（计算机应用技术专业论文）数字高清平板电视中去隔行算法的研究及仿真.pdf

摘要 随着高端电视的快速发展与数字电视技术的研究和应用，传统模拟电视的隔行扫描 方式引起的彩色爬行、画面闪烁和图像快速运动时产生的边沿模糊及锯齿等现象越来越 突出。然而，由于经济发展的原因，模拟电视在一定时期内仍将在市场上占有一席之地。 因此，模拟电视的隔行扫描到逐行扫描的转换，即去隔行技术，是当前视频后处理等电 视产品的重要组成部分。 基于g e n e s i s 公司f l l 8 5 4 1 视频处理芯片的数字化高清平板电视机系统，对视频格式 转换中去隔行算法进行了研究与仿真。在这里详细地介绍了芯片f l l 8 5 4 1 的功能，以及 系统中的前端输入功能模块和视频处理模块，并介绍了开发过程中所应用的软件开发环 境及其相应操作。论文主要分析了隔行扫描与逐行扫描的区别，对隔行变逐行进行了理 论上的阐述。根据信号来源的不同，提出了不同的去隔行技术。对于电影节目源采用的 是反3 - 2 2 2 下拉技术，而针对于视频节目源则提出了线性去隔行算法、非线性去隔行算 法和运动补偿去隔行算法，并对电视模式中的去隔行算法进行了研究和m a t l a b 仿真。 在分析和研究现有去隔行算法的基础上，本文提出了一种改进的运动自适应去隔行 算法。新的运动自适应去隔行算法在运动检测和插值算法两个方面做了改进。运动检测 不再是基于相邻两场的，而是基于连续三场的检测。场间插值采用的是综合滤波插值算 法；场内插值采用了改进的基于边缘保护插值算法。根据运动检测结果，先对运动区域 的象素点进行边沿检测，然后根据边沿检测的结果采取不同的插值方法。对算法进行仿 真后的结果说明，本文提出的算法能够得到更高质量的去隔行图像。 关键词：数字高清平板电视，去隔行，运动自适应去隔行 a b s t r a c t w i t ht h eh i 曲e n dt e l e v i s i o n ss p e e d i n e s sd e v e l o p m e n ta n dt h ed i g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n i q u e s r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ，t h ef l a w sc a u s e db yi n t e r l a c e ds c a ni nt r a d i t i o n a la n a l o gt e l e v i s i o n ， s u c ha sc o l o r - c r a w l i n g ，i m a g ef l i c k e ra n df a s t - m o v e do b j e c t sb o u n d a r yb l u ra n dz i g z a g ，a r e m o r ea n dm o r eo b v i o u s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a n a l o gt e l e v i s i o n w i l ls t i l lt a k ei t sp l a c ei nt h et vm a r k e td u r i n gal o n gp e r i o d t h e r e f o r et h ec o n v e r s i o no f i n t e r l a c e ds c a nt op r o g r e s s i n gs c a n ，w h i c hi sd e i n t e r l a c i n g , i sa ni m p o r t a n tp a r to fc u r r e n t t e l e v i s i o np r o d u c t i o n ，s u c ha sd i g i t a lv i d e op o s t - p r o c e s s i n g t h es t u d ya n ds i m u l a t eo ft h ev i d e of o r mt r a n s f o r m a t i o n sd e - i n t e r l a c i n ga l g o r i t h ma r e b a s e du p o nd i g i t a lp r o c e s s i n gf l a tp a n e lh d t vs y s t e mp l a no ft h eg e n e s i s sf l l 8 5 4 1v i d e o p r o c e s s i n gc h i p t h et h e s i s i n t r o d u c e s t h ef l l 8 5 4 1v i d e op r o c e s s i n g c h i pf u n c t i o n ，t h e s o f t w a r e so p e r a t i o