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基于FPGA的视频处理系统设计与实现随着数字化技术与高清视频的普及，基于FPGA的视频处理系统的应用也越来越广泛。
它们可以满足人们对于视频质量、速度和响应性能的要求。
FPGA作为一种高度可编程的器件，可根据应用需求任意重构电路结构，使得视频处理系统具有高度的扩展性、灵活性和定制性。
本文将从设计目标、系统结构、视频数据流传输、数字信号处理、硬件开发与软件开发等多个方面来介绍基于FPGA的视频处理系统的设计与实现。
一、设计目标在设计基于FPGA的视频处理系统时，我们需要考虑以下几个方面：1.视频质量：在视频的采集、传输和显示过程中需要确保视频的清晰、流畅和无噪音。
2.速度：视频处理系统需要具备高速的处理能力，可以迅速对视频进行处理，以达到实时性和响应性能。
3.低功耗：由于FPGA系统是基于硬件实现的，所以需要考虑低功耗来满足电源限制和延长电池寿命。
4.设计可重用：这就需要设计出可重用的平台，方便进行软件开发和硬件设计。
二、系统结构基于FPGA的视频处理系统的系统结构如图1所示。
它主要由三个部分组成：视频输入模块、视频处理模块和视频输出模块。
1.视频输入模块视频输入模块主要负责从相机或视频文件中采集视频数据，并将其转换成数字信号传输给FPGA。
该模块包括视频采集和视频解码两个部分。
2.视频处理模块视频处理模块主要是对采集到的视频数据进行处理，包括降噪、滤波、缩放、边缘检测、图像增强等操作。
它往往是FPGA设计的重点。
3.视频输出模块视频输出模块主要把处理好的视频数据输出到显示器、硬盘或网络等外设上，并在此过程中再次进行编码技术，使传输数据量减小，加快传输速度。
该模块还需要实现垂直同步、交错、逆交错等技术来保证视频输出的正确性和质量。
图1：基于FPGA的视频处理系统结构图三、视频数据流传输视频数据流传输是视频处理系统中非常重要的一环，它利用高带宽的总线来传输大量数据。
视频数据流传输主要有以下三种方式：1.像素传输像素传输是最常用的一种方式，它将每个像素的RGB值保存在一个字节中，并采用三根数据线分别传输每个像素的R、G、B值。
基于FPGA的视频处理系统设计随着科技的快速发展，视频技术在人们的日常生活中也得到了广泛的应用。
为了满足不同场景下的需求，高精度、高速度的视频处理系统成为了迫切需要解决的问题。
而基于FPGA的视频处理系统则成为了当下较为常用的一种实现方式。
一、FPGA的优势FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程数字电路的芯片。
和传统的ASIC（专用集成电路）相比，FPGA具有以下优势：1. 灵活性高，可以通过重新编程实现改变电路功能。
2. 可以实现高性能计算，处理效率高。
3. 集成度高，可以集成大量外设。
基于FPGA的视频处理系统正是利用了FPGA的优势来实现高效、高精度的视频处理。
二、视频处理系统的核心模块基于FPGA的视频处理系统通常包含以下核心模块：视频输入模块、视频输出模块、视频处理模块和控制模块。
现在我们分别来了解一下每个模块的功能：1. 视频输入模块视频输入模块用于将输入的视频信号转换成数字信号，并对数字信号进行预处理，以满足后续处理的需求。
通常会进行去噪、增强和格式转换等处理。
其中格式转换是非常重要的一步，因为不同的视频源可能采用不同的格式，统一格式可以方便后续处理。
2. 视频输出模块视频输出模块用于将处理好的数字信号转换成模拟信号，并输出到显示器或其他设备上。
在转换前，需要对数字信号进行一定的处理，常见的处理方式包括降噪和增强等。
3. 视频处理模块视频处理模块是整个系统的核心部分，它可以对数字信号进行各种形式的处理，如降噪、增强、滤波、压缩等。
其中压缩是视频处理中最重要的部分之一，因为视频信号通常会占用大量的存储空间和带宽资源。
视频压缩技术可以将视频信号压缩到较小的存储空间或带宽上，从而实现高效的存储和传输。
4. 控制模块控制模块用于控制整个视频处理系统的运行和参数配置等。
通常会使用外部开发板或者软件进行控制。
