基于FPGA的圖像處理及疊加系統的設計與實現

胡 妍,李逸仙,張 婕,雷 菏,康雋睿

(1 中國兵器工業第203研究所,西安 710065;2 西北工業大學,西安 710072)

基于FPGA的圖像處理及疊加系統的設計與實現

胡 妍1,李逸仙2,張 婕1,雷 菏1,康雋睿1

(1 中國兵器工業第203研究所,西安 710065;2 西北工業大學,西安 710072)

文中介紹了一種基于XILINX Spartan-6系列FPGA XC6SLX45設計實現的圖像處理及疊加系統。系統接收上位機的通信、控制信息,從分辨率為720像素×576像素的兩路差分PAL任選擇一路作為輸入,同時查找字符庫并疊加到視頻源,處理后轉換成格式為800像素×600像素的DVI-D和VGA兩路視頻后同時輸出。實際應用表明了設計方法的可行性和有效性。

圖像處理;疊加;DVI-D;VGA

0 引言

視頻疊加,也就是OSD[1](on-screen display)隨屏顯示技術。它是在視頻圖像中合并了字符或其他特殊符號、圖片等,從而實現在有限的外設顯示區域同時向用戶呈現豐富的、美觀的、多元化的人機界面。例如,平時調節電視、電腦的菜單,監控系統的時間記錄,觸摸屏的菜單按鈕等。隨著大規模集成電路的發展,選用FPGA具有實時性強、功耗低、體積小等優點。

文中設計針對某單兵武器系統的視頻疊加,主要是接收其他部件的PAL圖像,疊加狀態字符,轉換成DVI和VGA輸出供射手監控,方便使用。此技術在裝備研制中具有一定的應用價值。

1 工作原理

視頻信號由白電平、消隱電平、同步電平組成,如圖1所示。圖像的基本組成單元是“像素”,完成圖像的格式轉換及疊加,其實就是對每一個像素點進行處理,然后按一定的順序傳送。格式轉換,即首先利用模擬調理電路將輸入的PAL差分視頻轉換成單端信號后,再進行解碼,最后進入FPGA緩存。疊加,即精確定位每個像素點的行、列位置。經過轉換、疊加后的視頻數據流送入后端VGA、DVI接口供顯示輸出。

圖1 視頻信號組成

由上述可知,實現圖像轉換及字符疊加系統的核心的問題有:

①Ycbcr轉換RGB空間算法[2];

②字符庫查找算法;

③像素點定位。

2 硬件設計

硬件結構框圖如圖2所示,其中DSP充當上位機,向系統發送圖像選通信號及需要疊加顯示的信息。

圖2 板卡組成圖

兩路PAL差分信號進行差分轉單端處理后,通過2選1進入視頻AD解碼電路中進行數字化解碼,進入FPGA進行緩存以及字符疊加,然后將處理后的視頻數據流送入后端的VGA發送器或者DVI接口電路。

3 軟件設計

3.1 Ycbcr轉換RGB空間

視頻輸入為ITU656標準格式4∶2∶2的Ycbcr數據,將其轉換為RGB空間。整個過程分為3步,第一步是在Ycbcr空間里將4∶2∶2插值成4∶4∶4的數據格式,采用行內最近鄰插值法,對cb、cr數據進行復用。第二步進行空間轉換,具體公式如下:R=Y+1.371(cr-128)

G=Y-0.698(cr-128)-0.336(cb-128)

(1)

B=Y+1.732(cb-128) 第三步是對生成的RGB圖像進行伽馬校正。

3.2 Alpha混疊

Alpha混疊可實現兩層圖像的疊加,其公式為:ImageO(x,y)=a(x,y)×ImageA(x,y)+

(1-a(x,y))×ImageB(x,y)

(2)

其中a(x,y)的范圍是0～1之間,當a(x,y)=0時,顯示的B圖像,當a(x,y)=1時,顯示的A圖像,若a(x,y)在0～1之間,顯示兩幅圖混疊效果。

3.3 字符庫查找

字符庫分為字庫和圖庫,兩者均為應用時疊加至視頻流的信息。上電初始化后,字符或圖形庫被搬運到DDR存儲器中順序存放,配置區同時也被搬運到DDR存儲器中連續存放,如表1所示。

控制狀態機對配置區進行讀取,并根據行、列地址進行順序重排,在片內存儲器中生成一幀的初始字符疊加順序。視頻顯示時,根據順序疊加序號進行數據檢索,實現疊加[3]。

表1 字符存貯占位表

3.4 VGA時序

VGA以800像素×600像素(60 Hz)特性顯示,行場信號為低有效,其時序圖如圖3所示。使用時鐘對行場同步進行計數,根據時序要求輸出相應信號[4]。

圖3 時序圖

3.5 DVI時序

由于FPGA具備TMDS信號接口,因此可通過FPGA直接實現DVI需求的信號,但DVI信號是一種編碼信號,必須將RGB信號轉換成TMDS編碼信號才能與DVI 1.0兼容[5],具體編碼流程如圖4所示。

圖4 編碼流程圖

4 試驗結果

采用上述設計方案實現系統后,驗證可發現無論是VGA還是DVI圖像,生成時間都不超過3 s,滿足實時性要求。測試圖如圖5所示,從圖中可以看到,中間區域為720像素×576像素的PAL圖像源,經處理轉為800像素×600像素的DVI和VGA圖像,用黑邊進行填充彌補。圖中周邊綠色漢字、右上角電池圖標及右下角圖片均為疊加的字符圖形,從而實現了在有限的區域顯示豐富、美觀及布局合理可控的人機界面。

5 結論

采用文中所述的設計進行圖像處理、字符疊加,系統能夠可靠、正常工作,且應用不涉及操作系統,保證了快速響應時間。此設計已在某項目中得到驗證,能靈活運用到人機交互,實現了豐富、美觀、多元化的人機界面,具有一定的應用前景。

圖5 測試圖

[1] 黃燕群, 李利品, 王爽英. 基于FPGA的OSD設計 [J]. 液晶與顯示, 2010, 25(3): 429-433.

[2] 宋冠群, 段哲民, 馮飛. 基于FPGA的色度空間轉換設計 [J]. 電子測量技術, 2007, 30(1): 178-180.

[3] 杜升平, 曹劍中, 田雁, 等. FPGA在OSD中的應用 [J]. 科學技術與工程, 2006, 6(14): 2065-2067.

[4] 鄭容, 朱宏輝. 基于FPGA的圖像采集及VGA顯示 [J]. 交通信息與安全技術, 2009, 27(4): 154-157.

[5] 尤力, 夏偉杰, 周建江. 基于FPGA機載實時視頻圖像處理系統的設計 [J]. 電子科技, 2011, 24(11): 63-65.

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Design and Realization of Image Processing and Overlapping System Based on FPGA

HU Yan1,LI Yixian2,ZHANG Jie1,LEI He1,KANG Junrui1

(1 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China; 2 Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

One image processing and superposition system based on XILINX Spartan-6 series FPGA XC6SLX45 for processing and overlapping image was introduced in this paper. Any of two PAL videos with 720×576 definition was selected as input and searched character library to overlap after receiving communication and control messages. The video was converted to DVI-D and VGA with 800×600 pixels and output at the same time. The practical application demonstrated the reliability and validity of the proposed technology.

image processing; superposition; DVI-D; VGA

2015-11-04

胡妍(1986-),男,陜西咸陽人,工程師,碩士研究生,研究方向:武器裝備信息技術。

TP391.41

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