nu s e db yt h ep l a n ，a sw e l la st h ef r o n t - e n di n p u tf u n c t i o nm o d u l ea n d v i d e of o r mp r o c e s s i n gm o d u l e t h et h e s i sm a i n l ya n a l y z e st h ed i f f e r e n t i a t i o nb e t w e e n i n t e r l a c e ds c a na n dp r o g r e s s i v es c a n ，i l l u m i n a t e st h ei s s u eo fd e i n t e r l a c i n g i ts u g g e s t s d i f f e r e n td e i n t e r l a c i n gt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h ed i v e r s i t yo ft h es i g n a ls o u r c e t h er e v e r s e 3 - 2 2 2 p u l l d o w nt e c h n o l o g ya r ea d o p t e db yt h ef i l mp r o g r a ms o u r c e ，b u tl i n e a rd e - i n t e r l a c i n g a l g o r i t h m ，n o n l i n e a rd e - i n t e r l a c i n ga l g o r i t h m a n dm o t i o nc o m p e n s a t i o nd e i n t e r l a c i n g a l g o r i t h ma r eu s e db yv i d e op r o g r a ms o u r c e t h ea u t h o rs t u d i e sa n d s i m u l a t e st h et e l e v i s i o n p a t t e r n sd e - i n t e r l a c i n ga l g o r i t h mw i t hm a t l a b t h ei m p r o v e dm a d i ( m o t i o na d a p t i v ed e - i n t e r l a c i n g ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e da f t e r a n a l y z i n ga n ds t u d i n gt h ee x i s t i n gd e i n t e r l a c i n ga l g o r i t h m t h en e wm a d ia l g o r i t h m i m p r o v e db o t h o nm o t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h ma n di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m t h em o t i o n d e t e c t i o na l g o r i t h mi sn o tb a s e so nt h ea d j a c e n tt w of i e l d s ，b u tb a s e so nt h es e q u e n c et h r e e f i e l d s t h ei n t e g r a t i o nm e d i a na l g o r i t h mi su s e db yi n t e r p o l a t i o nb e t w e e nf i e l d s a ne d g e o r i e n t a t i o nb a s e do ni n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi s a p p l i e dd u r i n gi n t r a - f i e l di n t e r p o l a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f m o t i o nd e t e c t i o n ，e d g ed e t e c t i o ni sp e r f o r m e do nt h em o v i n gr e g i o n p i x e l s t h em o v i n gr e g i o ni sf u r t h e rc l a s s i f i e di n t ot w oa r e a st h a ta