在控制模块的指导下，整个视频处理系统可以进行各种不同的操作，方便用户进行定制化的需求处理。
一种基于FPGA的立体视频转换系统研究设计自由立体显示器是一种无需佩戴辅助装置就能观看三维立体效果的显示器。
由于立体显示器能够真实还原三维信息，因此在军事、商业、医疗等领域有着广阔的发展前景[1]。
随着立体显示器研究的不断发展，自由立体显示技术日趋成熟，不断涌现出各种新型的立体显示技术[1，2]。
其中基于视差的立体图像显示技术以实现方便和技术成熟的优点被广泛应用[2]。
传统的立体图像源通常不能直接用于新型立体显示器显示，为立体显示器提供合适的图像源成为立体显示研究的一个重要环节。
本文介绍一种基于视差原理的立体显示器的视频转换系统，它能够将已有的立体视频格式转换成所需的视频格式。
基于视差的立体显示器需要在屏幕上同时显示一对立体图像，因此显示器所需的图像格式也不同于平面显示器。
本文将以输入左右格式（Side-by- Side）的视频信号为例，详细描述该信号格式转换为一种液晶立体显示器格式的设计与实现。
该系统以FPGA 为核心，采用全数字的数字视频口DVI（Digital Visual Interface）作为液晶显示器的视频接口，并且使用一片DDR SDRAM 构建了高速的帧缓存系统，保证了数据的实时处理。
系统可以工作在2D 和3D 模式下，实现显示器的平面/立体兼容，在1 280×1024@60Hz 的19 寸立体显示器上工作稳定，满足系统要求，通用性很好。
1 系统设计1.1 目标视频格式目前存在大量左右格式的立体图像和视频。
所谓的左右格式，就是在一幅完整的图像上，将一对立体图像平行放置在图像的左半边和右半边，如图1(a)所示。
观看者左眼只看到左边的图像，右眼只看到右边的图像时就能看到。
基于FPGA的系统通过合成两条视频流来提供3D视频然后，两台同步摄像机的输出由视频解码器（如 ADV7181D、ADV7182 或ADV7186 用于模拟摄像机）举行数字化处；也可由 HDMI receivers （如ADV7610或ADV7611 ，用于数字摄像机）举行数字化处理。
视频解码器和HDMI接收器都采纳内部锁相环(PLL)在其输出上产生时钟和像素数据。
这意味着，在数字化模拟视频，或者接收HDMI流时，将为两台摄像机产生两个自立的时钟域。
另外，两个视频流可能存在对齐误差。
这些时序差异和对齐误差必需在后端器件（如FPGA）中举行补偿，先将数据带至共同的时钟域，然后再将两个视频图像结合成单个立体视频帧。
然后，通过一个支持3D的HDMI 1.4HDMI接收器（如ADV7511 或 ADV7513—也可以将其提供应DSP（如 ADSP-BF609Blackfin 处理器）—以便进一步处理。
时钟架构视频解码器有两种彻低不同的时钟源，详细取决于其是否锁定。
当视频PLL被锁定至输入同步信号时——水平同步（视频解码器）或TMDS 时钟(HDMI)——结果会产生一个锁定至输入视频源的时钟。
当视频失锁时，或者当PLL处于强制自由运行模式时，视频PLL不会锁定至输入同步信号，结果会产生一个锁定至晶振时钟的时钟输出。
另外，时钟可能不会在复位后输出，由于LLC时钟驱动器在复位后设置为高阻抗模式。
因此，假如系统有两个或多个始于视频解码器或HDMI接收器的视频路径，即使将同一晶振时钟提供应两个视频解码器或HDMI接收器，仍会有两个不同频率、不同相位的不同时钟域，由于每个器件都会基于自己的PLL产生自己的时钟。
带锁定视频解码器的同步系统典型的立体视频用法两个视频源，其中，每个视频解码器都会锁定至输入视频信号，并会基于输入水平同步或TMDS时钟产生自己的时钟。
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基于FPGA的立体视频转换系统
张金龙;王元庆;张兆扬
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】2010(000)009
【摘要】给出了以FPGA为核心、针对自由立体显示器的立体视频格式转换系统的设计与实现方法.详细介绍了系统的硬件构成和FPGA逻辑设计,包括DVI控制、视频格式转换以及数据缓冲系统等.
