基于Xilinx Virtex-4 FPGA開發(fā)平臺驗證并完成LCD大屏幕拼接系統(tǒng)的設(shè)計

隨著各種圖形、圖像內(nèi)容質(zhì)量的不斷提升以及系統(tǒng)運行實時顯示的需要，金融、通信、交通、能源、安全、軍事等越來越多的行業(yè)需要建立能夠?qū)崟r整合多路信號輸入的超大屏幕顯示系統(tǒng)。而數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，也使人們對大尺寸、多畫面、真色彩、高畫質(zhì)、高分辨率的計算機圖形、圖文、數(shù)據(jù)與各類視頻圖像顯示效果的需求得以滿足。其中，以視頻信息的要求最為強烈，人們不僅希望視頻顯示尺寸的越來越大，而且視頻顯示質(zhì)量也要求能達到多畫面、真色彩、高畫質(zhì)、高分辨率。

在大屏幕拼接系統(tǒng)中，拼接控制器的優(yōu)劣直接決定著整個大屏幕顯示系統(tǒng)效果的好與壞，目前，拼接控制器的實現(xiàn)方法共三種：第一代PCI插卡式的工作原理是通過工控機，利用多路PCI計算機主板，一部分PCI插槽插入視頻采集卡，另外一部分PCI插槽插入視頻輸出卡，輸入和輸出中間由CPU來構(gòu)建一個運算和處理中心，這時就組建成了一臺工控式控制器。他的圖形處理原理是通過CPU運算后將母信號分割成M*N個子視頻信號后，再把每一個子信號都進行放大處理分別傳送給拼接幕墻上的各個對應(yīng)單元，顯示單元將處理器傳送來的信號實現(xiàn)在大屏幕的每個顯示單元上，而分辨率和處理速度由計算機CPU及對應(yīng)的PCI卡決定，故性能有限。第二代嵌入式拼接器也稱“內(nèi)拼式拼接器”他是基于液晶屏信號驅(qū)動板上增加的運算分割技術(shù)，其工作原理先將一個完整的母畫面?zhèn)魉椭列盘栠\算處理器，運算處理器以ID地址編碼器的方式開始鎖定各自在母畫面中的位置，以二進制BCD碼順序排列開始運算切割成多個子畫面，處理器將各自運算好的數(shù)據(jù)直接輸送給液晶驅(qū)動板，驅(qū)動板將色彩、亮度、對比度等參數(shù)調(diào)校后以LVDS方式傳送至LCDIC成像器形成圖像，內(nèi)拼式拼接器只是單元內(nèi)部顯示像素的處理，結(jié)果是合成顯示圖像，不能解決信號高分辨率拼接和任意位置任意大小多窗口信號處理。第三代拼接系統(tǒng)中控制器采用純硬件處理器FPGA陣列式處理構(gòu)架，全硬件設(shè)計，無CPU和操作系統(tǒng)?？刂破骷瑢拵б曨l信號采集、實時高分辨率數(shù)字圖像處理、二維高階數(shù)字濾波等高端圖像處理技術(shù)于一身，具有強大的處理能力?？刂破鞑捎枚嗫偩€并行處理機制，能從根本上保證對所有輸入視頻進行全實時處理，圖像沒有延遲，無丟楨現(xiàn)象，由于從結(jié)構(gòu)上就超出了前兩代的機器的設(shè)計理念，采用純硬件的處理器運算技術(shù)，所以啟動時間快，工作非常穩(wěn)定。

數(shù)字化系統(tǒng)產(chǎn)品中，直接采用超大規(guī)模、超高速的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array），基于其高集成度、高速、可編程等優(yōu)點，來實現(xiàn)硬件單片集成，已成為必然趨勢。FPGA豐富的內(nèi)部資源及高速為實時視頻處理提供解決途徑。

因此，本項目設(shè)計基于FPGA的數(shù)字視頻處理算法， 實現(xiàn)對DVI視頻信號進行解碼，實時對數(shù)字視頻的分割、 視頻圖像的插值放大，并同時將處理結(jié)果經(jīng)DVI編碼送到LCD顯示，完成大屏幕拼接系統(tǒng)的設(shè)計。

