（检测技术与自动化装置专业论文）基于fpga的视频图像放大处理系统的研究与设计.pdf

i 芦 一 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o n e q u i p m e n t t h e s t u d y a n d d e s i g no f v i d e oi m a g e e n l a r g e p r o c e s s i n gs y s t e mb a s e d o nf p g a t e c h n o l o g y b y w a n g l e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rb a iq i u g u o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 王霭t _ 日期：瑚7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年卤一年半口 两年口 学位论文作者签名： 王惫导师签名：卿岳 签字日期：研7 3 签字日期：叩7 - 7 东北大学硕士学位论文摘要 基于f p g a 的视频图像放大处理系统的研究与设计 摘要 图像放大作为图像处理的一个基本操作，广泛应用于消费电子、医学、遥感等领域 的图像处理与显示中。尽管采用p c 机的软件处理方法可以实现多种多样的图像缩放算 法，并且放大后的图像质量较高，但由于其实现的运算时间较长，并不适用于实时性要 求较高的视频图像处理系统。因而利用硬件来实现视频图像的缩放已经成为视频图像处 理研究的一个重要课题。随着现场可编程门阵列技术的突飞猛进，f p g a 逐渐进入数字 信号处理领域，由于其无可比拟的并行处理能力和可重构的特点，在实时图像处理领域 中得到了广泛的应用。 本文提出了一种基于f p g a 的视频图像放大处理系统的设计方案。设计中根据视频 信号的处理过程，搭建了视频图像处理系统的总体框架，并针对图像插值算法的特点提 出了算法硬件实现的具体方案；接下来以1 2 c 总线控制模块、数字视频解码模块、视频 放大核心处理模块、存储器控制模块以及数字视频编码模块为重点，采用v h d l 语言和 自顶向下的设计方法对它们进行了设计和仿真验证；最后论文提出了视频图像放大处理 系统改进的方向。 本文设计的关键在于怎样合理地进行功能模块划分构建算法实现的硬件框架和如 何将理论性的算法公式在硬件平台上并采用v h d l 语言进行行为级的描述，使模块功能 得以稳定、有效、实时地实现。首先，将占用较多硬件资源的二维插值框架分解成两步 进行的一维空间插值框架，简化系统的复杂程度；其次，针对双线性算法对双一维框架 进行了细致的设计，构造出更简洁快速，更有针对性的算法实现框架；最后，将理论性 的插值算法公式成功地移植到硬件平台上。同时，本文给出了一种应用t e x t i o 和 m a t l a b 来辅助仿真测试过程的算法验证方法。 关键词：视频图像处理；f p g a ；插值算法；d l ；m a t l a b t - 一一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h es t u d ya n dd e s i g no fv i d e oi m a g e e n l a r g e p r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do nf p g a t e c h n o l o g y a bs t r a c t i m a g ee n l a r g e m e n t ，a so n eo ft h eb a s i ci m a g ep r o c e s s i n go p e r a t i o n s ，h a sb e e nw i d e l y a p p l i e di ni m a g ep r o c e s s i n ga n di m a g ed i s p l a yi nt h ed o m a i no fc o n s u m e re l e c t r o n i c s ， m e d i c a l ，r e m o t es e n s i n ga n ds oo n a l t h o u g hi tc a na c h i e v ev a r i o u si m a g ez o o ma r i t h m e t i c a n dc a ng e th i g hq u a l i t yi m a g e ，i ti sd i f f i c u l tt oe n s u r ei t sr e a l t i m ep r o c e s s i n gt oa c h i e v el a r g e a m o u n to fd a t ai nv i d e oi m a g ep r o c e s s i n gb ys o f t w a r e t h u su s i n gh a r d w a