FPGA和LCOS技术的3D视频前端处理与显示系统设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 FPGA和LCOS技术的3D视频前端处理与显示系统设计 目前，3D显示已逐渐融入到人们的生活当中，因其能再现真实的三维场景，受到了人们的广泛热爱，红蓝3D图像获取的基本原理如图1所示。摄像头采集同一场景的两路视频图像信号，对其中一路信号只提取图像信号的红色分量；另一路提取图像信号的蓝、绿色合成的青色分量。将两路信号采用同步色差合成算法合成红蓝3D视频图像。目前国内3D电视产业面临的主要问题在于：（1）3D电视芯片的缺少而导致3D片源的短缺；（2）视频处理的复杂度较高；（3）显示与观看效果不佳。为此本文对传统的视频处理过程中色度分量的提取、亮度的增强、红蓝3D眼镜

2、的设计等方面开展了改良，并采用LCOS作为微显示器件，投影出红蓝3D视频图像。 1 颜色分量的获取与亮度的增强 传统的方法只采用红加蓝、红加绿色度分量合成3D视频，这样会使画面的损伤较大，丢失33%以上的颜色分量，观看起来颜色失真较大，亮度也大大降低，增加了眼睛的负担，易产生疲劳。针对颜色失真本文采用红加青的方法以减少色度的丢失，这样可使画面色度饱和度复原到原始画面的90%以上。 针对亮度降低提出了基于亮度的图像增强方法。传统的基于Retinex理论的演变法存在一定的缺陷，如将RGB空间转换到HSI空间需要大量的三角函数运算，并采用傅里叶变换处理Retinex理论部分的高斯函数，大大影响处理速

3、度。本文提出了基于YCbCr颜色空间的亮度分量处理法，同时采用无限脉冲响应数字滤波器（IIR）实现高斯函数运算。实验证明，该算法不但能增强图像的质量，还能有效防止Retinex算法中带来的光环效应，同时大大加快算法处理速度。基于亮度Y分量的Retinex 处理过程可表示为: 式中Y( x , y)为亮度分量函数，F( x , y) 被称为环境函数，一般用高斯函数表达式为： 为高斯函数的标准偏差，k 表示环境函数的个数。环境函数Fk用于选取不同的标准偏差k，Wk用来控制环境函数范围的尺度，它表示与Fk相关的权重系数。 Retinex 处理算法的主要步骤就是高斯滤波，其运算速度直接决定了算法运行效

4、率。为防止傅立叶变换的复杂的运算和缺陷，对高斯滤波器开展了IIR实现，把高斯滤波器分解为正向滤波器和反向滤波器的组合，如下面的差分方程。 正向滤波器： 其中，C、di是滤波器系数，I 是输入数据，w1 和w2 分别是正向和反向滤波器的中间状态，O1、O2 为其处理结果。正向和反向滤波器就构成了高斯滤波器的IIR实现过程。可以利用高斯函数的可分离性： 对图像先逐行后逐列开展处理，终就可以实现二维高斯数字滤波。下列图2为原图、传统Retinex算法、基于Y分量Retinex算法处理后的比照图。图中可以看出，传统算法可以增强图像亮度，但灰度化也很明显。而本文采用的方法不仅可以增强亮度，也可以保持原有

5、图像的整体鲜艳效果。 另外，传统的3D眼镜仅采用红色或蓝色塑料或玻璃镜片作为滤光片，使滤光效果大打折扣，观众佩戴观看影片时，会出现不同程度的重影现象，影响观看效果。为此本文采用反射率和透过率都到达90%以上的反青透红和反红透青的滤光片作为3D眼镜的镜片，这样可以使红色镜片仅通过红色画面，青色镜片透过蓝、绿色画面，消除了重影现象，使观看效果更加鲜活、逼真，下列图3为滤光片及制作的红蓝3D眼镜。 2 视频处理系统基本构造与简化 整个视频处理系统构造如图4所示。两路摄像头将采集到的信号送入TW2867开展A/D转换，输出的复用信号送入解复用(demux)模块，分离出的两路复合视频数据分别送入BT65

6、6数据解码模块、帧缓存控制模块、像素分辨率缩放模块、YCbCr 4:2:2转YCbCr 4:4:4数据模块、YCbCr亮度增强模块、YCbCr 4:4:4转RGB数据模块，将RGB数据送入LCOS时序控制模块，以镁光公司的CS-FLCOS作为微显示器件，搭建光机系统，显示出3D视频画面。对其中的TW2867芯片和LCOS芯片分别要开展I2C总线配置和SPI总线配置其内部的相关存放器参数。 （1）TW2867解码 采用带有LED夜视功能的Sony CCD 感光芯片摄像头，视频输出分辨率为720*576，为标准的PAL制式视频格式。选用Techwell公司的TW2867 A/D转换芯片，能自动识别