一、1、系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個LCD屏幕顯示拼接系統(tǒng)包含DVI解碼模塊、視頻分割模塊、SRAM、視頻延展式線性插值放大模塊、視頻輸出控制模塊、DVI編碼模塊等。FPGA 內(nèi)部邏輯實現(xiàn)將輸入數(shù)字視頻分成四路并行的子視頻像素流，經(jīng)各自獨立的視頻處理通道進行實時插值放大處理。經(jīng)過視頻編碼電路輸出到由 4個LCD顯示屏組成的拼接屏幕上進行視頻顯示。 應(yīng)用系統(tǒng)硬件平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案， 如圖1所示。

圖1 LCD屏幕拼接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2系統(tǒng)原理

LCD屏幕拼接顯示系統(tǒng)的工作原理， 系統(tǒng)接收一路DVI數(shù)字視頻信號， 進行處理前需要先對最小變換差分信號（T.M.D.S.）形式的視頻信號進行解碼（decode）處理， 得到 FPGA 可以處理的像素流信息，經(jīng)過視頻分割，分割后的子視頻與產(chǎn)生的參考視頻流復(fù)合，使各個子視頻的行場同步控制信號一致，各個子視頻經(jīng)過延展式線性插值放大處理， 得到最小變換差分信號的數(shù)字視頻信號， 經(jīng) DVI接口輸出到拼接 LCD 顯示器進行顯示。

2、算法實現(xiàn)的功能

算法的主要功能如下： FPGA數(shù)字視頻處理電路是對視頻數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理的邏輯， 實現(xiàn)實時視頻的預(yù)處理、 圖像的分割、 視頻圖像插值放大等處理， 并通過視頻輸出模塊控制四路并行的子視頻同步地顯示到 4個 LCD 拼接屏幕上。 具有以下主要功能：

（1）通過內(nèi)部邏輯的視頻輸入模塊（VGA Input）接收從DVI解碼電路送出的視頻圖像數(shù)據(jù)， 包括像素數(shù)據(jù)（R、 G、 B分量）和視頻同步控制信號（HSYNC、 VSYNC）等， 轉(zhuǎn)換成預(yù)處理的視頻像素流格式。

（2）視頻分割模塊實現(xiàn)原始單幀視頻圖像的分割剪裁， 得到四路完整格式的子視頻像素流 （包含視頻像素數(shù)據(jù)和視頻同步控制數(shù)據(jù)）， 并控制4個子視頻顯示的相互時序關(guān)系; 各個拼接屏幕的像素點的掃描規(guī)律相同， 均為逐行掃描形式， 并且子視頻像素點顯示同步， 即行同步和場同步。

（3）視頻插值模塊實現(xiàn)對視頻分割所得的子視頻進行2×2倍地插值放大處理， 該模塊采用并行處理方式， 四路子視頻分別經(jīng)過各自獨立的視頻處理通道;插值放大算法是基于在FPGA進行延展式線性（extended linear interpolation）待插值像素點的數(shù)據(jù)計算， 配合視頻生成模塊（VGASyncGen）產(chǎn)生的參考視頻流， 并通過共享的行緩沖存儲器實現(xiàn)插值像素數(shù)據(jù)的分時讀寫切換來實現(xiàn)的。所得到視頻像素流包含完整視頻像素流格式，并且符合較高分辨率的視頻顯示要求。

像素流，串行像素流讀取一幀像素的時間與輸入視頻像素流寫入一幀像素的時間是相等的。像素流融合操作對輸入的四路視頻， 通過設(shè)置控制參數(shù)（control）， 在不同時鐘下選取帶有偏移量的視頻像素點。

圖 3 視頻流的控制邏輯圖

3.2視頻插值放大算法的FPGA實現(xiàn)

視頻插值放大模塊包含了坐標計算單元、加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生器、垂直插值單元、虛擬像素緩存器與水平插值單元，如圖4所示：