r es u b je c t e dt od i f f e r e n t a p p r o p r i a t ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m c a n p r o d u c eh i g hq u a l i t y k e y w o r d s ：d i g i t a lp r o c e s s i n gf l a tp a n e lt v , d e i n t e r l a c i n g ，m a d i 1 1 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 互琴砉伽尸年箩月叶日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 三军菩 导师签名： 伏卅争衲 7 仍9 年箩月2 一节目 耐年j 月埔 长安人学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究前提 随着电子信息技术和数字技术【l j 进程的加速以及人们对电视图象质量要求的不断提 高，高清晰度数字电视【2 】( h d t v ) 由于其高分辨率、宽幅型比和较强的临场感等特点， 近几年得到了迅猛发展。h d t v 不仅应用于广播，而且在国防、文化教育和医学等方面 也得到了很好的应用。同时，h d t v 的发展对显示器件提出了更高要求，传统的c r t 显 示器由于体积庞大、画面闪烁等缺点已远远不能满足，而采用l c d 引、p d p 为代表的 数字平板显示器和投影仪，以其体积小、画面尺寸大、无闪烁等优点成为今后的发展趋 势。 目前国内市场上出现的数字电视都是数字处理电视【4 1 ，只是模拟电视向数字电视过 渡的产物，包括常说的液晶电视，等离子电视和数码c r t 电视等。现在数字电视接收端 输入的信源依然是原模拟信源，如n t s c ，p a l 等，天线接收的射频信号经过载波解调 后得到基带视频信号和音频信号。数字处理电视把众多格式的视频信号通过数字信号处 理的方法转换成适合格式要求的输出信号。在数字域进行处理，运用的是现代数字信号 处理的一些理论和方法。被处理的视频信号可以是分离的，也可以是复合的，可以是数 字的，也可以是模拟的。对于复合信号，需要在前级进行信号的分离提取；对于模拟信 号，需要经a d c 转换成数字信号。可以看出，数字电视与传统电视的主要差别在于信号 处理的方式。数字电视采用了数字信号处理的方式，从而得到了优于传统电视的性能。 去隔行处理是由电视信号的历史原因造成的，属于视频格式转换【5 】的重要组成部分， 其主要目的是为了把隔行的原始图像转换成逐行的图像。电视信号采用隔行扫描的初衷 是利用视觉残留特性，在有限传输带宽内提供尽可能高的垂直分辨率，同时消除由低帧 频率引起的视频图像闪烁。尽管现在的电视信号采用了隔行技术，但是其垂直分辨率仍 然不高，其中p a l 制一帧有效行为5 7 6 ，而n t s c n 为4 8 0 。随着视频显示技术的提高，这 样的垂直分辨率越来越不能满足消费者的需求。另外，随着视频压缩技术的提高，带宽 在很多应用中已经不再是瓶颈，更高分辨率的逐行视频节目和显示设备也越来越普及。 隔行的电视图像由奇场和偶场构成，在时间轴上，两场之间相距固定的场时间差。这两 场图像通常是在帧图像的垂直方向上直接进行行抽取后得到，抽取前可能并未做行前置 滤波，理论上会引入垂直方向的频谱混叠。由于隔行信号具有上述这些特性，隔行电视 难以克服诸如行间闪烁、爬行、运动物体垂直轮廓畸变等缺陷，逐行显示设备淘汰隔行 第一章绪论 设备已经成为一种市场趋势。 另外，近年来等离子体平板显示器( p d p ) 、液晶显示器( l c d ) 、场致发光器显示 器( f e d ) 为代表的平板显示器得到飞速发展，并且这些平板显示器通常采用逐行扫描。 由于历史原因，隔行扫描的视频数据源广泛存在，并且被这些视频终端设备接收，因此 去隔行电路是这些显示器接口电路的一个重要组成部分。 1 2 去隔行问题的提出 从2 0 世纪初发明的黑白电视到5 0 年代出现的彩色电视，以及从模拟时代跨入到数 字时代，从标准清晰度电视过渡到高清晰度电视，伴随着信息高速公路以及国际互联网 的飞速发展，广播电视在不同时期不同领域出现了多种格式。这其中有早期彩色电视领 域的p a l 制，n t s c 制，s c r e a m 制；近期数字电视领域内的d v b 欧洲、a t s c 美国、 日本的i s d b ；以及根据数字电视图像清晰度不同而出现的s d t v 和h d t v ，这些格式 多样化的存在为电视台的系统搭建提出了一个新课题，就是如何解决电视信号格式间的 转换【6 。 尽管电视信号有多种格式，各种格式不尽相同，但归结起来相异之处主要在三个方 面：隔行或逐行不同，帧频或场频不同，显示高宽比不同【8 1 。这就存在着隔行信号与逐 行信号之间的转换问题。起先广播电视标准采用隔行扫描系统，是利用了人的视觉系统 对细节的闪烁没有对大面积闪烁那么敏感来达到减小带宽的目的。