r et oa c h i e v et h e e n l a r g e m e n to fv i d e oi m a g e sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i ci nr e s e a r c h a l o n gw i t hf p g a t e c h n o l o g yp r o g r e s s i n gb yl e a p sa n db o u n d s ，f p g aa l s og r a d u a l l ye n t e r st h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gd o m a i n a sar e s u l to fi ta d m i r a b l ep a r a l l e lp r o c e s s i n ga b i l i t y ，f p g ai sw i d e l y u e s di nr e a l t i m ei m a g ep r o c e s s i n gd o m a i n t h eb l u ep r i n to ft h ev i d e oi m a g ea m p l i f y i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h ef p g ai s p r e s e n t e di nt h i sp a p e nt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fav i d e oi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e ma c c o r d i n g t ot h ep r o c e s so fv i d e os i g n a lw a sc o n s t r u c t e d ，a n dt h es p e c i f i cs c h e m ef o rt h ea l g o r i t h m h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m a g ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d n e x t ，t h ed e s i g nf o c u s e so nt h er cb u sc o n t r o lm o d u l e ，t h ed i g i t a lv i d e od e c o d e r m o d u l e ，t h ec o r ei m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ，m e m o r yc o n t r o lb l o c k ，a sw e l la sd i g i t a lv i d e o e n c o d e rm o d u l e ，a n du s i n gt h ev h d ll a n g u a g et o g e t h e rw i t ht o p - t o d o w nm e t h o dt of i n i s h t h e i rd e s i g na n ds i m u l a t i o n f i n a l l y , t h ed i r e c t i o no ft h ei m p r o v e m e n to nt h ev i d e oi m a g e a m p l i f y i n gp r o c e s ss y s t e mp r e s e n t si nt h i sp a p e r t h ek e yo ft h ed e s i g ni st h ef r a m e w o r kc o n s t r u c t i o nf o rt h ea l g o r i t h ma sw e l la st h e d e s i g n t oa c h i e v ea l g o r i t h mb yh a r d w a r e f i r s t ，d i s a s s e m b l et h et w o d i m e n s i o n st o o n e - d i m e n s i o ni n o r d e rt os i m p l i f yt h es y s t e m s e c o n d ，d e s i g no n e d i m e n s i o nc a r e f u l l yt o c o n s t r u c taf l a m et h a ti sm o r ec o m p a c ta n df a s t f i n a l l y , t r a n s p l a n tt h ef o r m u l ao ft