FPGA的3D視頻前端處理與顯示系統設計※

趙德亮，余建華，張翼楊

（深圳大學 電子科學與技術學院，深圳518060）

引 言

目前，3D顯示已逐漸融入到人們的生活當中，因其能再現真實的三維場景，受到了人們的青睞，紅藍3D圖像獲取的基本原理如圖1所示。攝像頭采集同一場景的兩路視頻圖像信號，對其中一路信號只提取圖像信號的紅色分量；另一路提取圖像信號的藍、綠色合成的青色分量。將兩路信號采用同步色差合成算法合成紅藍3D視頻圖像。

圖1 紅藍3D圖像獲取基本原理

目前國內3D電視產業面臨的主要問題在于：①3D電視芯片的缺少而導致3D片源的短缺；②視頻處理的復雜度較高；③顯示與觀看效果不佳。為此本文對傳統的視頻處理過程中色度分量的提取、亮度的增強、紅藍3D眼鏡的設計等方面進行了改進，并采用LCOS作為微顯示器件，投影出紅藍3D視頻圖像。

1 顏色分量的獲取與亮度的增強

傳統的方法只采用紅加藍、紅加綠色度分量合成3D視頻，這樣會使畫面的損傷較大，丟失33%以上的顏色分量，觀看起來顏色失真較大，亮度也大大降低，增加了眼睛的負擔，易產生疲勞。針對顏色失真問題，本文采用紅加青的方法以減少色度的丟失，這樣可使畫面色度飽和度還原到原始畫面的90%以上。

針對亮度降低提出了基于亮度的圖像增強方法。傳統的基于Retinex理論的演變法存在一定的不足，如將RGB空間轉換到HSI空間需要大量的三角函數運算，并采用傅里葉變換處理Retinex理論部分的高斯函數，大大影響了處理速度。本文提出了基于YCbCr顏色空間的亮度分量處理法，同時采用無限脈沖響應數字濾波器（IIR）實現高斯函數運算。實驗證明，該算法不但能增強圖像的質量，而且還能有效避免Retinex算法中帶來的光環效應，同時大大加快算法處理速度。基于亮度Y分量的Retinex處理過程可表示為：

式中，Y（x，y）為亮度分量函數，F（x，y）被稱為環境函數，一般用高斯函數表達式為：

式中，σ為高斯函數的標準偏差，k表示環境函數的個數。環境函數Fk用于選取不同的標準偏差σk；Wk用來控制環境函數范圍的尺度，它表示與Fk相關的權重系數。

Retinex處理算法的主要步驟就是高斯濾波，其運算速度直接決定了算法運行效率。為避免傅里葉變換的復雜運算和不足，對高斯濾波器進行了IIR實現，把高斯濾波器分解為正向濾波器和反向濾波器的組合，如下面的差分方程。

正向濾波器：

反向濾波器：

式中，C、d′i是濾波器系數，I[n]是輸入數據，w1[n]和w2[n]分別是正向和反向濾波器的中間狀態，O1[n]、O2[n]為其處理結果。正向和反向濾波器就構成了高斯濾波器的IIR實現過程。可以利用高斯函數的可分離性：

對圖像先逐行后逐列進行處理，最終就可以實現二維高斯數字濾波。圖2展示了原圖，以及采用傳統Retinex算法、基于Y分量Retinex算法處理后的對比圖。可以看出，傳統算法可以增強圖像亮度，但灰度化也很明顯；而本文采用的方法不僅可以增強亮度，還可以保持原有圖像的整體鮮艷效果。

圖2 基于Y分量Retinex算法與傳統Retinex算法的對比效果圖

另外，傳統的3D眼鏡僅采用紅色或藍色塑料或玻璃鏡片作為濾光片，濾光效果大打折扣，觀眾佩戴觀看影片時，會出現不同程度的重影現象，影響觀看效果。為此本文采用反射率和透過率都達到90%以上的反青透紅和反紅透青的濾光片作為3D眼鏡的鏡片，這樣可以使紅色鏡片僅通過紅色畫面、青色鏡片通過藍、綠色畫面，消除了重影現象，使觀看效果更加鮮活、逼真。圖3為濾光片及制作的紅藍3D眼鏡。

圖3 加濾光片的紅藍3D眼鏡

2 視頻處理系統基本結構與簡化

整個視頻處理系統結構如圖4所示。兩路攝像頭將采集到的信號送入TW2867進行A/D轉換，輸出的復用信號送入解復用（demux）模塊，分離出的兩路復合視頻數據分別送入BT656數據解碼模塊、幀緩存控制模塊、像素分辨率縮放模塊、YCbCr 4：2：2轉 YCbCr 4：4：4數據模塊、YCbCr亮度增強模塊、YCbCr 4：4：4轉 RGB數據模塊，最后將RGB數據送入LCOS時序控制模塊。以鎂光公司的CS-FLCOS作為微顯示器件，搭建光機系統，顯示出3D視頻畫面。分別要對TW2867和LCOS進行I2C總線配置和SPI總線配置，以配置其內部的相關寄存器參數。

（1）TW2867解碼

采用帶有LED夜視功能的Sony CCD感光芯片攝像頭，視頻輸出分辨率為720×576，為標準的PAL制式視頻格式。選用Techwell公司的TW2867 A/D轉換芯片，能自動識別PAL/NTSC/SECAM格式的2路復合視頻信號。通過I2C總線的配置，TW2867將兩路攝像頭信號轉換為符合BT656標準的8位YCbCr數字信號。TW2867每一路都含有10位ADC轉換器、高質量的鉗位和增益控制器以及梳狀濾波器，以濾除信號中的噪聲；同時采用了一些圖像增強技術，以獲得高質量的YCbCr數字信號。

