视频格式转换算法研究及FPGA实现——去隔行、帧频转换、分辨率变换

摘要

在当今的广播系统中，绝大部分的视频信号是隔行采样的。采用这种扫描格式，能够大幅度地减少视频的带宽，但也会引起彩色爬行、画面闪烁、边缘模糊及锯齿等现象。这种缺陷经人尺寸屏幕放大后就更加明显。为改善画面的视觉效果，去隔行技术应运而生。同时，视频信号本身的低帧频也会导致行抖动、线爬行以及大面积闪烁等视觉效果上的缺陷。增加扫描频率会把这些视觉缺陷搬移到人眼不敏感的高频区域上去从而产生较好的主观图象质量。而为了适应不同显示终端以及对图像大小变化的要求就必须对原始信号分辨率即每帧行数和每行像素数进行变换。因此去隔行、帧频转换、分辨率变换成为视频格式转换的基本内容。 FPGA 的出现是VLSI技术和EDA技术发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。另外采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便的对设计进行在线修改。 该文在介绍了视频格式转换中的主要算法后，重点对去隔行、帧频转换、分辨率变换的FPGA综合实现方案进行了由简单到复杂的深入研究，分别给出了最简解决方案、基于非线性算法的解决方案和基于运动补偿的解决方案。最简解决方案利用线性算法将去隔行，帧频转换，分辨率变换三项处理同时实现，达到FPGA内部资源和外部RAM耗用量都为最小的要求，是后续复杂方案的基础。其中去隔行采用场合并方式，帧频转换采用帧重复方式，分辨率变换采用均匀插值方式。基于非线性算法的解决方案中加入了对静止区域的判断，静止区域的输出像素值直接选用相应位置的已存输入数据，非静止区域的输出像素值通过对已存输入数据进行非线性运算得出。基于运动补偿的解决方案在对静止区域进行判断和处理的基础上，对欲生成的变频后的场间插值帧进行运动估计，根据运动矢量得出非静止区域的输出像素值。其中为求得输入场间相应时间位置上的插值帧输出数据，该方案采用了自定义的前后向块匹配运动估计方式，通过对三步搜索算法的高效实现，将SAD 值进行比较得出运动矢量。

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第一章概述

1.1隔行扫描的缺陷和和去隔行意义

1.2帧频转换意义

1.3分辨率变换的意义

1.4 FPGA实现

第二章视频格式转换算法综述

2.1去隔行算法综述

2.1.1非运动补偿的去隔行算法

2.1.2运动补偿的算法

2.1.3运动估计

2.2帧频转换算法综述

2.2.1频率倍增

2.2.2分数倍帧频转换

2.3分辨率变换算法综述

2.3.1线性算法

2.3.2非线性算法

第三章视频格式转换算法及FPGA实现

3.1最简的线性算法及FPGA实现

3.1.1去隔行

3.1.2帧频转换

3.1.3分辨率变换

3.1.4去隔行+帧频转换+分辨率变换

3.1.5程序实现结果

3.2自适应的非线性算法及FPGA实现

3.2.1算法

3.2.2实现方案

3.3基于运动补偿的算法及FPGA实现

3.3.1算法

3.3.2实现方案一

3.3.3实现方案二

3.3.4方案一、方案二比较

第四章结论

致谢

参考文献

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