h e a r i t h m e t i ct ot h eh a r d w a r ep l a t f o r mt r i u m p h a n t l y a tt h es a m et i m e ，aw a yt oa s s i s t a n t s i m u l a t i o no ft h et e s t i n gp r o c e s sb yt e x t i oa n dm a t l a bw a sp r o p o s e da tt h ee n do ft h e p a p e r k e yw o r d s ：v i d e oi m a g ep r o c e s s i n g ；f p g a ；i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ；v h d l i i i 一- j 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s l ：t a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题的提出2 1 3 论文研究内容2 1 4 论文章节安排3 第2 章系统整体设计方案5 2 1 系统的整体设计思路5 2 2 摄像机的选择及其输出信号格式6 2 2 1 摄像机的选择6 2 2 2 摄像机输出信号格式。6 2 3 视频解码模块设计7 2 3 1 视频解码芯片s a a 7 11 3 h 芯片介绍7 2 3 2s a a 7 1 1 3 h 的寄存器简介8 2 3 3 视频数据流的识别9 2 3 41 2 c 总线概述1 0 2 3 5s a a 7 11 3 h 的初始化配置11 2 3 5 1s a a 7 1 1 3 h 寄存器的读写过程1 2 2 3 5 21 2 c 总线控制器设计1 3 2 3 5 3 初始化数据的存放1 4 2 4 视频图像处理模块设计1 5 2 4 1f p g a 功能模块划分1 5 2 4 2 内部信号流描述一1 6 i v 东北大学硕士学位论文目录 2 4 3 时钟设计1 7 2 5 视频编码模块的设计18 2 5 1 视频编码芯片s a a 7 1 2 1 h 芯片介绍1 8 2 5 2s a a 7 1 2 1 h 的初始化配置1 9 第3 章视频图像放大算法及其方案选取2 l 3 1 图像缩放技术2 1 3 1 1 图像缩放原理21 3 1 2 插值算法思想2 2 3 2 图像插值算法研究2 3 3 2 1 最邻近插值( n e a r e s tn e i g h b o r ) 算法2 4 3 2 2 双线性插值( b i l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ) 算法2 5 3 2 3 双三次插值( b i c u b i ci n t e r p o l a t i o n ) 算法2 6 3 2 4 三种插值算法的m a t l a b 仿真2 7 3 3 基于f p g a 实现的缩放算法选取2 9 3 3 1 双线性插值算法原理描述2 9 3 3 2 双线性插值算法的求取3 0 3 4 本章小结3 2 第4 章基于f p g a 的视频图像放大处理系统的设计3 3 4 1 基于f p g a 的系统设计流程3 3 4 2 系统的内部结构划分3 4 4 2 1 结构层次化设计3 4 4 2 1 1 模块划分的技巧3 5 4 2 1 2 结构层次化编码3 5 4 2 2 系统内部结构划分3 5 4 3 数字视频解码模块的设计3 7 4 3 1 模块设计思想的提出3 7 4 3 2i t u rb t 6 5 6 标准介绍一3 7 4 3 2 。1 视频数据的帧场划分3 7 4 3 2 2 视频数据格式3 8 v 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 2 3 视频定时基准信号3 9 4 3 3 数字视频解码模块设计。4 0 4 3 3 1 模块设计方案4 0 4 3 3 2 具体实现方法。4 1 4 3 4 数字视频编码模块设计4 3 4 - 3 4 1 模块设计方案4 3 4 3 4 2 具体实现方法4 4 4 3 5 两模块综合仿真4 5 4 4 数据选择模块和放大区域位置设定模块的设计4 5 4 4 1 数据选择模块的设计4 5 4 4 2 放大区域位置设定模块的设计4 6 4 5 缓存读写控制模块的设计和接口模块的设计4 8 4 5 1 乒乓缓存控制原理4 8 4 5 2 缓存读写控制模块的设计4 8 第5 章视频放大核心处理模块的设计5 3 “ 5 1 模块的设计流程5 3 5 2 模块的框架设计5 4 5 2 1 二维线性插值模块框架5 4 5 2 1 1 量化插值精度的思想。5 4 5 2 1 2 二维线性插值模块框架设计5 4 5 2 2 双一维线性插值模块框架设计5 5 5 2 3 双一维线性插值模块框架的优化5 6 5 3 模块的内部结构5 7 5 4 各子模块的设计5 8 5 4 1 时钟管理模块的设计5 8 5 4 2 输入视频缓存控制模块的设计5 9 5 4 2 1 模块功能设计。