【总页数】4页(P39-42)
【作者】张金龙;王元庆;张兆扬
【作者单位】南京大学,电子科学与工程学院,江苏,南京,210093;南京大学,电子科学与工程学院,江苏,南京,210093;上海大学,通信与信息工程学院,上海,200072
【正文语种】中文
【中图分类】TN873
【相关文献】
1.基于FPGA的立体视频画面分割模块的设计与实现 [J], 陈鼎如;苏萍;马建设
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基于FPGA的视频格式转换电路设计近年来，随着多媒体技术的快速发展，高清视频已经成为了现代社会中不可或缺的一部分。
但是由于硬件与软件的兼容性问题，不同的视频设备之间无法兼容最新的高清视频格式，给用户的使用带来了很大的不便。
为了解决这个问题，我们设计了一种基于FPGA的视频格式转换电路，能够将各种高清视频格式进行转换，从而实现兼容性。
FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种高度灵活、可编程的硬件平台。
它能够快速重构电路，适应各种应用场景。
基于FPGA的视频格式转换电路，不仅可以进行高效的对数码视频信号的处理，还能够适应不同的视频格式，以及支持多种信号的输入和输出。
该电路主要由三个部分组成：输入信号口、输出信号口和控制器。
其中，输入信号口用于接收各种视频输入信号，例如HDMI、VGA等，输出信号口用于输出高清视频信号，而控制器则能够控制视频输入、输出以及信号格式的转换。
在设计中，我们采用了一种数字信号处理器（DSP）的方式实现视频格式的转换。
该处理器可实现多种转换模式，包括分辨率、色彩空间以及帧速率等转换。
同时，还可以实现多路视频输入的混合处理，从而满足不同用户的需求。
此外，我们还加入了一些特别的功能，例如实时物体检测技术、人脸识别技术等。
这些技术能够对视频进行特殊的处理，以响应用户对不同视频应用领域中的不同需求，提高整个系统的性能和用户体验。
总之，基于FPGA的视频格式转换电路，具有灵活性高、功能齐全、性能稳定的特点。
它能够有效地解决多种视频格式之间的兼容问题，适应各种全色、分辨率、帧速率等多种转换模式，实现多路视频信号的同时混合处理，为现代社会提供更为优质的视频享受。
基于FPGA的视频处理系统设计与实现一、引言随着科技的不断发展，视频处理技术在各个领域中扮演着越来越重要的角色。
而基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）的视频处理系统由于其灵活性和高性能而备受关注。
本文将探讨基于FPGA的视频处理系统的设计与实现，包括系统架构、关键技术和应用场景等方面的内容。
二、系统架构设计基于FPGA的视频处理系统通常包括视频输入模块、图像处理模块和视频输出模块三个主要部分。
其中，视频输入模块负责接收外部视频信号并将其转换为数字信号；图像处理模块则对接收到的视频数据进行各种算法处理，如滤波、边缘检测、目标识别等；最后，视频输出模块将处理后的视频信号输出到显示设备上。
三、关键技术1. FPGA编程FPGA作为一种可编程逻辑器件，其编程是基于硬件描述语言（HDL）进行的。
常用的HDL包括Verilog和VHDL，开发人员需要熟练掌握这些语言以实现对FPGA的编程。
2. 视频信号处理算法在视频处理系统中，各种算法对系统性能起着至关重要的作用。
常见的视频处理算法包括运动估计、帧间压缩、图像增强等，开发人员需要根据实际需求选择合适的算法并进行优化。
3. 性能优化由于视频处理对计算资源要求较高，因此在设计系统时需要考虑如何优化性能。
这包括合理分配硬件资源、设计高效的算法以及减少功耗等方面。
四、应用场景基于FPGA的视频处理系统在各个领域都有广泛的应用，例如智能监控、医疗影像分析、工业检测等。
这些应用场景对系统性能和稳定性提出了更高的要求，同时也为FPGA技术的发展提供了更多可能性。
五、实现案例以智能监控系统为例，我们可以设计一个基于FPGA的视频处理系统，实现对监控画面的实时分析和识别。
通过结合图像处理算法和硬件加速技术，可以提高监控系统的响应速度和准确性，从而更好地满足用户需求。
六、总结基于FPGA的视频处理系统具有灵活性高、性能优越等优点，在各个领域都有着广阔的应用前景。
基于FPGA的立体视频转换系统关键词:自由立体显示FPGADVI左右格式SDRAMTFP401Spartan3ETIXlinx公司摘要：给出了以FPGA为核心、针对自由立体显示器的立体视频格式转换系统的设计与实现方法。