7、PAL/NTSC/SECAM格式的2路复合视频信号，通过I2C总线的配置，TW2867将两路摄像头信号转换为符合BT656标准的8位YCbCr数字信号。TW2867每一路都含有10位的ADC转换器、高质量的钳位和增益控制器和梳状滤波器，以滤除信号中的噪声，同时采用了一些图像增强技术，以获得高质量的YCbCr数字信号。 （2）BT656数据解码模块 国际电信联盟无线电通信组（ITU-CCIR）发布了ITU-BT656的视频标准，其行数据构造如图5所示。该模块首先需要检测数据流中是否按序出现了FF、00、00的帧头SAV或帧尾EAV信息。如果出现则对后8位的XY值开展判断，判断是否出现SAV、EA

8、V信号，将有效视频信号的以亮度分量（Y）作为高8位，以色度分量（Cb或Cr）作为低8位合成16位的YCbCr数据，将BT656数据奇偶场的数据合并为一帧写入帧缓存中。 （3）像素分辨率缩放模块 帧缓存中装载的是两场视频数据，在读取的时候采用FIFO缓存并采用双线性插值算法，将原来720*576的像素分辨率放大到852*480。双线性插值算法将在水平和垂直两个方向分别开展线性插值。其定量计算方法如下：空间坐标系下四个点：A（x，y+1）、B（x，y）、C（x+1，y）、D（x+1，y+1），如图6所示，其灰度值依次为Ga、Gb、Gc、Gd，dx和dy分别表示目标点与点B在水平和垂直两个方向上的增

9、量，其灰度值Gt可以由其余四点量化表示，如式2-1。 Gt = (1 - dx)(1 - dy)Gb + dx(1 - dy)Gc + (1 - dx)dyGa + dxdyGd （2-1） 从电路实现方面而言，公式（2-1）共需要8个乘法器、2 个减法器和4 个加法器，将会占用较多的逻辑资源。将公式变形为： Gt = Gb+dx(Gc-Gb)+dy(Ga-Gb)+dxdy(Gb-Ga-Gc+Gd) = Gb+dx(Gc-Gb)+dy(Ga-Gb)+dxdy（2-2） 公式（2-2）是另一种简化了电路的表示方法，仅需要4个乘法器、4 个减法器和3 个加法器。计算结果会有5个时钟周期的延时，当像

10、素时钟为27Mhz，计算的时钟为一帧的数据转换为852*480*（1/27Mhz）=15ms，即可以实现实时的分辨率调整。 （4）YCbCr 4:2:2转YCbCr 4:4:4数据模块 将YCbCr4：4：4数据转换到YCbCr4：2：2是数字视频中的一个选通功能。而将YCbCr4：2：2数据转换到YCrCb4：4：4即是重采样的过程，采样的数据格式转变如图7所示。 可知，输入16位YCbCr转换成了相应各8位Y、Cb、Cr信号，且输出像素采样率比输入采样率快了一倍，由此可见YCbCr4:2:2的数据格式压缩了将近一半的数据带宽。 （5）YCbCr444-RGB模块 将YCbCr数据转换为RG

11、B数据可由下列图8所示数据关系得到。由于FPGA开展浮点运算较为复杂，且占用的时钟周期较长（比方16位的浮点加法电路，一般多达十几到二三十个时钟周期），并不适合于实时视频数据处理，所以先通过对上式左右二端放大128倍化为整数运算，计算后再对结果除以128（右移7位），即可获得正确的结果。 （6）LCOS时序控制模块 LCOS时序发生器主要用于产生微显示器件所需的时序，包括提供像素时钟（clk）、行同步信号（hsync）、场同步信号（vsync）、有效信号（valid），并输出当前行、列像素坐标值，从帧缓冲区发出数据请求信号并读出红、绿、蓝的视频数据。LCOS的时序仿真图如下列图9所示。 3 F

12、PGA红蓝3D视频获取及主观评价 FPGA选用的是Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE30F23C6N这款高速FPGA芯片，FPGA和DDR2之间的时钟频率可以到达200M，DDR2内部时钟频率到达400M，充分满足了两路视频处理的要求。通过对视频处理过程中模块的编写，编译后其消耗的的逻辑单元数为13615个，仅占总逻辑单元数的47%，如下列图11所示，使视频处理过程更加简便高效。将以上各模块搭建、调试、到FPGA中，并采用镁光公司的LCOS芯片作为微显示器件，摄像头采集到的阿凡达2D电影的一个画面转换为3D换面效果如下列图12所示，可以看到图面中的人物具有视差的红蓝两路图像，佩戴上红蓝3D眼镜，即可看到人物出屏的效果。 目前针对于3D显示的评价的方法主要还是主观的评价方法，按照2000年国际电信联盟发布的ITU-R BT.1438立体电视图像主观评价标准，分为5级，即、良好、一般、不好、坏五个级别。以立体图片上的一点为中心，单眼左右移动时，图像会出现连续的跳跃，两次跳跃之间眼睛移动的角度为立体图像的视变角，视角越大，观看越舒适，但视角变大意味着立体感减弱。通过多人观看本文的3D视频，本设计主观评价在良好级别，到达了预期的设计效果。 4 结束语 本文实现了一种结合Altera公司生产的Cyclone IV系列FPGA的