的宽度) = 1 水平缩放比例 上海大学硕士学位论文 该矩形窗口覆盖各原象素矩阵的面积分别为a o ，a 1 ，a 2 ，a 3 可得 ( 3 - 7 ) 图像缩小的例子如图3 7 所示，将5 5 的图像缩小为4 4 的图像，在图像 缩小的过程中，可由图3 7 看出，为了保证最大只覆盖四个原像素，将窗口面积 处理为缩小到原像素面积，同时，当缩小的比例小于1 2 时，需要对图像进行预 缩放( p r e s c a l e r ) 将源图像逐步缩小到缩小比例在1 与1 ，2 之间，这样的目的是 为了让源图中所有像素都能被处理到。 在图像缩小的例子中，由于窗口大小缩小为原像素大小，可推导出( 3 - 8 ) 式： 图3 7 矩形窗缩放算法( 5 5 缩小至4 4 ) d i 小，h ) 山l 产_ ) d 1 气y 枷5 ) - x - y , - w i n h 2 ) = y o - y , w i n w - d l = 1 d i 高) 丘。 w i n h - d t = l - d t = y 蜘沁删 盯眦m 爱一 上海大学硕士学位论文 a o = 0 羽( y 。一y 0 a 1 = ( 如) ( 一y 曲 ( 3 - 9 ) 将( 3 - 8 ) 式代入( 3 - 7 ) 式可得1a 2 气x - ) m - y p ) 。 【a 3 = - ) m y 曲 由( 3 - 9 ) 式推导出的矩形窗缩放算法与双线性插值算法比较可以看出，在窗 1 2 1 大小为1 0 的时候，矩形窗缩放算法与双线性算法基本无区别。 当放大系数为整数时，该算法有缺陷，即有可能窗口只包含一个像素，此时， 放大处理的图像效果就类似于最邻近插值法，图像边缘的混淆模糊现象将会增 加，为了改善这种情况，在图像放大系数为整数时，将滤波窗1 2 1 面积扩展到与原 像素点的大小样的面积( 称为重叠覆盖法) 2 1 。如图3 - 8 所示： 3 1 4 缩放结果比较 图3 - 8 重叠覆盖法 在m a t l a b 中对最邻近插值法，双线性插值法，矩形窗缩放算法对图像进行 处理比较，其中源图大小为1 2 8 1 2 8 ；放大1 2 5 倍，目标图像大小1 6 0 1 6 0 ； 下面为实现矩形窗算法的部分m a t l a b 代码： 该段代码表示输入缩放比例 上海大学硕士学位论文 部分插值运算实现m a t l a b 代码 图3 - 9 为用双线性插值法放大的结果。图3 1 0 为用矩形窗缩放算法放大的结果。 上海大学硕士学位论文 可见，双线性插值的图像较为柔和，但图像边缘不清晰，由矩形窗缩放算法 得到的图像清晰，图像边缘锐利，不模糊。由于人的眼睛对图像边缘的敏感根据 图像而不同，较为平滑柔和的边缘在自然图像中很好，但在文本类的图像中，明 显强化的图像边缘就比平滑柔和的图像边缘效果要好。对于文本图像与边缘来 说，矩形窗算法非常实用。 3 2 图像缩放模块设计 我们采用矩形窗算法来实现图像的缩放，不采用复杂的b 一样条算法或者贝塞 尔曲线算法。在硬件实现的时候，采用尽量少的存储器来实现功能。 在实现框图中，有缓存，控制模块，缩放运算模块，系数运算模块。输入的 图像数据在处理前都先进入缓存。 尺度变换模块的实现框图如图3 。1 1 所示，主要由以下几个模块组成： 图像尺寸 输入数据 控制模块 系数计算 插值计算 图3 1 1 矩形窗缩放算法实现框图 算法设计是基于参数化设计思想进行的6 1 ，设计中可以对不同大小的图像进 行放大缩小的插值处理。在实现的过程中对算法进行了处理，使之更容易实现。 缓存模块用于数据缓存，缩放运算模块用于实现综合求值。系数计算模块用 于根据窗口系数计算各项权值。缩放模块主要由移位寄存器与加法器构成。w i n 上海大学硕士学位论文 值在建立时就由缩放比例求得。 