详细介绍了系统的硬件构成和FPGA逻辑设计，包括DVI控制、视频格式转换以及数据缓冲系统等。
关键词：自由立体显示；FPGA；DVI；左右格式；SDRAM自由立体显示器是一种无需佩戴辅助装置就能观看三维立体效果的显示器。
由于立体显示器能够真实还原三维信息，因此在军事、商业、医疗等领域有着广阔的发展前景[1]。
随着立体显示器研究的不断发展，自由立体显示技术日趋成熟，不断涌现出各种新型的立体显示技术[1，2]。
其中基于视差的立体图像显示技术以实现方便和技术成熟的优点被广泛应用[2]。
传统的立体图像源通常不能直接用于新型立体显示器显示，为立体显示器提供合适的图像源成为立体显示研究的一个重要环节。
本文介绍一种基于视差原理的立体显示器的视频转换系统，它能够将已有的立体视频格式转换成所需的视频格式。
基于视差的立体显示器需要在屏幕上同时显示一对立体图像，因此显示器所需的图像格式也不同于平面显示器。
本文将以输入左右格式（Side-by-Side）的视频信号为例，详细描述该信号格式转换为一种液晶立体显示器格式的设计与实现。
该系统以FPGA为核心，采用全数字的数字视频口DVI（Digital Visual Interface）作为液晶显示器的视频接口，并且使用一片DDR SDRAM构建了高速的帧缓存系统，保证了数据的实时处理。
系统可以工作在2D和3D模式下，实现显示器的平面/立体兼容，在1 280×1 024@60 Hz的19寸立体显示器上工作稳定，满足系统要求，通用性很好。
1 系统设计1.1 目标视频格式目前存在大量左右格式的立体图像和视频。
所谓的左右格式，就是在一幅完整的图像上，将一对立体图像平行放置在图像的左半边和右半边，如图1(a)所示。
观看者左眼只看到左边的图像，右眼只看到右边的图像时就能看到立体图像。
一种基于液晶和视差原理的自由立体显示器，将左右图像分别放在亚像素列的偶数列和奇数列。
以屏幕分辨率为1 280×1 024为例，原图第0~639列为左图，640~1 279为右图，则第0列和第640列像素组成变换后图像的第0列和第1列；第1列和第641列组合为第2第3列……依次类推。
组合的方式为交换对应像素的绿色分量。
合成后的效果如图1（b）所示，左右图像的亚像素在水平方向间隔排列。
1.2 硬件系统设计系统的硬件框图如图2所示。
该系统采用DVI作为视频输入输出接口。
DVI作为一种全数字的接口标准，已经成为液晶显示器必备的一种接口。
与VGA相比，它的优点在于采用数字信号传输，没有A/D、D/A 二次转换带来的信号损失。
其中输入输出分别采用TI公司的TFP401和TFP410芯片，该芯片支持最高165 MHz的像素时钟，即对应1 600×1 200@60 Hz的分辨率。
FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan3E系列的XC3S1600E，该芯片具有较为丰富的资源，并且成本较低。
为了满足视频数据存储的需要，该系统还配备了一组位宽为32 bit、容量为64 MB的DDR SDRAM存储芯片。
当系统工作在2D模式时，FPGA采集由DVI输入的视频数据，经SDRAM缓存后发送给DVI输出芯片；当系统工作在3D模式时，FPGA先对读入的数据实时进行格式转换后再写入SDRAM，然后从SDRAM读出转换好的数据发送给DVI输出芯片，立体显示器接收到的即是对应的立体格式的数据。
该设计利用DVI输入输出时序上的特点，分时利用一组SDRAM实现了类似“乒乓操作”的帧缓存功能，充分利用了系统资源。
2 FPGA逻辑设计系统设计的主要任务是完成FPGA对各个模块的控制，包括DVI数据的输入输出、SDRAM的读写控制、数据的缓存以及各模块之间的协调等。
其中，数据的缓存是整个系统设计的关键。
FPGA内部的模块划分如图3所示，虚线左边的模块采用视频的像素时钟作为工作时钟，频率取决于分辨率；右边的模块采用系统自身生成的时钟作为工作时钟，频率最高为166 MHz。
2.1 DVI输入输出DVI输入输出控制，一方面根据同步信号采集视频数据；另一方面要根据输入信号生成输出信号，包括行同步(HSYNC)、场同步(VSYNC)、数据有效信号(DE)等。
以输入视频信号1 280×1 024@60Hz为例，根据VESA(Video Electronics Standards Association)标准，此时像素时钟fp=108 MHz，每一行信号期间，当DE信号为高电平时，数据有效。