圖3 插值放大模塊的框圖　　3.2.1坐標計算單元

延展式線性插值要求源圖像插值點周圍有16個像素點，然后根據(jù)并行計算單元獲得的插值點的坐標。由插值點的坐標可以決定臨近的16個行和列點的坐標，接著就可以從memory中獲得16個點的像素并執(zhí)行線性插值。

線性插值的原理可分解為垂直與水平插值，例如在圖4中，在水平方向上的像素點，是第一個虛擬像素的地址，能使從虛擬像素緩存器正確讀取虛擬像素點與進行水平方向的插值。這樣的操作不需要電路都同時在執(zhí)行，因此只需要一行或列的地址計算電路。

圖3 水平方向與垂直方向的插值

對于列或行地址計算器，輸入信號決定水平與垂直方向的坐標。坐標數(shù)據(jù)包含10位的實數(shù)以及10位的小數(shù)部分。坐標數(shù)據(jù)的第9位是小數(shù)部分最重要的一位，它決定著小數(shù)部分是否大于0.5。同時由第9位控制的多路選擇器控制用于輸出正確的內(nèi)存地址。如果輸入的是列信號，那么行地址 ， ， ， 和垂直間隔 可由公式（1）到（3）得到，同理，列地址 ， ， ， 和水平間隔 能由公式（1），（2）和（4）得到。

（1）

（2）

（3）

（4）

3.2.2 加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生單元

在設(shè)計的框圖中，水平加權(quán)系數(shù)與垂直加權(quán)系數(shù)的計算并不是同時生產(chǎn)盡管它們都由公式（5）和（6）決定。因此，加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生水平及垂直加權(quán)系數(shù)，當控制信號為水平信號時，最終的輸出為 ， ， ，

，相反的，則輸出 ， ， ，

。在延展式線性插值最大的計算量是加權(quán)系數(shù)的計算，而最復(fù)雜的運算卻由最簡單的兩個加法器和兩個減法器構(gòu)成。

（5）

（6）

3.2.3 水平與垂直插值單元

根據(jù)公式（7）和（8），水平與垂直插值有同樣的運算，但是它們是并行執(zhí)行以提高整體的速度。水平與垂直插值的邏輯結(jié)構(gòu)由圖5所示，乘法器與加法器可以有效的完成輸入的數(shù)據(jù)的卷積與拼配相應(yīng)的4個加權(quán)系數(shù)來產(chǎn)生插值的電路。

（7）

（8）

水平插值單元 垂直插值單元

圖5水平與垂直插值單元邏輯框圖

3.2.4虛擬像素緩存器

虛擬像素點是由垂直插值產(chǎn)生并存于虛擬像素緩存器中，在水平插值的過程被調(diào)用。一般來說，縮放比例會決定這緩存器輸入與輸出數(shù)據(jù)的速率，當放大的時候，每個虛擬像素會被重新用于水平插值以致于垂直插入器數(shù)據(jù)速率會比水平的要低，相反的，在縮小的時候，虛擬像素由垂直插值過程產(chǎn)生的會比水平插值過程所需求的要多。為了調(diào)節(jié)不同的數(shù)據(jù)速率，設(shè)計虛擬像素緩存器如圖6所示，其中包含1個計數(shù)器，8個寄存器和緩存輸出控制電路。在插值放大的過程中，緩存器有時會延緩垂直插值，虛擬像素數(shù)量比水平插值所需求的確定數(shù)量要多的時候，就會停止虛擬像素的產(chǎn)生。計數(shù)器則是記錄著最新產(chǎn)生的虛擬像素點的列地址并存于reg7.比較器和選擇器對比計數(shù)器和 的值來決定緩存器的輸出。

圖6 虛擬像素緩存器

4、驗證

算法的驗證是基于Xilinx Virtex-4 FPGA開發(fā)平臺，對視頻分割模塊及延展式線性插值模塊分別進行仿真，驗證算法的正確性，再經(jīng)反復(fù)的優(yōu)化及測試，最后下載到開發(fā)板，驗證輸出的視頻顯示效果是否能夠滿足視頻放大的應(yīng)用需求，完成LCD大屏幕拼接系統(tǒng)的設(shè)計。