0 引言

    隨著數(shù)字多媒體技術的不斷發(fā)展,，數(shù)字圖像處理技術廣泛應用于空間探測,、生物醫(yī)學、監(jiān)控系統(tǒng)以及工業(yè)檢測等許多領域中,。數(shù)字視頻處理則是基于對視頻中每幀圖像的處理來實現(xiàn)的,。數(shù)字視頻圖像的縮放是視頻處理中的一個重要組成部分。

    目前視頻縮放系統(tǒng)大多采用視頻縮放的專業(yè)芯片設計,，應用單一,、靈活性差且成本較高^[1]。本設計是在FPGA的平臺上,，利用雙口RAM資源構(gòu)建兩個線緩存,，在視頻圖像的垂直和水平兩個方向上依次進行實時雙線性插值運算，實現(xiàn)視頻圖像的任意比例縮放,，具有實時性好,、處理速度快、應用靈活等特點,。

1 縮放算法的硬件可行性

1.1 縮放算法的選取

    目前,，圖像縮放算法大致可以分為兩大類^[2]，一類是基于邊緣的圖像縮放算法,，它利用了圖像的邊緣信息,，能夠很好地還原原始圖像，但該算法計算復雜,，運算速度慢,，硬件上難以實現(xiàn),；另一類是基于插值的圖像縮放算法,，它的算法實現(xiàn)相對簡單，但縮放后可能會產(chǎn)生細節(jié)丟失,、輪廓模糊等現(xiàn)象,。其中，不同的插值算法有不同的精度,，插值算法的好壞也直接影響著圖像的失真程度,。最常用的插值算法有3種：最近鄰插值、雙線性插值,、立方卷積插值,，使用立方卷積插值達到的效果是最佳的,。考慮到最終算法需要在FPGA上完成,，算法的復雜度直接影響FPGA內(nèi)部的邏輯資源和存儲塊的消耗量,，以及處理每個實時像素值所消耗的時鐘周期，本設計選用雙線性插值來完成視頻圖像的縮放,。

1.2 雙線性插值算法的原理

    雙線性插值,，又稱為雙線性內(nèi)插。在數(shù)學上,，雙線性插值是由兩個變量插值函數(shù)的線性插值擴展,，利用了需要處理的原始圖像像素點周圍4個像素點的相關性，通過雙線性算法計算而得出^[3],。

    若用(x,，y)表示期望位置，用Q(x,，y)表示期望輸出的像素值,，I(x，y)表示輸入像素值,，與位置(x,，y)相鄰的4個點為(x1，y1),、(x1,，y2)、(x2,，y1),、(x2，y2),，如圖1所示,。先在x方向上進行線性插值，得到：

式中：I(R1)和I(R2)是4個像素值中兩兩在水平方向上的插值結(jié)果,。

    再對式(1)和式(2)得到的兩個在水平方向上的插值結(jié)果進行垂直方向上的插值

    這樣Q(x,，y)就是期望位置所要的像素值，雙線性插值法計算量大,，但縮放后的圖像質(zhì)量高,，由于雙線性插值具有低通濾波器的性質(zhì)，使高頻信號受損,，可能會使圖像在輪廓上有一定的模糊,。

    考慮到FPGA內(nèi)部豐富的存儲塊，設計將視頻數(shù)據(jù)以行為單位交替寫入兩個由雙口RAM構(gòu)成的線緩存中，通過縮放比例合理控制讀寫地址,，先進行相鄰4個像素的垂直線性插值,，然后對得到的兩個結(jié)果進行水平方向插值。

2 FPGA實現(xiàn)

2.1 功能模塊的劃分

    FPGA選用的是ALTERA公司的Cyclone IV系列EP4CE30F23C6,，共有28 848個Les,，66個M9K，132個9位乘法器,，完全滿足設計需要,。整個系統(tǒng)主要由視頻數(shù)據(jù)的采集、剪切,、旋轉(zhuǎn),、基于ddr2的數(shù)據(jù)緩沖、縮放,、拼接以及視頻的輸出構(gòu)成,。整個監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖如圖2所示。