然而，隔行扫描使许 多图像处理变得复杂了，尤其是对于扫描格式转换来说。随着时代的发展，人们越来越 关心图像的质量，以前的隔行电视不再能满足许多观众对图像质量的要求了。去隔行技 术就是这样应运而生的，它可以使原先的隔行电视有更好的观看效果。去隔行就是要把 隔行扫描的图像转换成逐行扫描的图像，它是视频格式转换技术的关键所在。进行视频 去隔行是有很多原因的。首先，去隔行可以消除或者极大地减少隔行扫描的缺点。去隔 行后的电视，也就是逐行电视，没有了看得见的扫描行、没有了行间闪烁、没有了锯齿， 看起来是非常赏心悦目的。另外，很多应用都是面向逐行扫描的，比如p c 显示器、投 影系统、视频会议系统，进行去隔行后，可以更方便地在这些逐行扫描的设备上进行显 示、存储和传输等操作。 在数字化普及之前，去隔行技术所涉及到的时域压缩和扩张实现起来十分困难，但 在数字领域这些模拟领域棘手的问题已迎刃而解。所以对模拟电视信号进行去隔行，若 先将信号进行数字化，在数字领域解决将会方便很多。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 去隔行算法的发展 传统的电视全部都是采用隔行扫描方式。隔行扫描的优点是占用较窄的频带宽度， 但隔行扫描方式的最大缺点是会使垂直分辨率下降一半，当图像上下两行的对比度差别 很大时容易产生行间闪烁。针对这个缺点，人们提出了逐行扫描。把隔行扫描电视机改 为逐行扫描电视机后，基本上消除了行间闪烁的现象，这是因为相对于隔行扫描而言， 逐行扫描在同样的时间内扫描了2 倍，对消除眼睛疲劳有一定的好处。要想把电视机由 隔行扫描转换成逐行扫描，并不像电脑显示器那么简单，只需改一改行扫描频率和视频 带宽就可以了，电脑显示器由隔行扫描改成逐行扫描的时候，显示卡也是要改动的，对 于逐行扫描电视来说，这相当于要电视台也跟着改动才行，这个恐怕不是那么容易了吧。 考虑到成本问题，只能是电视机自己想办法解决，这样视频后处理芯片就必须具备去隔 行的功能，研究人员提出了很多去隔行的算法。 针对不同的信号源，所采用的去隔行技术也不尽相同。对于视频节目源信号，去隔 行算法经历了线性滤波、非线性自适应和运动补偿( m c ) 三个阶段【9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】。其实现方案 较多，其目的就是在算法精度和复杂度间权衡，找到性能和硬件可实现性最佳的实现方 案。 2 0 世纪7 0 年代国外开始采用线性内插滤波器( 包括时一空域内的双线性内插、线性 垂直时间滤波、加窗s i n c 函数内插、多项式内插等方法和频率域内的离散傅氏变换等) 进行视频格式转换。这类滤波器具有类理想低通滤波的频谱特性，结构简单，极易集成 到单芯片内，大量应用在去隔行、屏幕缩放等需要实时视频格式转换的场合。但由于视 频频谱在频率空间中是重叠的，通过低通滤波后不可避免地存在时空上的模糊、混叠等 效应，故而影响了视频格式转换的质量。 8 0 年代后，随着对视频信号时空特性和由线性滤波格式转换器产生的图像品质退化 现象的深入理解，涌现出了一大批基于非线性自适应的视频格式转换算法。它们分为三 类：边界自适应、运动自适应和中值滤波。边界自适应方法保留了图像的边界细节，削 弱低通滤波在垂直和水平方向上的模糊效应，提高了空间分辨率。运动自适应插值方法 较好地解决了传统去隔行方法的虚像问题。中值滤波方法隐含了在空间方向上的边界自 适应和时间方向上的运动自适应。将上述三类算法组合，构成混合型的自适应滤波器。 这些自适应滤波算法与简单的线性滤波相比，改善了视频格式转换性能且没有增加硬件 开销，相反，还能大大缩减硬件规模( 如中值滤波法) 。因此，自适应滤波方法在格式转 换芯片设计中得到了广泛应用。运动自适应滤波虽然利用了运动信息，但只作运动与否 3 第一章绪论 的判断，在高速运动场合其处理方式实质上还是采取了场内插值，相邻场、场内大量的 有用信息被忽略了，因此在帧率变换时处理效果不佳。 9 0 年代中期，伴随v l s i 技术的发展，运动估计器的单片集成成为可能，格式转换 的运动补偿技术的研究得以全面展开。运动补偿的格式转换过程分为运动估计和运动补 偿内插两个步骤。具体方法有：正交投影法、透视投影模型法、基于光流方程法、基于 区域匹配法、基于频率域法、递归法和基于随机场法等。由于它们最大限度地利用了视 频信号时间和空间上的相关信息，所以带运动补偿的算法是上述三类算法中性能最好的 一类。其主要优势是重构帧在运动表现上平滑、自然，克服了前两类算法可能带来的运 动停滞、抖动，但这类算法也是计算量最大、且对误差极其敏感的一类算法。它可能会 导致块效应、拖影和由错误运动估计产生的局部失真，因此其稳健性问题尤为突出。如 果这一问题解决不好，则运动补偿算法的优势可能根本体现不出来。而在实际应用中， 快速获得准确、可靠的运动矢量( 这是正确进行运动估计的前提) 是较困难的。 而针对电影节目源信号则采用的是反2 - 2 3 2 下拉去隔行技术【1 3 】。众所周知电影进 行图像播放时每秒只播放2 4 个图片，即2 4 帧秒，不过当我们买了这些录像带或是d v d 在家里的电视上看时，问题就来了。