基于FPGA的多格式视频信号转换系统

论文摘要

随着多媒体视频技术的蓬勃发展,现代视频领域有着多种格式的视频信号。计算机的普及和Internet技术的迅猛发展,使得家庭娱乐、教育培训、商务演示和视频监控等众多领域,都要求这些不同格式的视频信号能在计算机显示器或现代彩色电视上实时显示,这就提出了一个新的课题:“多格式视频转换”。常见的视频转换器,往往只能实现一种视频格式的转换,功能单一。而一些专用的视频转换设备采用专用处理器、专用采集芯片、数字信号处理芯片,其硬件复杂程度高、成本高,不利于推广。本课题“基于FPGA的多格式视频信号转换系统”,能够将DVI、HDMI、VGA、S-Video、CVBS以及CMOS图像传感器输出信号等常见的多种视频信号转换为标准的模拟RGB信号,同时实现视频图像隔行转逐行、帧率提升、分辨率变换处理,最终通过VGA接口传输到显示终端上实时显示。该系统具有接口灵活、体积小、重量轻、功能扩展方便等优点,当输入的视频信号格式改变时,只需在各模块修改相应参数即可。本系统基于Xilinx公司Spartan-3E系列FPGA XC3S250E实现图像处理功能。DDR SDRAM凭借其存储量大、速度快、性价比高等优点,成为实现图像隔行转逐行、帧率提升中使用的帧缓存的最佳选择。本课题主要从硬件和软件两方面进行设计,并对设计结果进行了综合仿真测试。首先围绕设计目标从整体方案及转换类型等方面进行芯片选型和具体的电路设计,然后在Xilinx开发工具ISE 9.1i下编写FPGA逻辑部分,采用硬件描述语言VHDL实现功能模块的逻辑设计,给出了关键代码和仿真波形。并且对DDR SDRAM控制器的设计进行了深入论述。本论文完成了基于FPGA的多格式视频信号转换系统的设计,通过以CMOS图像传感器信号作为系统输入进行视频格式转换的验证工作。结果表明,系统软硬件能够很好的兼容工作进行正常的视频格式转换,达到预期的设计目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 发展现状与面临的挑战
• 1.2.1 国内外发展现状
• 1.2.2 面临的挑战
• 1.3 课题的提出
• 1.4 论文完成工作
• 第二章 FPGA 及开发工具
• 2.1 FPGA 简介
• 2.2 开发环境
• 2.3 硬件描述语言
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统设计
• 3.1 系统总体设计
• 3.1.1 系统结构设计
• 3.1.2 系统功能设计
• 3.2 系统芯片选型
• 3.2.1 解码芯片选型
• 3.2.2 FPGA 芯片选型
• 3.2.3 外部存储芯片选型
• 3.2.4 配置信息存储芯片选型
• 3.3 系统硬件设计
• 3.3.1 系统总电路设计
• 3.3.2 解码芯片外围电路
• 3.3.3 FPGA 外围电路
• 3.3.4 DDR SDRAM 外围电路
• 3.3.5 D/A 芯片外围电路
• 3.3.6 电源电路
• 3.3.7 输出电路
• 3.4 本章小结
• 第四章 视频格式转换的实现
• 4.1 转换原则及方式
• 4.1.1 转换原则
• 4.1.2 转换方式
• 4.2 YCbCr 转 RGB
• 4.2.1 YCbCr444 转YCbCr422
• 4.2.2 YCbCr411 转YCbCr422
• 4.2.3 YCbCr422 转RGB
• 4.2.4 VHDL 语言实现及仿真
• 4.3 YPbPr 转 RGB
• 4.3.1 转换原理
• 4.3.2 VHDL 语言实现及仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 图像处理及 DDR SDRAM 控制器的 FPGA 实现
• 5.1 串并转换模块
• 5.2 输入缓冲模块
• 5.3 主控制器模块
• 5.3.1 模块工作原理
• 5.3.2 隔行转逐行
• 5.3.3 帧率提升
• 5.4 DDR SDRAM 控制器模块
• 5.5 输出缓冲模块
• 5.6 分辨率变换模块
• 5.7 本章小结
• 第六章 测试与实现
• 6.1 测试步骤
• 6.2 实验结果
• 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 附录