分析了視頻轉換中的關鍵技術，即，視頻掃描轉換和視頻圖像處理的基本原理，并給出了一種實際的實現方案，構建了以FPGA為控制核心的視頻轉換硬件系統。利用FPGA對整個系統進行編程配置，靈活地對系統進行控制，實現從非標準視頻制式到標準視頻制式以及標準制式之間的相互轉換。
??? 關鍵詞：視頻轉換，前向通道，后向通道，內插，FPGA
　　

1　引　言
　　多媒體電視系統作為多媒體技術的重要分支，尤其是多媒體電視節目制作的技術設備，已經發展到相當高的水平。在滿足實時輸入、輸出的條件下，視頻數據流壓縮比的降低，使圖像的技術質量得以提高。目前，在軍事、工業和醫學領域還存在著大量的非標準的視頻系統，而高清晰度的圖像質量在這些領域又是必不可少的。因此，標準視頻信號轉換和處理系統應運而生。現存較多的是以單片機為控制核心的標準視頻制式TV－VGA之間的視頻轉換系統。由于單片機處理時有特有的指令周期，且外圍I／O引腳較少、不能靈活配置〔4〕，這類系統轉換速度較慢，功能比較單一，圖像質量不太高。而現場可編程邏輯器件FPGA正好能彌補單片機的這些缺憾，實現多種制式視頻信號之間的實時、高質量的視頻圖像轉換。
2　視頻轉換原理
　　眾所周知，標準VGA顯示模式采用的是逐行掃描方式，在一個幀掃描周期內實現對圖像的完全掃描。而標準的電視視頻信號（PAL，NTSC，SECAN）采用隔行掃描機制，依次對奇數場和偶數場的奇數行和偶數行進行掃描，利用人眼的視覺暫留來實現兩場1／50s掃描312．5行的圖像構成625行（一幀）圖像。另一方面，由于不同的視頻制式的場頻和行頻存在很大的差異，要實現不同視頻系統之間的圖像信號的存儲、處理和顯示，就必須采用不同的處理方法。標準視頻轉換系統的基本原理就是非標準的視頻信號經模數轉換成數字信號后，通過行存儲器和場存儲器的緩存，完成采樣圖像的場頻調整、信號加權直至數字信號處理，實現視頻信號的轉換和圖像的數字化處理。
2．1　視頻掃描轉換的原理
　　視頻掃描變換是建立在數字信號處理技術基礎上的。不同制式的視頻信號通過掃描變換來獲取所需的行場圖像信號。視頻信號在經過緩沖、嵌位后，按照取樣時鐘把經過模數轉換的數字信號送入存儲器緩存。通過數據的內插方法進行數據擴展，即，相鄰行之間的數據按照一定的算法加權，得到內插行的數據，或者相鄰場／幀數據經過加權實現內插幀的數據。再以適當的速率讀取處理后的數據，就可以實現倍行頻／倍場頻的掃描。倍行頻掃描可以消除行間的閃爍現象，倍場頻掃描雖然行掃描頻率不變，但是場頻加倍，既能消除行間的閃爍現象，還可以消除場間的大面積閃爍。同樣，可以通過對掃描數據的重排來完成逐行掃描到隔行掃描的實現（兩者的掃描行頻都加倍，只是數據的讀取順序不變）。圖1為掃描變換的原理圖。