5 9 5 4 2 2 模块的f p g a 实现5 9 5 4 3 双口r a m 模块的设计。6 0 5 4 3 1 面积和速度的平衡互换原则6 0 v i 东北大学硕士学位论文i f l 录 5 4 3 2 缓存模块结构设计。6 0 5 4 3 3 双口r a m 模块读写设计6 1 5 4 4 行内插值模块的设计6 1 5 4 5 行缓存功能模块的设计6 3 5 4 6 行间插值模块的设计一6 4 5 5 模块仿真结果6 5 5 5 1t e x t i o 介绍6 5 5 5 2 仿真测试方案设计6 6 5 5 3 测试信号的产生6 7 5 5 4 仿真结果对比6 7 第6 章总结与展望6 9 参考文献7 l 致谢7 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 图像是人类获取和交换信息的主要来源，研究表明，人类从客观世界获取的信息中， 8 0 以上都来源于视觉图像，因而图像处理的应用领域涉及到人类生活和工作的方方面 面，成为众多领域中研究视觉感知的有效工具。随着电子技术和计算机技术的飞速发展， 视频图像处理技术无论是在算法、系统结构上，还是在应用以及普及程度上都得到了极 大的重视和长足的发展，现代成像技术将一些无法直接观测的图像展现在人的眼前，极 大地丰富了人的视野【l 】。与此同时，人们欣赏能力的不断提高也对视频图像处理的效果 提出了越来越高的要求，希望图像更稳定、更清晰、亮度更符合人眼的感官要求；对视 频图像处理系统的智能化的要求也不断提高，如智能拍摄、运动检测、对象识别、多通 道、画中画、图像放大、透明叠加效果等。 在传统的视频图像处理系统中，采用通用计算机( p c ) 来实现图像的处理。由于通 用计算机是基于冯诺依曼架构的，属于标准串行机，通过高级语言编写程序代码，大部 分工作是在存储器和a l u 之间交换数据，整个过程是单指令单数据的串行处理过程，该 系统结构上的局限性限制了计算机的速度，这就是通常所说的瓶颈效应，p c 机很难满 足视频图像处理实时高速的要求【2 】。因此，基于通用计算机的处理方法，通常只适合于 图像处理算法的验证和一些实时性要求不高的场合。 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年美国德州仪器公司推出世界上第一代数字 信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品，标志着实时 数字信号处理领域的重大突破。数字信号处理器d s p 是专门为快速实现各种数字信号 处理算法而设计的具有特殊结构的微处理器，通常使用c 语言进行编程，内部采用专用 硬件实现一些数字信号处理常用的运算，使其处理速度可达到2 0 0 0 m i p s ，比最快的c p u 还快1 0 - - 5 0 倍。然而，尽管d s p 拥有多个硬件乘加器，使用了环形叠代的方法进行乘 法操作，但是由于其顺序的工作方式、较低的数据处理速率，以及缺乏实时工作的性能， 限制了其在对速度和容量要求较高的数字信号处理方面的应用【3 j 。 而如今随着可编程逻辑技术的不断进步和创新，现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 以其现场逻辑功能可重构且具有高集成度、高密度、高性能 等特点，广泛应用于通信、航天、医疗电子、汽车电子等领域。该器件由大量逻辑宏单 元构成的，通过配置，可以使这些逻辑宏单元形成不同的硬件结构，构成不同的电子系 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 统，是当今运用极为广泛的可编程逻辑器件。一随着f p g a 自身集成度、工作速度的不断 提高，以及其内部资源的不断丰富，可实现的功能也越来越强 4 1 。它能在设计上实现硬 件并行和流水线技术，而这些都不能在本质上依靠串行执行指令来完成处理的d s p 上 实现，因此f p g a 非常适合实时大数据量的信号处理。同时，f p g a 的设计采用模块化 设计、开发周期短、易于系统维护和扩展，采用f p g a 构成视频图像处理系统是个不错 的选择。 1 2 课题的提出 目前图像放大处理通常都采用软件方法去实现，尽管其算法多种多样，且图像放大 后的质量也比较高，但是由于其运算时间往往较长，因此在某些实时性要求较高的数字 图像处理场合并不适合采用这种方法。因而人们开始转向研究采用硬件方法来实现图像 放大，提高图像处理的速度【5 1 。随着现场可编程门阵列f p g a 的发展，它们在图像领域 的应用越来越广泛，使得图像处理系统不断朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方 向发展。f p g a 的出现为实现图像实时处理系统的设计提供了新的平台。 图像的放大、缩小( 简称缩放) 作为图像处理的一个基本操作，广泛应用于消费电子、 交通控制、工业监控以及医学图像处理等领域中。在很多情况下，观察者不但需要对图 像的整体信息进行把握，也往往关注图像的局部细节，甚至期望有一种便携式的仪器能 够实时细致地观测到这种局部的动态图像。