每个目标像素的处理需要源图像的对应两行，图像输入后，缓存读两行图像 信号数据，( 显示视频图像的信号格式在3 3 节时钟模块中己详细的阐述) 。行缩 放运算时，读取行缓存中的两行图像数据，根据式3 - 6 中的运算得到新的像素值， 其中系数由寄存器中的输入图像与输出图像的尺寸在系数运算模块中给出。 图3 1 2 表示的为缩放处理的过程， 每一个新点的产生都是由四个原像素点 产生的在实现时，如图所示，新像素点 p ( 0 ，0 ) 是由原像素点p ( o ，o ) ，p ( o ，1 ) ， p ( 1 ，0 ) ，p ( 1 ，1 ) 四点得到的，根据缩放系 数，我们在缩放模块中产生一个位移系 数值，我们先以s v g a ( 8 0 0 6 0 0 ) 显 示模式转换为x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) 显示模 式为例得出该位移系数值的步骤如下： 求出输入输出分辨率的关系： s o u r c e r e s o l u f i o n t a r g e t r e s o l u t i o n g c dg c d 占 新点由该四 点值得出 ：! 麴量亟壹血! ? 图3 1 2 缩放处理数据读取示意图 ( 3 1 ) 例如：若源显示模式和目标显示模式分别为s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) 和x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) ，有： 水平分辨率最大公约数g c dh = g c d ( 8 0 0 ，1 0 2 4 ) = 3 2 垂直分辨率最大公约数g c dv = g c d ( 6 0 0 ，7 6 8 ) = 2 4 水平分辨率的m d p8 0 0 g c dh 一1 0 2 4 g c dh ：2 5 3 2 垂直分辨率的m d p6 0 0 g c dv - - 7 6 8 g c dv ：2 5 3 2 这样，我们得到一个水平位移系数，即地址的偏移系数。 s e t _ p 2 1 ，1 ，1 ，0 ，1 ，1 ，1 , 0 ，1 ，1 ，l ，1 ，0 ，1 ，1 ，1 ，0 ，1 同样可以产生垂直偏移系数。该系数表示产生新像素计算所需原图像素组坐 标的位移，1 表示行坐标或列坐标移动的数值为1 ，0 表示不位移。 在进行缩小运算时，该系数会变为： s e tp = l ，1 ，1 ，2 ，1 ，1 ，1 ，2 结果是从十条扫描线中得到8 条扫描线。该模块框图如图3 1 3 ，产生位移信 上海大学硕士学位论文 号读取存储器取得缩放运算要取得的原象素点数据 3 2 1 存储器的设计 v s h s p c l k s c _ x s u 位移系数 生成模块 s e t a 9 图3 1 3 位移系数生成模块 1 a d d l d o _ i w ba d h b m l d i2 a d d2 w eb d o2 d il a d d ；、”li 卜a d d1 o o j 如e2-玎e d p i u 垤 d i2 a d dr 卜 a d d2 w eb d o2 a d d w r l d il a d d1 n o w ea d i ，r a m d i2 a d d2 w eb d o2 图3 1 4 双端口缓存器 我们为每个彩色通道设计出一组三个双端口的r a m 读写阵列，如图3 1 4 所 示，每个r a m 包括两套读写控制信号，两套数据输入端口。本文采用的矩形窗 上海大学硕士学位论文 算法每次运算都读取水平，垂直方向共四个像素来进行运算。本系统采用a l t c r a 的a c e x l k 5 0 的增强型e a b 支持双口r a m 。