　　對于靜止和慢速變化的圖像，由于行、場圖像信號之間存在著較大的相關性，因此，以上的行場掃描變換是可行的。對快速變換的視頻圖像信號而言，由于場、幀的數據信號之間的相關性很小，采用簡單的內插就會產生嚴重的圖像模糊和托尾現象。為了保持圖像的連續和清晰度，可以采用兩種方法來實現：第一，利用場內／幀內圖像數據的相關性，采用場內／幀內行間數據內插實現場倍頻。這種處理效果在變化較快的場圖像之間會產生很大的突變，很容易被人眼識別；第二，使內插處理的數據自適應于圖像的快速變化。這種內插處理本質上就是一個自適應的數字濾波器，通過權值的調整來跟蹤圖像的變化，以達到消除圖像模糊和突變的效果。常用的自適應濾波器有：定向平滑濾波器和空間變化的線性最小均方誤差（LMMSE）濾波器。各種自適應濾波器由于其自適應的算法的差異，在收斂速度、跟蹤特性和最優解方面存在著差異，因此，處理后的圖像質量也不一致，在濾波后的圖像上也會留下噪聲點〔1〕。
2．2　視頻圖像的幾何變換
　　視頻信號通常是以場或者幀進行存儲的，存儲地址和圖像顯示的空間位置都有確定的對應關系。在視頻轉換系統中，通常都要求實現圖像的位移、擴大和縮小甚至旋轉，這可以通過控制讀取地址來實現圖像的幾何變換。
　　圖像的移位其實就是圖像的滯后／超前顯示，這可以通過延遲顯示和地址順序讀取來實現。
　　而圖像的擴大和縮小，是對幀圖像的整體放大和縮小。這不同于圖像的截取，需要對圖像數據進行“壓縮”或者“放大”，即，對水平和垂直方向的數據進行內插和抽取。當進行圖像縮小時，如果壓縮率為0．5，只需對水平方向的采樣輸出點數減半。如果壓縮比不是整數倍，則沒有準確的采樣點，就必須進行數據的內插來實現，即，對臨近采樣點的數據加權計算來獲取。同樣，對圖像的放大，也是通過前后相鄰的數據內插來實現的。我們可以看到〔2〕，對圖像進行縮小時，圖像數據的取樣頻率降低，這將會產生頻譜混疊現象，在數模轉換恢復為模擬信號時將產生失真。為避免這種失真，應當對原來的數字信號進行壓縮濾波。對圖像進行放大時，相當于提高了數據的取樣頻率，因此不會產生頻譜混疊現象〔2〕。
3　系統的硬件實現
?? 該視頻轉換系統要求實現單路非標準視頻信號到多路標準視頻信號的轉換，它輸出的標準信號包括可選通標準S－Video和CVBS的NTSC／PAL輸出，符合EIA RS－343A標準的不同分辨率和刷新頻率的VGA輸出。其硬件實現框圖如圖2所示。由圖2可見，系統主要由兩大部分組成：由專用芯片實現的視頻信號處理單元，它是由前向通道和后向通道組成的，完成視頻信號的取樣和處理，而基于FPGA的控制單元完成整體信號的識別和控制。

3．1　硬件系統的方案
　　視頻處理的前向通道主要完成對輸入信號的恢復和數字化。由于輸入的視頻信號比較微弱，首先將該信號進行無失真地放大，以額定的輸出電平輸入到后續信號處理電路，保證數據采樣和恢復的正確性。要使圖像傳輸不失真，就必須將高低頻信號和直流分量都同步傳輸。但是在信號傳輸和耦合中常存在視頻信號的直流信號丟失的現象，因此，對視頻信號進行嵌位來恢復圖像中的直流分量。經過嵌位的信號進行模數轉換，采樣后的數據送入到FIFO中進行數據緩沖。
　　后向通道主要完成對數字化的視頻信號的處理和視頻恢復。考慮到其實現的復雜性，采用專用芯片來實現視頻掃描的變化和視頻圖像的變化。該系統中使用的是專用數字圖像處理芯片DSPAL128，該芯片內置高集成化的數字視頻處理器，支持標準電視制式和復合視頻以及S　VIDOE輸出。FPGA通過I2C總線對其進行寄存器配置來實現高質量的視頻信號轉換，詳細資料見Averlog公司的數據手冊。處理完畢的信號通過數據緩沖和模數轉換多路輸出。
3．2　系統的主控單元實現
　　作為系統的主控單元，FPGA控制著整個系統的正常運作，包括時鐘信號的配置、芯片初始化、參數配置和狀態控制以及和外部控制單元進行通信。這主要體現在下面幾個方面。
3．2．1　視頻數據的同步時鐘
　　為了實現視頻恢復信號的清晰度和完整性，必須保證視頻信號ADC采樣頻率和視頻信號恢復所需行場同步信號和像素掃描頻率的正確。這部分的數字頻率合成是由鎖相環和FPGA中實現的N可變分頻計數器來獲得的，其原理圖如圖3所示。與普通鎖相環不同的是，數字頻率合成單元在壓控振蕩器VCO（Voltage ControlOscillator）的輸出端和鑒相器的輸入端之間的反饋回路中加入了一個可變分頻器。輸入的行同步信號的頻率為fR，壓控振蕩器的輸出經N次分頻后得到頻率為fN的脈沖信號，兩個脈沖信號在鑒相器進行相位比較。當環路處于鎖定狀態時，則有輸出取樣時鐘頻率fout＝NfR＝NfN，頻率間隔為Δf＝fN。只要改變預置的N可變分頻數，就可以靈活調節采樣速率，使得這種數字頻率合成電路具有較高的穩定性和靈敏度。