在这样的背景下，本文提出了以f p g a 作为 核心处理器的视频图像放大处理系统，重点对图像放大插值算法的硬件实现进行了一系 列的研究设计和改进，尝试利用f p g a 来完成整个系统的图像处理和控制任务。本文在 权衡图像处理速度和图像质量的情况下，选取了适合硬件实现的算法方案，将设计的重 点定位在怎样合理地构建算法实现的硬件框架和如何将理论性的算法公式在硬件平台 上进行合理的功能模块划分，并采用v h d l 语言进行行为级的描述，使模块功能得以稳 定、有效、实时地实现。 1 3 论文研究内容 本文基于f p g a 的硬件平台，围绕着视频图像处理系统的整体设计和图像放大功能 的硬件实现进行了以下研究与设计工作： ( 1 ) 在详细了解视频数据的格式和特点，以及当前主要的视频图像处理的方式及 其优缺点的基础上，确定了基于f p g a 的图像处理系统框架。重点对实现视频图像放大 处理和控制的核心处理器f p g a 进行功能模块结构划分，同时进行各模块间的连接和整 体布局设计。 ，l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一 ( 2 ) 在了解熟悉i 2 c 总线协议的基础上，设计了1 2 c 总线控制器，完成视频编解码 芯片对不同格式的输入和输出及其它预处理功能的配置任务。 ( 3 ) 对解码芯片的输出信号进行分析，针对1 1 r u rb t 6 5 6 视频标准格式的特点， 对数字视频数据进行解码，实现了视频图像同步控制信号和有效亮度信号的提取。系统 完成图像处理之后，需要实现与数字视频解码相反的功能，将处理后的有效视频与同步 控制信号进行复合。 ( 4 ) 仔细研究当前用于硬件实现的缩放算法，确定系统实现图像放大的算法方案。 对算法的硬件实现框架及其具体的硬件实现方案做了细致深入的研究和设计，并进行了 仿真验证。 ( 5 ) 针对算法实现过程中，需要进行多次数据缓存的特点，重点设计了图像放大 模块的数据缓存方式。同时，为了保证显示的连续性，系统采用外部存储器s r a m 缓 存放大后图像的数据。另外，各个存储模块实现时采用的控制机制也会有所区别，如乒 乓控制机制的采用。 ( 6 ) 针对系统核心处理模块的仿真测试向量的数量巨大，仿真测试工作效率低下 的难题，采用了一种利用t e x t i o 和m a t l a b 来辅助仿真测试过程的仿真验证方法。 该方法不但很好的解决了上述难题，而且仿真结果直接给出了放大后的效果图片，可以 对算法的正确性进行直观的验证。同时，可以通过其与理论图片的质量对比，验证算法 的效果。 1 4 论文章节安排 本文共分为六个章节，各章的具体内容安排如下： 第一章，绪论，对论文的研究背景，课题的提出做了详细阐述。 第二章，系统总体设计，介绍整个硬件系统的设计思想和系统结构。对核心器件 f p g a 进行了功能划分，对系统的内部信号流及系统时钟设计做了详细介绍，对编解码 芯片实现了1 2 c 总线初始化配置。 第三章，确定系统实现视频图像放大所采用的插值算法方案。通过对算法频域特性 的分析和m a t l a b 仿真后的理想效果图片的对比，在综合考虑了f p g a 实现的难易和 实时性的基础上，确定了系统实现视频图像放大采用的算法，并讨论了该算法的具体求 取过程，为硬件的实现打下了基础。 第四章，基于f p g a 的视频图像放大系统的设计，给出了f p g a 内部主要功能模块 的具体实现方案，并对各个模块的设计进行了说明和仿真。 第五章，视频图像核心处理模块的设计，对于系统的核心模块单独进行了详细地介 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 绍，并给出了模块的仿真结果。 ， 第六章，对全文进行总结，并展望了后续研究开发工作的努力方向。 4 东北大学硕士学位论文第2 章系统整体设计方案 第2 章系统整体设计方案 2 1 系统的整体设计思路 本文设计的视频图像处理系统主要应用于夜暗环境中，例如：道路夜间监控和车辆 的辅助驾驶，因而采用了主动红外技术，选用了具有红外功能的黑白摄像机来为整个系 统提供视频信号。 随着可编程逻辑技术的不断进步，f p g a 的内部资源日益丰富，集成度也越来越高， 加之其价格的不断降低，成为众多设计领域的首选。f p g a 的硬件并行结构和流水线技 术使其具备了较高的处理速度，可满足众多算法设计的需求，非常适合数字信号的处理。 同时，由于f p g a 具有可重复编程的特点，给系统调试带来极大的方便。因而，在本文 的系统设计中，选用f p g a 作为系统的核心处理器来完成视频图像处理【6 】。 考虑到摄像机输出的是模拟视频信号，不能直接进入f p g a 芯片进行处理，必须先 对其进行视频解码，将模拟视频信号转换为数字视频信号。而经f p g a 处理后的数字视 频信号，需要再转换成模拟信号才能送给显示终端。在本系统的设计中选用了p h i l i p s 公司生产的视频解码芯片s a a 7 1 1 3 h 和视频编码芯片s a a 7 1 2 1 h 完成模拟信号与数字 信号之间的相互转换。 