于是可以在检测到DE信号的上升沿后开始采集数据，而在DE转为低电平后停止数据的采集。
采集的数据写入SRAM，SRAM地址由同步信号解码产生。
为了精确生成输出DVI的同步信号，需要在采集DVI输入数据的同时统计输入信号各个特征脉冲维持的时钟数。
图4所示为以行为单位统计场同步信号的参数。
输出端在根据统计参数生成DVI同步信号的同时，当输出信号的DE为高电平时，从输出SRAM读取相应的数据送到数据总线。
2.2 数据缓冲数据缓冲是整个设计的关键。
数据的存储缓冲是信号处理中通常会遇到的问题。
视频信号的缓冲，由于其数据量大，使得对存储器的容量和速度都提出了比较高的要求。
当系统工作在1 600×1 200@60 Hz的最大分辨率时，存储一帧数据所需的容量是d=1 600×1 200×3 B=5.49 MB，此时的数据率为d=d0×60=329.59 MB/s，这要求存储器具有大容量和足够快的速度。
常用的数据缓冲方法有FIFO、双端口RAM和乒乓操作3种。
FIFO的使用非常简单，缺点是只能顺序读写，并且容量较小。
双端口RAM可以做随机存取，且速度很快，然而SRAM的价格昂贵，容量通常在几百Kbit到几Mbit大小，所以也不适合做大容量的存储。
而SDRAM 有容量大且速度较快的优点，所以采用SDRAM的乒乓操作既可以满足视频数据大容量的要求，又能满足速度上的要求，是一种较好的方案。
综合以上方案，同时根据输入输出数据时序上的相似性特点，本文提出了一种时分复用单片SDRAM的方案。
该方案用一组SDRAM实现类似“乒乓操作”的帧缓冲效果。
整个存储缓冲的结构如图5所示。
输入输出均采用两级缓存的方式。
其中第一级缓存可以存储一行数据，采用FPGA片内双端口SRAM实现；二级缓存是可以存放完整两帧数据的DDR SDRAM，作为主存储器。
当某一帧数据到来时，输入端的数据不停地从双端口RAM的一个端口写入SRAM_Rx。
每当检测到DE的下降沿，说明已经有一行的数据写入完毕，则从另外一个端口将SRAM_Rx的数据写入DDR用于保存当前帧数据的存储区。
写入一行结束时，输入端要等到下一个DE下降沿到来才会再次有读写SDRAM的需求。
也就是说SDRAM此时处于空闲期，于是马上从之前保存好的上一帧数据中读出相应的一行数据写入SRAM_Tx，输出端则在写入SRAM_Tx一行完毕后从SRAM_Tx的另一个端口读出数据。
这样一直到一帧结束。
当下一帧数据到来时，交换读写所指向的帧存储区，这样保证了原视频信号的帧率不变。
为了使设计简单，DDR控制器模块DDR_IF使DDR工作在BL（Burst Length）即数据突发长度等于2的状态[4]，并且以行为单位完成一次读写流程。
每次要写入或者读出一行数据时，主控制模块MAIN_CTL向DDR_IF发送读写请求，然后发送一行数据所需要传送的突发长度的数量BL_CNT，以及该行数据要存入DDR 的bank地址、行起始地址、列起始地址。
之后，MAIN_CTL和DDR_IF进入读写流程。
一行数据读写操作的Modelsim时序仿真如图6所示，图中以一行数据有3个像素为例。
根据以上分析，DDR在一行数据的时间内被复用，理论上只要满足写入一行加读出一行数据的时间小于一行数据的持续时间Th即可。
在1 600×1 200@60 Hz的分辨率下，行周期Th=13.3 ?滋s，当DDR工作在165 MHz时，其读一行数据加写一行数据的时间为：Tl=1 600×2/165 M×2=9.7 ?滋s<Th。
即使考虑到DDR在读写之外的其他操作上花费的额外时间，也能够满足要求。
2.3 格式转换2.3.1 3D模式2.3.2 2D模式对于本文设计的系统，对程序稍作修改即可实现2D/3D兼容。
只须在输入端，第k个像素到达时，各分量分别存入地址addr=k即可。
本文介绍的立体视频转换系统能够在不影响帧率的情况下进行实时转换，并且满足2D/3D兼容的需要。
该系统目前已应用于立体显示器格式转换。
DVI接口的使用，使得该系统有着广泛的兼容性。
此外，系统用一片SDRAM实现了帧缓冲的功能，在充分利用系统资源的同时，使得整个系统的设计更为简洁，有利于减小体积和降低成本。
同时，该系统实际上构建了一个通用的视频处理架构，具有很好的扩展性，程序只需稍作修改即可用于其他尺寸、其他格式视频源（如上下格式、时分格式）、其他立体实现方式（如按行或者按列分割左右图像）的立体显示器。
