基于FPGA的图像处理及叠加系统的设计与实现

胡 妍,李逸仙,张 婕,雷 菏,康隽睿

(1 中国兵器工业第203研究所,西安 710065;2 西北工业大学,西安 710072)

基于FPGA的图像处理及叠加系统的设计与实现

胡 妍1,李逸仙2,张 婕1,雷 菏1,康隽睿1

(1 中国兵器工业第203研究所,西安 710065;2 西北工业大学,西安 710072)

文中介绍了一种基于XILINX Spartan-6系列FPGA XC6SLX45设计实现的图像处理及叠加系统。系统接收上位机的通信、控制信息,从分辨率为720像素×576像素的两路差分PAL任选择一路作为输入,同时查找字符库并叠加到视频源,处理后转换成格式为800像素×600像素的DVI-D和VGA两路视频后同时输出。实际应用表明了设计方法的可行性和有效性。

图像处理;叠加;DVI-D;VGA

0 引言

视频叠加,也就是OSD[1](on-screen display)随屏显示技术。它是在视频图像中合并了字符或其他特殊符号、图片等,从而实现在有限的外设显示区域同时向用户呈现丰富的、美观的、多元化的人机界面。例如,平时调节电视、电脑的菜单,监控系统的时间记录,触摸屏的菜单按钮等。随着大规模集成电路的发展,选用FPGA具有实时性强、功耗低、体积小等优点。

文中设计针对某单兵武器系统的视频叠加,主要是接收其他部件的PAL图像,叠加状态字符,转换成DVI和VGA输出供射手监控,方便使用。此技术在装备研制中具有一定的应用价值。

1 工作原理

视频信号由白电平、消隐电平、同步电平组成,如图1所示。图像的基本组成单元是“像素”,完成图像的格式转换及叠加,其实就是对每一个像素点进行处理,然后按一定的顺序传送。格式转换,即首先利用模拟调理电路将输入的PAL差分视频转换成单端信号后,再进行解码,最后进入FPGA缓存。叠加,即精确定位每个像素点的行、列位置。经过转换、叠加后的视频数据流送入后端VGA、DVI接口供显示输出。

图1 视频信号组成

由上述可知,实现图像转换及字符叠加系统的核心的问题有:

①Ycbcr转换RGB空间算法[2];

②字符库查找算法;

③像素点定位。

2 硬件设计

硬件结构框图如图2所示,其中DSP充当上位机,向系统发送图像选通信号及需要叠加显示的信息。

图2 板卡组成图

两路PAL差分信号进行差分转单端处理后,通过2选1进入视频AD解码电路中进行数字化解码,进入FPGA进行缓存以及字符叠加,然后将处理后的视频数据流送入后端的VGA发送器或者DVI接口电路。

3 软件设计

3.1 Ycbcr转换RGB空间

视频输入为ITU656标准格式4∶2∶2的Ycbcr数据,将其转换为RGB空间。整个过程分为3步,第一步是在Ycbcr空间里将4∶2∶2插值成4∶4∶4的数据格式,采用行内最近邻插值法,对cb、cr数据进行复用。第二步进行空间转换,具体公式如下:R=Y+1.371(cr-128)

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

(1)

B=Y+1.732(cb-128) 第三步是对生成的RGB图像进行伽马校正。

3.2 Alpha混叠

Alpha混叠可实现两层图像的叠加,其公式为:ImageO(x,y)=a(x,y)×ImageA(x,y)+

(1-a(x,y))×ImageB(x,y)

(2)

其中a(x,y)的范围是0～1之间,当a(x,y)=0时,显示的B图像,当a(x,y)=1时,显示的A图像,若a(x,y)在0～1之间,显示两幅图混叠效果。

3.3 字符库查找

字符库分为字库和图库,两者均为应用时叠加至视频流的信息。上电初始化后,字符或图形库被搬运到DDR存储器中顺序存放,配置区同时也被搬运到DDR存储器中连续存放,如表1所示。

控制状态机对配置区进行读取,并根据行、列地址进行顺序重排,在片内存储器中生成一帧的初始字符叠加顺序。视频显示时,根据顺序叠加序号进行数据检索,实现叠加[3]。

表1 字符存贮占位表

3.4 VGA时序

VGA以800像素×600像素(60 Hz)特性显示,行场信号为低有效,其时序图如图3所示。使用时钟对行场同步进行计数,根据时序要求输出相应信号[4]。

图3 时序图

3.5 DVI时序

由于FPGA具备TMDS信号接口,因此可通过FPGA直接实现DVI需求的信号,但DVI信号是一种编码信号,必须将RGB信号转换成TMDS编码信号才能与DVI 1.0兼容[5],具体编码流程如图4所示。

图4 编码流程图

4 试验结果

采用上述设计方案实现系统后,验证可发现无论是VGA还是DVI图像,生成时间都不超过3 s,满足实时性要求。测试图如图5所示,从图中可以看到,中间区域为720像素×576像素的PAL图像源,经处理转为800像素×600像素的DVI和VGA图像,用黑边进行填充弥补。图中周边绿色汉字、右上角电池图标及右下角图片均为叠加的字符图形,从而实现了在有限的区域显示丰富、美观及布局合理可控的人机界面。

5 结论

采用文中所述的设计进行图像处理、字符叠加,系统能够可靠、正常工作,且应用不涉及操作系统,保证了快速响应时间。此设计已在某项目中得到验证,能灵活运用到人机交互,实现了丰富、美观、多元化的人机界面,具有一定的应用前景。

图5 测试图

[1] 黄燕群, 李利品, 王爽英. 基于FPGA的OSD设计 [J]. 液晶与显示, 2010, 25(3): 429-433.

[2] 宋冠群, 段哲民, 冯飞. 基于FPGA的色度空间转换设计 [J]. 电子测量技术, 2007, 30(1): 178-180.

[3] 杜升平, 曹剑中, 田雁, 等. FPGA在OSD中的应用 [J]. 科学技术与工程, 2006, 6(14): 2065-2067.

[4] 郑容, 朱宏辉. 基于FPGA的图像采集及VGA显示 [J]. 交通信息与安全技术, 2009, 27(4): 154-157.

[5] 尤力, 夏伟杰, 周建江. 基于FPGA机载实时视频图像处理系统的设计 [J]. 电子科技, 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,陕西咸阳人,工程师,硕士研究生,研究方向:武器装备信息技术。

TP391.41

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