为了保证显示终端( 液晶显示器) 能够连续地显示系统放大处理后的图像画面，本 文设计利用两片5 1 2 k x 8 b i t 的高速s r a m 芯片作为场存储器，交替地存储放大后的视频信 号。 整个视频放大处理系统的结构框图如图2 1 所示： 图2 1 系统结构框图 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fs y s t e m - 5 东北大学硕士学位论文第2 章系统整体设计方案 2 2 摄像机的选择及其输出信号格式 2 2 1 摄像机的选择 当前的摄像机普遍采用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，“电荷耦合器件) 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，“互补金属氧化物半导体) 两种图像传感 器，这两种图像传感器都是利用矽感光二极管进行光电转换。性能上，c c d 传感器在 灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都要优于c m o s 传感器，但在功耗和成本上却高于 c m o s 传感器 7 1 。由于系统主要应用夜暗环境，而黑白c c d 摄像机对波长为8 5 0 n m 的 近红外光非常敏感【8 】，因而为了获得更好的图像效果，本文确定选用黑白c c d 摄像机 作为系统的信号源。 关于摄像机输出的信号制式，目前，主要有n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m c o m m i t t e e ) 和p a l ( p h a s ea l t e r n a t i n gl i n e ) 两种。其中，n t s c 为正交平衡调幅制， 供电频率为6 0 h z ，场频为每秒6 0 场，扫描线为5 2 5 行，主要应用于日本、美国，加拿 大等国家。p a l 为逐行倒像正交平衡调幅制，场频为每秒5 0 场，帧频为每秒2 5 帧，扫 描线为6 2 5 行。由于我国的电网频率是5 0 h z ，采用5 0 h z 的场刷新频率可以有效去掉电 网信号的干扰，因此在我国主要采用p a l 制式【9 】。考虑到系统的实用性，我们采用p a l 制的摄像机作为信号源，设计系统实现p a l 制式视频信号的处理，并最终以同样制式 作为输出。 综合以上各方面的因素，系统选取了w a t - 9 0 2 h 2 这款红外黑白c c d 摄像机，输出 为p a l 制电视信号。 2 2 2 摄像机输出信号格式 要根据视频信号的特点构建系统，对其进行处理，我们必须了解信号源给出的信号 格式，接下来，本文将详细介绍摄像机输出的信号格式。 摄像机输出的模拟视频信号由视频模拟数据和视频同步数据构成，为了能够在显示 端重现图像，消去行、场扫描回线，保持扫描同步，c c d 摄像机的输出包括了图像信 号、行与场消隐信号、行与场同步信号等七种信号。为了让这些信号能用一个通道传送， 并在接收端可以方便的将它们分开，必须在发送端按一定规律这些信号组合起来，这个 合成信号称为黑白全电视信号【1 0 】。其波形图如图2 2 所示。 东北大学硕士学位论文第2 章系统整体设计方案 j 偶数场场同步基准奇数场 图像 信号 p - p p 产l 蚪t l ：l ，i l s l _ sl ，1 1 投l 翘 ： 图像 信号 同步电平1 0 0 消隐电平7 0 白山錾电平o 同步电平1 0 0 消隐电平7 0 白山荤电平仍 图2 2 电视信号波形图 f i g 2 2w a v e f o r m so fc o m b i n e dt e l e v i s i o ns i g n a l p a l 制的全电视信号的时间关系是：每行的周期为6 4 u s ( 既行频为1 5 6 2 5 h z ) ，其 中图像信号占5 2 5 u s ，行消隐占1 1 8 u s ：在行消隐期间传送行同步信号，它的脉宽为 4 7 u s ，比行消隐信号延迟1 3 u s 。每3 1 2 5 行构成一场，每场周期2 0 m s ，既场频为5 0 h z ， 其中消隐信号占2 5 行在加一个行消隐脉冲，共1 6 m s 。在场消隐期间传送均衡脉冲和场 同步信号，场同步信号的脉宽占3 行的时间，即1 9 2 u s ，其中每隔半行有一开槽脉冲， 其宽度为4 7 u s ；场同步信号的前后各有6 个均衡脉冲，每隔半行一个，其脉宽为 2 3 5 u s u l 】。 我国广播电视标准规定：全电视信号中，各合成信号的电平关系是以同步信号电平 的幅值为1 0 0 ，黑电平和消隐电平为的相对幅度为7 5 ，白色电平相对幅度为1 0 1 2 5 ；图像信号电平介于白色电平与黑色电平之间。 2 3 视频解码模块设计 2 3 1 视频解码芯片s a a 7 11 3 h 芯片介绍 s a a 7 1 1 3 h 是一款功能强大且操作简单的9 位视频输入处理芯片，该芯片采用 c m o s 工艺，通过i 2 c 总线配置芯片内部寄存器。