    監(jiān)控系統(tǒng)是將4個裝載在特定位置的170°廣角攝像頭采集的實時圖像進行翻轉(zhuǎn),、剪切,、縮放、拼接成一幅實時的監(jiān)控畫面,。4個模擬攝像頭采集的PAL復合視頻信號經(jīng)TW2867采樣輸出為108 M的4路復用總線的數(shù)字信號BT.656,，在FPGA中根據(jù)每個視頻不同的ID號分解出4路后，經(jīng)過適當?shù)募舨?，將奇偶場交叉存儲在ddr2的4個物理區(qū)域,，實現(xiàn)視頻的去隔行功能，得到逐行排列的視頻流,，便于后續(xù)模塊的處理,。其中左攝像頭采集的視頻需要順時針旋轉(zhuǎn)90°、右攝像頭采集的視頻需要逆時針旋轉(zhuǎn)90°,，實現(xiàn)的方法是把一幀圖像分解為若干小塊,，以塊為單位，從ddr2中突發(fā)讀出旋轉(zhuǎn)前的視頻數(shù)據(jù),，進行旋轉(zhuǎn)排列,，然后再以塊為單位突發(fā)寫入ddr2的另外一塊區(qū)域，直至整幀圖像處理完畢,。存儲在外部Flash中的圖片菜單等資源會在上電完成后自動寫入ddr2的某一區(qū)域,，供后續(xù)模塊調(diào)用。

    輸出時,，從對應的ddr2區(qū)域中讀出視頻數(shù)據(jù)，存入線緩存后經(jīng)過雙線性插值縮放模塊，與ddr2中讀出的圖片菜單拼接成一幅實時監(jiān)控畫面,?？紤]到后續(xù)ADV7171的輸入是BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)，前面存儲到ddr2時已通過幀存機制實現(xiàn)了去隔行功能,，這里需將處理后的逐行視頻流隔行處理^[4],，為后續(xù)轉(zhuǎn)換做好準備。具體做法是以27 M(位寬16 bit)的速率從拼接模塊中讀取數(shù)據(jù),，每幀圖像取出所有奇數(shù)行（或者所有偶數(shù)行）,，下一幀圖像取出所有偶數(shù)行(或者所有奇數(shù)行)，交替進行,，將取出的奇偶行以27 M(位寬8 bit)的速率給輸出模塊,，輸出模塊將奇偶場的YUV422有效視頻數(shù)據(jù)加上必要的消隱組成標準的BT.656格式視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)ADV7171編碼成復合視頻輸出至顯示屏,。 

    由于篇幅有限,，本文只對整體架構(gòu)流程粗略介紹，下文將著重對縮放算法的實現(xiàn)過程進行描述,。

2.2 縮放算法的硬件實現(xiàn)

    雙線性插值縮放算法硬件實現(xiàn)總體框圖如圖3所示,，該設計主要包括3大部分，分別為數(shù)據(jù)緩沖,、系數(shù)與像素值的計算以及整體控制,。

2.2.1 數(shù)據(jù)緩沖

    縮放模塊與ddr2之間采用FIFO的數(shù)據(jù)交互方式。由于該算法至少需要兩行數(shù)據(jù)才能進行運算,，因此首先將輸入的視頻數(shù)據(jù)進行緩存,，且需緩存兩行視頻數(shù)據(jù)。設計采用兩個線緩存來緩存兩行數(shù)據(jù),，每個線緩存由3個雙口RAM組成,，由于輸入的數(shù)據(jù)是YUV422格式的，所以第一個雙口RAM存儲Y分量,，每行有720 B,，深度為1 024；第二個和第三個雙口RAM交替存儲UV分量,，U和V都是360 B,，故深度選為512。設計中采用兩個狀態(tài)機分別控制數(shù)據(jù)流入和流出線緩存,，始終保證一個線緩存中有一行完整的數(shù)據(jù),，另一個線緩存的寫地址大于讀地址，確保將要處理的像素值提前寫入線緩存,。