p a l 制电视是2 5 帧秒，而且每张图像还要分成两 场。因为2 5 没有比2 4 多多少，所以使用p a l 制的国家一般都是将原本2 4 f p s 的电影加 快成2 5 f p s 播放。这表示声音和音乐的声调会比较高，而且电影也会比原来的短，不过 不去认真比较是很难发现的。在实际转换时使用了一种名为“反2 2 下拉 ( r e v e r s e 2 - 2 p u l l d o w n ) ”的方法。 n t s c 制电视是6 0 场秒。如果只是简单地按照1 ：2 的比例把电影的帧转换成视频 的场显然是不行的。对于n t s c 制，通过简单的数学运算可以知道：每4 帧胶片画面( 占 用1 6 s ) 应该被转换成1 0 个视频帧( 同样占用l 6 s ) 。但也不能简单地把某一帧胶片重 复两次，以免影响运动的流畅性。在实际转换时使用了一种名为“反3 2 下拉 ( r e v e r s e 3 2 p u l l d o w n ) ”的方法。即每4 帧胶片的第1 帧转换成三个视频场，第2 帧转 换成两个视频场，第3 帧转换成三个场，第4 帧转换成两个场。转换成三个场的帧实际 上也只有两个场，多出来的一个场是靠重复其中的一个场而得到的，然后再将1 0 个视 频场反转为1 0 帧，就满足了n t s c 制电视逐行播放的条件。 1 4 论文完成的工作 基于g e n e s i s 公司的c o r t e zf l l 8 5 4 1 芯片，介绍了项目研究的平台以及仿真所应用的 m a t l a b 环境，对电视模式去隔行技术和电影模式去隔行技术有深入的研究，并对部分 4 长安大学硕上学位论文 去隔行技术进行了m a t l a b 仿真。主要完成以下工作： 1 针对目前我国数字电视发展现状，以及各种制式视频信号源的存在提出了信号 源格式转换。它包括信号隔行与逐行的转换、帧频或场频之间的变换以及幅型 比转换。 2 重点研究了去隔行技术，对隔行一逐行的转换进行了理论的阐述。包括去隔行算 法的发展阶段，以及每个阶段出现的相关算法。 3 在项目研发基础上，介绍- j c o r t e zf l l 8 5 4 1 芯片的硬件功能模块。前端输入模块、 声音处理模块、存储模块、高频调谐器模块和主控系统模块。 4 对此开发项目的软件平台搭建进行了说明，开发过程中所应用到的辅助开发工 具和开发环境都有相关介绍。o s d 生成工具w o r k b e n c h 、编译工具p a r a d i g mc + + 、 代码烧录g p r o b e 和去隔行算法仿真过程中所应用到的工具和开发环境 m a t l a b 。 5 对电影模式去隔行技术进行了研究，它包括针对p 削唏0 的反2 2 下拉去隔行技术 和针对n t s c 制的反3 2 下拉去隔行技术。 6 研究了现有的电视模式去隔行技术，它经历了三个阶段：线性去隔行技术、非 线性去隔行技术和运动补偿去隔行技术，并详细研究了每个阶段的主流去隔行 算法。如线性去隔行技术中的空域滤波、时域滤波和v t 滤波，非线性去隔行技 术中的边界自适应去隔行、中值滤波和运动自适应去隔行以及简单地概述了运 动补偿去隔行技术。 7 基于对现有去隔行算法的研究，提出了一些改进的去隔行算法，包括综合中值 滤波和扩大边缘角度搜索边界自适应去隔行算法。这两种去隔行算法，对运动 图像区域和静止图像区域去隔行都有各自的优点。针对这种情况，我们提出了 一种新的运动自适应去隔行技术。它通过运动检测将综合中值滤波去隔行算法 和改进后的边缘保护去隔行算法结合在了一起。运动自适应去隔行算法根据运 动检测的结果，对静止区域采用综合中值滤波算法进行去隔行，而对运动区域 则采用改进后的边缘保护去隔行算法去隔行。它没有采用以往的相邻两场的运 动检测方法，而是采用了改进的连续三场运动检测，这样能更精确的区分出运 动区域和静止区域。通过m a t l a b 程序对此算法的仿真，验证了在所研究的去 隔行算法中，运动自适应去隔行算法对图像处理的效果整体来说是最好的。 8 对论文中所提到电视模式去隔行算法都进行了m 棚a b 仿真，并且比较了各个 5 第一章绪论 算法对图像处理效果的优缺点，以及该如何改进。 9 最后进行了总结，包括在算法改进研究中遇到的困难以及解决方案，并提出了 自己的期望和需要完善的地方。 1 5 本章小结 这一章主要写了此课题的研究前提，去隔行问题的提出，以及现有的去隔行算 法。它主要包括电影模式的反3 - 2 p u l l d o w n 和反2 2 p u l l d o w n 去隔行技术和电视模式去 隔行技术中的早期线性去隔行技术、非线性去隔行技术以及现在流行的运动补偿去 隔行技术。 6 长安大学硕士学位论文 第二章项目研发软硬平台 2 1 项目研发背景 随着高清数字平板电视技术的发展，很多芯片厂家都推出了自己的数字视频处理芯 片。比如全球知名的半导体厂家飞利浦半导体( p h i l i p s ) 、意法半导体( s t m i c r o e l e c t o n i c s ) 和东芝半导体( t o s h i b a ) 等，也有一些专业的视频领域的半导体公司，如美国的泰鼎 ( t r i d e n t ) 、捷纳斯( g e n e s i s ) 、p i x e l w o r k s 和台湾的晨星( m s t a r ) 、晶捷( m r t ) 、晶 磊( s m a r t a s i c ) 等等。