它内部包含两路模拟处理通道，能实 现视频信号源选择、抗混叠滤波、a d 转换、自动箝位、自动增益控制( a g c ) 、时钟 发生( c g c ) 、多制式解码、亮度对比度饱和度控制( b c s ) 和多标准v b i 数据解码【1 2 】。 s a a 7 1 1 3 h 兼容p a l 、n t s c 、s e c a m 多种制式，可自动检测5 0 h z 和6 0 h z 场频 视频信号，并且可以自动或者手动控制在p a l 、n t s c 、s e c a m 标准间的切换。可对 下列制式的视频信号进行亮度和色度处理：p a lb g h i 、p a ln 、联合p a l n 、p a lm 、 n t s cm 、n t s cn 、n t s c 4 4 3 、n t s c - j a p a n 和s e c a m ；具有四路模拟输入通道，并 可以进行内部模拟信号源选择，如4 x c v b s 、2 x y c 或者1 x y c 和2 x c v b s 。对所选的 东北大学硕士学位论文第2 章系统整体设计方案 c v b s ( 或y c ) 通道可编程实现静态增益控制或者自动增益控制，且有两个内置的模 拟抗混叠滤波器； 数字化的c v b s 或y c 信号通过i 2 c 总线控制输出到解码输出通道v p o ，v p o 总 线宽度为8 位，输出标准u rb t 6 5 6y u v 4 2 2 格式的数字视频。由外部控制器控制读 写的1 2 c 总线，速率达4 0 0 k b i t s ； s a a 7 1 1 3 h 的模拟与数字部分均采用+ 3 3 v 供电，正常工作时功耗0 4 w , 空闲时为 0 0 7 w ，对不同制式标准只需要外接一个2 4 5 7 6 m h z 的晶振。s a a 7 1 1 3 h 内部具有锁相 环( l l c ) ，可输出2 7 m h z 的系统时钟。芯片具有上电自动复位功能，另有外部复位管 脚( c e ) ，低电平复位，复位以后输出总线变为三态，待复位信号变高后自动恢复，时 钟丢失、电源电压降低都会引起芯片的自动复位【1 3 1 。 2 3 2s a a 7 11 3 h 的寄存器简介 s a a 7 1 1 3 h 内部有2 5 6 个寄存器( s u b a d d r e s s o o f f h ) ，其中0 0 h 、1 f h 、6 0 h 一- 6 2 h 为只读寄存器，1 4 h 、1 8 h 一- i e h 、2 0 h 3 f h 及6 3 h f f h 均为保留地址。可读写 的寄存器为0 1 h - - 一，0 5 h ( 前端输入通道部分) ，0 6 h 1 3 h 、1 5 h 1 7 h ( 解码部分) ，4 0 h 一 6 0 h ( 常规分离数据部分) 【1 4 】。 表2 1 对s a a 7 1 1 3 h 中的寄存器进行简要说明，其中默认值为芯片复位后的寄存 器默认值，设置值为适用我国p a l 制式的设置参数，这些参数只供参考，详细信息请 参考s a a 7 1 1 3 h 数据手册，有些参数如亮度等可以根据用户的需要适当更改【1 4 1 。 表2 1 寄存器的初始化数值 地址寄存器功能默认设置配置功能阐述 值值 0 0 h 版本号只读 0 1 h 水平增量延迟 0 8 h0 8 h采样值 0 2 h模拟输入控制1c o hc o h选模式0 ，输入通道选择m l l ，输入复合视频信 号，然后更新关，放大器及抗锯齿波滤波器启动。 0 3 h 模拟输入控制2 3 3 h3 3 h 自动增益通过模式0 - 3 控制，并且启用，增白控 制关，长垂直空白，正常相位。 0 4 h 模拟输入控制3 0 0 ao o h 静态增益控制通道1 取值，约一3 d b 0 5 h模拟输入控制4 0 0 n0 0 h 静态增益控制通道2 取值，约一3 d b 0 6 i水平同步开始 e g he b t t 对应不同的延迟时间 0 7 h 水平同步停止 0 d he o h 对应不同的延迟时间 0 8 h 同步控制 9 8 hb 8 h 垂直噪卢没为正常模式，水平p l l 关，水平时间 为快速模式，选5 0 h z ，6 2 5 帧，自动场频检测。 东北大学硕士学位论文 第2 章系统整体设计方案 0 9 h 明度控制 0 1 h0 1 h 光圈：0 2 5 ，水平更新每场一次，光度处理工作， 中心频率4 i m h z ，前置滤波不用，c v b s 模式 o a h 亮度控制 8 0 h8 0 h 取值1 2 8 ( 中间值，c c i r 标准) ( 范围：0 - 2 5 5 ) 0 b h 对比度 4 7 h4 7 h 取值i 1 0 9 ( c c i r 标准) ( 范围：一2 + 2 ) 0 c h 色度一饱和度 4 0 h4 2 h 取值i 0 ( c c i r 标准) ( 范围- 2 + 2 ) o d h 色相控制 0 0 h0 1 h取值0 ( 范围：- 1 8 0 + 1 7 8 ) 0 e h 色度控制 o i h0 1 h 正常带宽( 8 0 0 l 【h z ) ，f c t c 正常速度，梳状滤波器 工作，p a l b g h i n 制式，不能清除d t o 0 f h 色度