由于我们系统设计采用的l e d 屏为分 辨率为1 2 8 9 6 ，所以我们使用6 个大小为2 5 6 * 8 b i t 存储器，由于每个e a b 提供 4 0 9 6 b i t s 的存储空间，这样缩放模块的r a m 共占用三块e a b 。 我们在运算读取使用r a m 时采用这样的策略，一个r a m 来实时存储输入 的图像数据，处于写入的状态，作为数据缓冲期，另外2 个r a m 存储两行数据 提供给插值单元，r a m 的p o r t a 可复用为读写端口，而p o r t b 值作读端口使用 ( w eb 恒为0 ) 见图3 - 1 5 。 s d 图3 一1 5 读取像素示意图 在a d d _ r 信号读取像素值进行运算时，要取得四个左右上下相连的像素，将 两个读端口读地址相差为一时，则可以在r a m 两个输出端口d o _ 1 ，d o _ 2 输出两个 相邻像素见图3 1 6 。 上海大学硕士学位论文 a l - 一 a 3 - - r a m l 0 a 0 0 a 1 o a 2 o a 3 0 a 4 0 a 5 0 a 6 0 心 o a 8 o a 9 3 2 2 算法的实现 a d d _ r + s e t _ p l ，阿 1 _ j r a 0 a o 0 a 1 o a 2 0 a 3 o a 4 o a 5 o a 6 0 a 7 0 a 8 0 a 9 图3 1 6 读取四个相邻像素点示意图 一一- a 2 l a 4 本文提出的矩形窗算法如图3 - 6 所示。新像素值p 灰度值为： p 2 w i n r a 0 c 0 + a 1 c i + a 2 。c 2 + a 3 c 3 ) 其中系数a 0 、a 1 、a 2 、a 3 值分别用式3 7 表示，原像素点的矩形模型长宽 定为1 1 。 假设输出输入比例水平为m ，垂直为 d l ：幽一f 。+ 1 n ，我们将1 m ，1 n 定义为缩放因子s cx ， m l2 s c y 则d l 、d t 、w i n 参数分别用右式表示： d t ：幽一f v + 三1 缩放因子s cx ，s cy 的物理意义为新像 w l nm n 素映射到原图像上的像素点距离。 1 s cx _ s cv 上海大学硕士学位论文 在进行缩放运算时，缩放因子范围在0 6 3 2 之间，比如输入为6 4 0 4 8 0 的图 像放大到1 0 2 4 7 6 8 时，s cx = s cy = 0 6 2 5 ，该浮点数表示为图3 1 7 ： 匾正匾 图3 - 1 7 浮点数表示法 我们规定用小数位为六位。在坐标变换时，将s ex ，s cv 累加来得到新像素 的相对坐标记为a s c _ x ，a s c _ y ；根据处理的分辨率值，a s c x 可以表示为整数位 1 0 位，小数位6 位的值，a s cy 可以表示为整数位9 位，小数位6 位的值。a s c x 的整数部分就是a d dr 要读取的原像素坐标值，小数部分为原像素与新像素的距 离。则系数都可以由该值的整数部分与小数部分求出。 图3 1 8 插值系数生成模块 根据输入输出图像比例与水平垂直同步信号得到读取存储器的地址与参数 d x ，d y ( 见图3 1 8 插值系数生成模块) 。 在f p g a 中数字逻辑完成浮点运算时，必须时刻记住浮点数表示为二进制时 小数点的位置，这点与用定点d s p 完成运算有相似之处。 在得到d x ，d y 后，就可以通过运算得到我们要求的新像素值了。矩形窗插 值计算结构模块如图3 一1 9 所示。 上海大学硕士学位论文 ：l # 习兰禹。 ，o t l 。卜，丫， 一， l 二 o “+ o一， ( m + n ) 厂 l j i!；t 一一 + - 0 8 二：区习j 并”。：渖丝9 ：= 一 _ ! 一 o 。蟹卜一o ： j 一一i 罩 a 2 图3 1