其中g e n e s i s 、p i x e l w o r k s 和t r i d e n t ，占据了全球平板电视四分 之三的市场份额。台湾的晨星( m s t a r ) 、晶捷( m r t ) 、晶磊( s m a r t a s i c ) 等新兴公 司凭借强大的技术支持能力及较低的价位，迅速抢占了低端市场，改变了视频芯片行业 的格局。 该项目采用捷纳斯( g e n e s i s ) 芯片公司自主研发设计，具有d c d i 专利的高质量视 频处理芯片c o r t e zf l l 8 5 4 1 1 4 】，声音处理芯片采用m s p 4 4 5 0 g ，高频头采用飞利浦 ( p h i l i p s ) 的f q l 2 1 6 ，显示屏是l g 的l w l 7 1 w 0 1 ，3 2 k b i t s 的n v r a m ( 2 4 l c 3 2 ) 为 用户和芯片提供初始化数据的存储空间，2 k b i t s 的e e p r o m s ( 2 4 a a 0 2 ) 为v g a 输入数 据e d i d 提供存储空间，4 m b i t s 可编程串行f l a s h 寄存器和2 5 6 m 的s d r a m 为系统数 据提供缓冲区。该系统的结构模块图如图2 1 所示： 图2 1 系统的结构模块图 2 2f l l 8 5 4 1 芯片功能简介 从功能模块图2 1 可以看出来，f l l 8 5 4 1 大致可以分成前端信号输入模块、视频处 理模块、声音处理模块、终端显示模块及外围处理模块。f l l 8 5 4 1 主要有以下性能： 7 第二章项目研发软硬平台 f l l 8 5 4 1 集成了3 d 视频解码器。3 d 自适应梳状滤波器实现亮色分离，支持复合信 号、s 端子和c v b s 输入信号，支持所有的模拟电视广播及视频标准郴s c 制( 北 美和日本) 、p a l 制和s e c a m 制，而且还支持v c r 跟踪模式。 灵活的数字和模拟输入处理：支持h d c p 协议的h d m i 和1 0 d v i 的数字输入。具 有1 3 种可配置的模拟输入，信号可以从调制解调器或连接器直接接到模拟信号输入针 脚，支持s c a r t 输入。 在输入信号处理方面，主要有f a r o u d j ad c d i 技术、m a d i 技术、幅型比转换、自 适应3 d 降噪、反3 2 下拉和反2 2 下拉电影模式去隔行。d c d i 是一种小角度去隔行处 理技术。m a d i 是针对每一个像素的运动自适应去隔行技术，针对静止点和运动点分别 采用时域插值和空域插值。为了能准确地判断图像的运动状态，需要存储3 到5 场的信 号来进行图像运动模式的检测。幅型比转换是根据显示屏幕的大小，对图像进行非线性 缩放。f u 8 5 4 1 对于m p e g 输入流具有降噪的功能，支持全景模式及变形的非线性扫描。 f l l 8 5 4 1 支持基于位图的o s d ，在o s d 中可以导入1 6 真彩色的位图，每一个像素 可以是1 、2 、4 或8 b i t 。o s d 的菜单具有垂直方向和水平方向的延伸性。o s d 的t i t l e 具有透明、闪烁、高亮显示等性能。t i t l e s 都存储在受o s d 支配的s r a m 中，而且每 一个t i t l e 都有与之相关的位图，这些位图都存储在d d rs d r a m 中。o s d 编辑工具生 成的代码可以嵌入到系统代码中，在系统运行的过程中，由微处理器控制，在l c d 屏 上显示o s d 操作菜单。 在画质处理增强方面，主要有可编程的锐度滤波器、非线性的亮度增强、非线性的 色度增强、a c m 3 d 和a c c 技术。a c m 3 d ( 3 维的白适应颜色管理) 技术可以对自然 界颜色区域中某些特殊的颜色进行单独的补偿和修正，而不影响其它的颜色，使人眼较 为敏感的颜色更贴近自然。a c c ( 自适应颜色对比度增强) 技术通过白色补偿和黑色 延伸功能，可以提高图像亮度的动态对比度。 f l l 8 5 4 1 集成了x 1 8 6 微处理器，具有丰富的库功能。通用的g p i o s 口也可以管理 控制系统设备，比如控制键控板指示灯、背光、n v r a m 、声音芯片等等。微处理器通 过1 2 c 控制总线对外围的设备进行控制。 终端显示模块通过1 0 - b i t 的l v d s 单通道直接连接到l c d 模块上。具有w x g a 视 频格式上转换功能。将视频信号按照显示模式在l c d 屏上显示。f l l 8 5 4 1 支持多种显示 格式，比如7 2 0 p 、1 0 8 0 p 、1 0 8 0 i 等等。 