（2）BT656數據解碼模塊

國際電信聯盟無線電通信組（ITU-CCIR）發布了ITU-BT656的視頻標準，其行數據結構如圖5所示。該模塊首先需要檢測數據流中是否按序出現了FF、00、00的幀頭SAV或幀尾EAV信息。如果出現則對后8位的XY值進行判斷，判斷是否出現SAV、EAV信號，將有效視頻信號的亮度分量（Y）作為高8位，色度分量（Cb或Cr）作為低8位合成16位的YCbCr數據，將BT656數據奇偶場的數據合并為一幀寫入幀緩存中。

圖4 3D顯示系統框圖

圖5 BT656行數據結構

（3）像素分辨率縮放模塊

幀緩存中裝載的是兩場視頻數據，在讀取的時候采用FIFO緩存并采用雙線性插值算法，將原來720×576的像素分辨率放大到852×480。雙線性插值算法將在水平和垂直兩個方向分別進行一次線性插值。其定量計算方法如下：空間坐標系下4個點為 A（x，y＋1）、B（x，y）、C（x＋1，y）、D（x＋1，y＋1），如圖6所示，其灰度值依次為 Ga、Gb、Gc、Gd，dx和dy分別表示目標點與點B在水平和垂直兩個方向上的增量。

圖6 雙線性插值法示意圖

其灰度值Gt可以由其余四點量化表示：

從電路實現方面而言，式（8）共需要8個乘法器、2個減法器和4個加法器，將會占用較多的邏輯資源。將公式變形為：

式（9）是一種簡化了電路的表示方法，僅需要4個乘法器、4個減法器和3個加法器。計算結果會有5個時鐘周期的延時，當像素時鐘為27 MHz時，計算的時鐘為一幀的數據轉換為852×480×（1/27 MHz）＝15 ms，即可以實現實時的分辨率調整。

（4）YCbCr 4：2：2轉YCbCr 4：4：4數據模塊

將 YCbCr 4：4：4數據轉換到 YCbCr 4：2：2是數字視頻中的一個選通功能。而將YCbCr 4：2：2數據轉換到YCr Cb 4∶4∶4是重采樣的過程，采樣的數據格式轉換如圖7所示。

圖7 YCbCr 4∶2∶2轉YCbCr 4∶4∶4操作示意圖

可知，輸入16位YCbCr轉換成了相應各8位Y、Cb、Cr信號，且輸出像素采樣率比輸入采樣率快了一倍，由此可見YCbCr 4∶2∶2的數據格式壓縮了將近一半的數據帶寬。

（5）YCbCr4∶4∶4轉RGB模塊

將YCbCr數據轉換為RGB數據可由圖8所示的數據關系得到。

由于FPGA進行浮點運算較為復雜，且占用的時鐘周期較長（比如16位的浮點加法電路，一般多達十幾到二三十個時鐘周期），并不適合于實時視頻數據處理，所以先通過對上式左右兩端放大128倍化為整數運算，計算后再對結果除以128（右移7位），即可獲得正確的結果。

圖8 YCbCr 4∶4∶4轉RGB數據關系圖

（6）LCOS時序控制模塊

LCOS時序發生器主要用于產生微顯示器件所需的時序，包括提供像素時鐘（clk）、行同步信號（hsync）、場同步信號（vsync）、有效信號（valid），并輸出當前行、列像素坐標值，從幀緩沖區發出數據請求信號并讀出紅、綠、藍的視頻數據。LCOS的時序仿真圖如圖9所示。

圖9 Modelsim中LCOS時序仿真圖

3 FPGA紅藍3D視頻獲取及主觀評價

FPGA選用的是Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE30F23C6N。FPGA和DDR2之間的時鐘頻率可以達到200 MHz，DDR2內部時鐘頻率達到400 MHz，充分滿足了兩路視頻處理的要求。

通過對視頻處理過程中模塊的編寫，編譯后其消耗的的邏輯單元數為13 615個，僅占總邏輯單元數的47%，使視頻處理過程更加簡便高效。視頻處理過程略——編者注。

將以上各模塊搭建、調試、下載到FPGA中，并采用鎂光公司的LCOS芯片作為微顯示器件，攝像頭采集到的《阿凡達》2D電影的一個畫面轉換為3D畫面效果圖略——編者注。

可以看到圖面中的人物具有視差的紅藍兩路圖像，佩戴上紅藍3D眼鏡，即可看到人物出屏的效果。

目前針對于3D顯示的評價方法主要是主觀的評價方法，按照2000年國際電信聯盟發布的ITU-R BT.1438立體電視圖像主觀評價標準，分為5級，即優秀、良好、一般、不好、壞5個級別。

以立體圖片上的一點為中心，單眼左右移動時，圖像會出現連續的跳躍，兩次跳躍之間眼睛移動的角度為立體圖像的視變角，視角越大，觀看越舒適，但視角變大意味著立體感減弱。通過多人觀看本文的3D視頻，本設計主觀評價在良好級別，達到了預期的設計效果。

結 語

本文實現了一種基于Altera公司的Cyclone IV系列FPGA的3D視頻前端處理與顯示系統，具有設計周期短、結構簡單、穩定可靠、實現效果逼真、節約設計成本的優點。

高速圖像采集系統采用FPGA作為采集控制部分，不僅可以提高系統處理的速度，而且可以提高系統的靈活性和適應性。該設計解決了當前3D電視芯片缺少的問題，對原有的視頻處理過程及顯示器件進行了改進，并提出了一種簡便性和普適性的圖像增強算法。該系統在安防監控、倒車影像、圖像分析、影視拍攝和投影顯示等方面都具有良好的應用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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