基于FPGA的视频格式转换系统设计

　　在视频处理模块中包括了大量的视频数据存储器模块，主要可分为行存储器、帧存储器以及查找表存储器3类。

　　( 1)行存储器用于存储视频中一行的数据，由于数据量不大，用FPGA 内部RAM 来实现。

　　( 2)帧存储器用于存储一帧视频数据，由于数据量大，用DDR2来实现。

　　( 3)查找表存储器用于产生不规则的输入输出相应，如Sin函数和Gamma矫正曲线。

　　2. 3 FPGA 模块设计

　　FPGA 模块设计如图3。

图3 FPGA 模块框图

　　2. 3. 1 数据串并转换和色度重采样模块

　　此模块分为串并转换和色度重采样两个部分。

　　串并转换主要是为了把TVP5147 输出的混合数据转换为分量数据。由于采用了BT. 656 10- b it 4：2：2模式，其输出数据时钟为像素时钟( 13. 5 MHz) 的两倍，输出数据依次为Cb0，Y0，C r0，Y1,Cb1，Y2，C r1 等，本模块将其转为4：2：2 的Y‘CbCr 分量数据，RTL 仿真结果如图4所示。

图4 串并转换模块仿真结果

　　虽然视频分量传输带来了更好的图像还原度，但同时也带来了数据带宽的加大，因此很多时候人们把视觉上不那么重要的色差信号进行了重采样为4：2：2 (或4：1：1)以降低传输数据带宽。而在视频和显示系统内部基本使用4：4：4 的信号，因此色度重采样也成了视频转换中必不可少的模块。本文实现了4:2:2 到4%4%4和4：4：4 到4:2:2的转换。4：2：2 到4：4：4 的转换方法有直接重复法、一维滤波法以及亮度自适应滤波法。

　　考虑硬件成本和处理质量，我们选用一维滤波法，即只考虑色度通道在水平方向的滤波。图5为采用n抽头FIR滤波器进行色度重采样的模块框图。

图5 4：2：2 到4：4：4色度重采样模块

　　2. 3. 2 色空间转换模块( CSC )

　　由于不同视频标准采用了不同的色彩空间，而且有些视频处理需要在特定色空间里处理，因此色空间转换是十分必要的。色空间转换实际上是一个三输入经线性矩阵变换后得到新的三输出，其基本的转换公式如下：

　　上式中的Ax，Bx，Cx，Sx 分别代表不同空间之间的转换系数。一般视频系统中涉及的色空间包括电脑的R' G ' B ' 空间，NTSC 和PAL的Y'UV 空间，以及Y’CbCr空间。图6为转换模块框图，其中的转换系数可任意配置，即标准不限定。上节中的10 b it Y'CrCb可以通过这个色空间转换器，用标清到高清的转换系数转为8 b it的BT. 709标准Y'CrC 数据。

图6 色空间转换模块( Rx 为round ing 值)

　　输入8 bit的R'G' B'信号，先经R' G' B' 到Y'CbC r转换成10 b it的Y‘ CbC r信号，然后再转成8 bit的R' G'B ' 信号。其中色空间转换采用的是高清标准，采用小数部分为16 b it的定点小数来处理转换系数。图中上部分为8 bit的R'G'B'数据输入，中间为10 b it的Y'CrCb数据，下部分为8 b it的R'G'B'数据输出。由于做了流水线处理，输出有3 个时钟的延迟。

图7 　8 b its R’G‘B’转10 bits Y‘ CbC r再转回8 b its R’G‘B’仿真结果