f l l 8 5 4 1 还集成了红外遥控解码电路，支持r c 5 协议、r e c s 8 0 协议硬件解码；集 8 长安人学硕上学位论文 成了4 通道低速模数转换电路用于输入信号，用于扫描键控板、监测系统温度等，最高 模数转换速率为1 6 m h z ；集成了1 2 s 声音延迟电路，用于声像同步；集成了四组脉宽 调制输出电路，用于l c d 的背光控制。 图2 2 是c o r t e zf l l 8 5 4 1 芯片的结构图： rd r a me x t e m 谢 c 峭i t e $ - v i d e o ( y f c y p r f ，b ， r g b h o m i 钟1 6 埘t 咿 h i i m ia u d i oo u t 图2 2f l l 8 5 4 1 芯片结构图 2 2 1 前端输入模块 前端输入模块包括数字输入端口( d i p ) 和模拟输入端口( a i p ) 。数字输入端口为 2 4 - b i t ，支持两路数字信号的输入，在这个方案中一路设计为h d m i l l 5 】输入。另一路的 信号主要来源于4 种外围设备，比如视频解码器、m p e g 解码器、视频或图像模数转换 器( a d c s ) 和数字视频接口( d v i ) ，其结构如图2 3 所示。 模拟输入端口集成了3 个8 - b i t 的模数转换器( a d c ) 以及n t s c 制、p a l 制、或 s e c a m 制视频解码器。有多达1 3 路的模拟输入口，通过集成的多路复用器为其配置合 适的模数转换器。它支持c v b s 信号、s 端子信号、复合信号和r g b 信号。由多路复 合器选择主通道和辅通道。 h d m i 接口支持来自d v d 播放机、机项盒和其它一些视频设备的数字电视信号。 h d m i 接1 2 1 电路采用s i i 9 0 1 1 1 1 6 】。s i i 9 0 1 1 解码电路采用新一代t m d s ( t r a n s i t i o n m i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 编码技术，符合h d m l l 1 规范标准，向下兼容d v l l 0 。 s i i 9 0 1 1 支持4 8 0 i 、5 7 6 i 、4 8 0 p 、5 7 6 p 、7 2 0 p 、1 0 8 0 i 、1 0 8 0 p 数字电视信号格式，支持 v g a 、s v g a 、x g a 、s x g a 、u x g a 电脑信号格式，支持2 4 4 8 b i t r g b y c b c r 4 ：4 ：4 、 1 6 2 0 2 4 b i t y ( b c r 4 ：2 ：2 、8 1 0 1 2 b i t y c b c r 4 ：2 ：2 数字视频信号格式，支持r g b t o y c b c r 、 9 第一章项目研发软硬平台 y c b c r - t o - r g b 格式转换。s i i 9 0 1 1 能够接收- - - n ) 路最高频率为1 9 2 k h z 的数字音频信 号，解码后音频输出可通过1 2 s 直接与数模转换电路相连。微处理器通过1 2 c 总线控制 s i i 9 0 1 1 ，1 2 c 地址为0 x 6 0 。 此模块还具有3 d 梳状解码器能根据视频信号频谱交叉的原理及梳状滤波器的梳 齿滤波频率传输特性，以频谱分离的方式从空间( 2 d ) 、时间( 第三维方向) 将每组画面 的亮度及色度信号精确地分离，有效消除影响信号中的杂波、斑点、色彩重叠现象，使 画面更加清晰。前端输入端口结构图如图2 3 所示： 2 22 视频处理模块 视频输出处理模块包括视频格式的转换、画质的处理、输出格式转换、主辅画面的 叠加以及o s d 菜单的绘制等。由图2 2 可以看出这一模块主要包括对主辅通道视频信号 的分别处理。主通道对信号有d c d i 、m a d i 、缩放处理、图像增强、3 x 3 矩阵转换、a c c 、 a c m 一3 d | 1 ”、以及o s d 菜单的叠加功能等。而辅通道相对主通道而言，对信号的处理 缺少了d c d i 和m a d i 技术。 d c d i 和m a d i 都是去隔行的相关技术。d c d i 是方向相关性去隔行，m a d i 是运动 自适应去隔行，根据对像素的运动检测，对静止和运动的像素点采取不同的去隔行技术。 这样可以避免图像的羽化和闪烁。缩放处理主要是针对图像显示幅型比的转换。目前的 显示幅型比有1 6 ：9 和4 ：3 两种格式，它们之间并不是简单的线性转换。对线性区域采用 线性的缩放，对非线性区域采用非线性缩放，避免图像的失真。 图像增强、3 x 3 矩阵转换、a c c 和a c m 一3 d 都属于图像处理技术。对于传统电脑 显示器和电视上的亮度调节而言是不考虑图像内容的。因此对于那些有大面积白色或黑 长安人学硕上学位论文 色的图像而言，增强对比度并不能带来好的效果。a c c 技术与传统的亮度调节不一样， 它分析输入的图像信号，只在那些需要增强的区域调节对比度，避免了传统技术的负面 效果。a c c 根据保存的几帧画面的内容，计算出前几帧画面的直方图，再根据平均直 方图，产生适当的传递函数来完成最佳的对比度调整。 