3．2．2　數據流控制和參數配置
　　需要保證足夠的信號采樣率，才能保證恢復視頻信號的正確性。對視頻數字化的數據進行處理時除了采用高速存儲器外，高速數據流控制器件也是必須的。以分辨率為1024×1024，刷新頻率為60Hz的VGA視頻信號為例，其采樣時鐘需要近60MHz，顯然，一般的單片機和DSP器件都不能勝任。在對Altera公司的FLEX10KE系列的器件進行時序分析時發現，其16位計數器的最高時鐘可達150MHz。顯然，FPGA更適合于進行高速的數據流控制。
　　在本系統中，FPGA是整個系統的主控單元，利用了FPGA并行處理〔4〕的特點來提高系統的整體性能。其主要功能包括整體信號控制，視頻同步信號的取樣和識別，數據讀寫時序控制。其模塊實現如圖4所示。

　　由于FPGA特有的信號并行處理特性，能在一個時鐘周期實現同步信號的檢測和識別，同時控制數據流的輸入和輸出，對外圍器件進行配置和控制，從而提高系統的數據處理能力和速率，提高整個視頻轉換系統的整體性能。其中，FPGA有一個重要的功能，就是對芯片初始化和參數配置。系統中采用了I2C總線配置的存儲器和視頻處理芯片。由于I2C總線以兩根數據連線實現對多個芯片的全雙工同步數據傳輸，存在著標準和非標準的總線配置，芯片的配置時序相差較大，配置時的讀寫時序也不盡相同。FPGA作為系統的主控單元，充分利用其邏輯控制強的特點，在不同的讀寫時序之間靈活切換，控制I2C總線對芯片的參數進行配置，實現系統的編程控制。
　　圖5為FPGA對兩個不同芯片進行讀操作的仿真時序。FPGA對兩個芯片分別進行讀操作時，需要不同的時鐘周期和不同的配置狀態，圖5中虛線間即為數據配置時需經歷的狀態。從圖中可以看到，這兩個芯片配置數據的同步時鐘sclk　及讀操作周期都不相同。
4　結束語
　　在實際系統測試中，將非標準隔行視頻信號（1249線，50Hz場頻）轉換到分辨率為1024×768，刷新頻率為60Hz的VGA視頻信號輸出，圖像質量有了顯著的提高，清晰度和細膩感增強。但是，在圖像的行掃描開始的邊緣有圖像模糊現象，這是由于非標準視頻信號的行同步周期并不完全一致所引起的。而且鎖相環在初始相位鎖定和跟蹤同步信號時，相位跳變較大從而產生不均勻的采樣時鐘也會導致數據不均勻。考慮到行掃描初始的幾個采樣點并不會對圖像產生影響，通過屏蔽這邊緣的采樣點來去除圖像的邊緣模糊。另外，如果提高ADC和DAC的轉換精度，或者加入圖像壓縮、編碼解碼模塊，將會取得更好的視覺效果。這種多制式的視頻轉換系統對視頻轉換進行了有益的嘗試和探討，具有較強的實用價值，目前已經應用于某企業的監控系統中。

1　A MuratTeckalp．DigitalVideo SignalPro－cessing．Beijing：Tsinghua University Press，1998
2　羅惠明．電視技術基礎．廣州：華南理工大學出版社，1999：417～424
3　袁雙慶，余勝生，周敬利，鄧晉軍．VGA信號到TV信號的變換技術與系統實現．小型微型　　計算機系統，1996（12）：54～56
4　潘亞濤，陳　鍵．采用單片集成電路的VGA－TV視頻格式轉換器．通訊與電視，1999（11）：
54～56