隐藏式字幕解码与显示系统的FPGA实现

摘要

隐藏式字幕（Closed Caption,CC）最初的理念是让听力有障碍人士可以和正常人一样获得更多的视频信息，享受更加完美的视频观看体验，是欧美等国家的数字电视必不可少的组成部分，也是专业视频监视器中重要的组成部分。隐藏式字幕解码与显示系统通常采用专用解码芯片或者软件来实现，但随着高清视频的普及和电子技术的发展，消费者对处理器处理视频数据的速度和系统的集成度提出了更高的要求，传统的隐藏式字幕实现方案越来越难以满足这类要求。FPGA集丰富的硬件资源于一体，拥有强大的并行处理数据的能力，尤其适合大量数据的实时处理工作，在视频图像处理领域具有相当大的优势。
　　本文研究的目标是设计基于FPGA的隐藏式字幕解码与显示系统，不仅满足了集成度高和处理速度快的优点，而且具有实时性好、资源消耗低、节约成本、商业价值高等优势，因此实现隐藏式字幕系统的FPGA方案具有深远的现实意义。
　　本系统以实现针对北美市场的专业视频监视器中隐藏式字幕解码与显示功能为应用背景，深入研究了有关隐藏式字幕数据语法结构的SMPTE标准中的相关协议和708CC标准。同时提出并应用了一种待显示字符的叠加方法，实现了字幕窗口的定位，字幕字符待显示区域的定位，字幕字符待显示区域字符基地址的确定，读取字型码数据以及实现字幕窗口内显示区域的划分。在此基础上结合FPGA并行处理数据的特点，提出了一种基于高清SDI视频信号的隐藏式字幕原始数据的提取方法。实现了隐藏式字幕原始数据的提取，然后进行数字电视隐藏式字幕（DTVCC）数据包的重组，接着进行字幕服务数据的重组，再对用户选择的字幕服务数据进行解码，最后实现隐藏式字幕数据与源视频的叠加显示。整个设计采用Verilog HDL硬件描述语言进行代码的编程，并在Xilinx公司XC7K325T-2FFG900为核心芯片的Kintex7 FPGA开发板上实现。
　　系统测试结果表明，隐藏式字幕解码与显示系统的功能达到了预先的设计目的，能够提取出原始隐藏式字幕数据并进一步做解码等处理，最后与源视频图像叠加显示定位正常，系统运行功能稳定，达到了很好的显示效果。该系统资源消耗少，完全可以利用FPGA处理视频的富足资源去实现隐藏式字幕功能，具有较好的实际运用价值。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2研究现状及发展趋势

1.3课题研究内容

1.4论文组织结构

第2章 相关技术基础

2.1 FPGA简介

2.2数字视频基本原理

2.3 SMPTE标准

2.4 708CC协议

2.5本章小结

第3章 系统总体设计

3.1系统开发硬件平台

3.2系统总体设计结构

3.3本章小结

第4章 系统各模块具体的实现

4.1设计流程

4.2隐藏式字幕解码与显示系统的相关参数和支持的功能

4.3隐藏式字幕原始数据提取模块实现

4.4字幕数据分析模块实现

4.5字幕服务数据分析模块实现

4.6字幕数据解码模块实现

4.7字幕数据解析显示模块实现

4.8本章小结

第5章 隐藏式字幕解码与显示系统的验证

5.1系统验证总体架构

5.2核心模块仿真

5.3验证结果与分析

5.4关键资源消耗情况

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1本文总结

6.2课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文