在每一帧图像中，颜色是至关重要的因素，轻微的颜色变换能完全改变一帧图像的 特性。对图像颜色增强，使其达到观众更喜欢的效果，在图像处理技术中是相当重要的 一个课题。在g e n e s i s 的f l l 8 5 4 1 芯片中，对颜色的增强，采用了a c m 3 d 技术。在自 然界里，人眼并不是对所有的颜色都敏感，相对而言，对肤色、草地的颜色比较敏感。 a c m 3 d 技术根据图像的内容，对人眼比较敏感的颜色进行增强。使用a c m 技术，用 户可以根据视频内容选择不同的模式来观看节目。一般有运动模式、电影模式、自然模 式和鲜艳模式等。 主辅通道各有一个3 x 3 颜色转换矩阵。3 x 3 矩阵转换的目的是将y u v 颜色模式转 换为r g b 颜色模式在信号经过a c c 及a c m 处理后。转换系数及偏移量可以在程序模 块中决定。3 x 3 矩阵也支持电视系统中o s d 菜单色调、亮度、对比度及饱和度的调解。 2 3 软件开发平台 g e n e s i s 基于硬件开发的软件层次结构分为应用层、系统库层和驱动层。将应用层和 系统库层区分开的目的是为了使软件开发人员的工作更简单、有条理和更清晰。系统库 内的功能模块包括系统条件，比如：系统稳定与否、是否有同步信号、以及同步信号的 种类等。系统库层还要为应用层提供信号显示时钟、内存分配等服务。系统库层通过驱 动层能够操作硬件设备。应用层对系统库功能模块有配置功能、设置视频处理、利用库 提供的服务和利用库驱动的标志位。应用层的具体功能有：输入端口的选择、定时器功 能、a c c a c m 调节、初始化用户变量、系统中断、通信处理等。驱动层为硬件设备提 供其所需的驱动程序。软件分层结构图如图2 4 所示： 图2 4 软件分层结构图 第= 章项目研发软硬平台 软件开发是一个庞大的系统工程，它要求开发者明确系统开发目的，熟悉软件开发 的思路，选好软件开发平台。通常一个人难以完成所有工作，软件开发需要一个良好的 合作团队来协作完成，这就要提供软件项目的具体要求和殴计思路，由软件开发组基于 软件开发平台创建出可持续开发的系统资源。 图2 5 是本方案的软件开发平台，g e n e s i s 采用了可视化的o s d 生成工具w o r k b e n c h ， p a r a d i g mc + + 作为编译工具，g p m b e 通过串口或者并口将p a r a d i g m “+ 编译生成的二 进制代码烧录到f l l 8 5 4 1 的f l a s h 中。下面将会一一介绍这些开茇软件工具。 b ? 掣 。i 尝霸 i 广 _ _ 【嚣：兰纠薯嚣兰剁 圈园 圈2 5 软件开发平台图 2 3 1 0 s d 开发工具w o r k b e n c h w o r k b e n c h 创造了一个自动化、一体化和可视化的o s d 开发环境”】。与开发芯片 的无关性使它对于一些特别的芯片能增加新的功能模块来满足系统开发的要求。最小限 度的编程，大部分都是控件的操作。 在w o r k b e n c h 开发环境中，用户可以创建自己的o s d 窗体、编辑控制变量、编辑 事件表、创建和编辑自己的字体、也可以引入w i n d o w s 系统的字体、定义和创建自己所 需的数据结构和导入2 5 6 色位图创建光标。 w o r k b e n c h 支持多种语言，所有的字符串都采用统一的字符编码标准。w o r k b e n c h 可以排除没有用过的字符，因此字符串可以采用8 _ b i t 的寻址方式。可以排除重复用到 的字符，以节省宅贵的内存。 可以在工作区添加用户所需要的控件，比如b u t t o n 、s l i d e r 、b i t m a 口、t i t l c 等。工 托盘大学砸十学位论文 作区提供坐标参数，以便使控件的坐标对齐、美观简化o s d 的设计。每一种控件的 属性都不一样。要根据系统o s d 设计的需求，在届性区对具体的控件进行设置。消息 事件区反映o s d 的事件，如在屏幕上画或擦除某一控件、定时器开始计时、退出某一 界面等等。在o s d 文件生成的过程中，与o s d 文件生成的相关消息将在消息输出区显 示。如o s d 文件生成已完成、所耗时间、或者生成o s d 目标文件有错误等等。结构树， 即目录区，显示这一项目工程中所有窗口、t i t l e 、位图和控件以及它们的父子关系。 w o r k b e n c h 的界面如图2 6 所示。 z 。1 ；jr 。h 4 ：l 。t i “_ 1 0o 4x o 目州- 目epo ( u - 一 oq x 口 + h 1 q r - * 一 - 州 i l c 一o l 一n j _ _ ” 一b r ；：= ：怒压亘i 蛋 * h n n v引g ：篡= 品= = = 搿：麓：压匣固 m 【h h 目 一 c * ho h h 6 1 0 _ 一 h - h 一v 图2 6w o r k b e n c h 的操作界面图 2 3 2 代码编译软件p 盯a d i 驴e + + p a r a d i g m 公司是一家有着2 0 年历史的专业的x 8 6 嵌入式系