    從線緩存讀數(shù)據(jù)時,，每個像素值由3個雙口RAM的輸出拼接,，也就是UV分量的同一值會被讀取兩次，實現(xiàn)了YUV422到Y(jié)UV444的轉(zhuǎn)換,，方便后續(xù)模塊的處理,。

2.2.2 插值系數(shù)的產(chǎn)生

    在進行縮放計算時，首先需要確定期望輸出的視頻分辨率,，通過原始輸入和期望輸出的分辨率確定縮放的比例,，如下式所示：

    式中，xscaler是水平方向縮放比例,，yscaler是垂直方向縮放比例,，t_width和t_heigth分別表示期望輸出圖像的水平和垂直方向上的像素點個數(shù)；s_width和s_height分別表示原始輸入圖像的水平和垂直方向上的像素點個數(shù),。

    假設待插值點在縮放后的圖像中的坐標為(m,，n),雙線性插值算法的計算公式如下：

    式中，a,、b,、c、d分別相鄰4個像素點(左上,、右上,、左下、右下)的像素值,。由于FPGA無法處理浮點數(shù),，故在代碼中需將水平和垂直縮放比例乘以256倍，最終得到的y需要向右移位8位,，即為插值的期望像素值,。

2.2.3 整體控制

    縮放算法的整體控制流程如圖4所示，由于縮放模塊的前后數(shù)據(jù)流是跨時鐘域的,，設計采用FIFO進行交互,，確保兩端的FIFO不會超過設定的閾值即可保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。兩個線緩存具有相同的讀寫地址,，對其進行寫操作時利用片選信號,，實現(xiàn)兩個線緩存的乒乓操作，可以保證讀取到的視頻數(shù)據(jù)為同一行的數(shù)據(jù)^[5],。

    當線緩存的寫地址至少領先讀地址10個單位時,，后續(xù)模塊會讀取線緩存中的值并計算，在讀的過程中會實現(xiàn)坐標的轉(zhuǎn)換,。比如原始圖像一行是720個像素值,，期望輸出的圖像一行是800個像素點，每讀取一個數(shù)據(jù),，讀取地址累加一次,，當每讀完9個數(shù)據(jù)時,，地址不變，重復讀取第9個數(shù)據(jù),，這樣就實現(xiàn)了列坐標的轉(zhuǎn)換,。行坐標的轉(zhuǎn)換類似,，比如期望輸出的行數(shù)少于原始圖像的行數(shù),，根據(jù)縮小的比例，讀線緩存的使能信號會失能直到前置FIFO中的新一行的數(shù)據(jù)覆蓋掉線緩存中未被處理的一行數(shù)據(jù),，實現(xiàn)了行坐標的變換,。

    由于一個時鐘無法完成過多的計算，且水平插值需要垂直插值的結(jié)果參與運算,，故采用流水線操作將公式分解為3步,，如式(6)所示，每一步的計算過程完全一樣,，設計中做成通用模塊,，只需修改對應的參數(shù)，實例化即可,。插值計算功能框圖如圖5所示,，其中a，b是像素值輸入端口,，如果是垂直插值模塊,，指的是兩個線緩存的上下值；如果是水平插值,，指的是垂直插值處理后相鄰的兩個輸出值,。a_coff和b_coff分別是插值系數(shù)，呈取反關系,。scale_en_in是使能信號,，c是處理后的輸出值。

3 仿真與驗證

    本設計的解碼芯片為TW2867,編碼芯片為ADV7171,，存儲器DDR2的型號是MT47H64M16,，共兩片。在Quartus12.1開發(fā)平臺上使用Verilog HDL對各邏輯模塊進行設計,。

    經(jīng)驗證得到本縮放模塊占用FPGA內(nèi)部主要邏輯資源情況如表1所示,，其中Dedicated Logic指的是邏輯單元中實現(xiàn)寄存器，即時序邏輯所占的部分,。

    圖6為通過Quartus自帶的仿真工具SignalTap對分辨率為720×576的視頻放大為800×600進行仿真得到的雙線性插值縮放算法的仿真圖,。圖中， rdaddress是線緩存的讀地址,，scale_col是期望輸出的行像素個數(shù),，可以看到在每9個像素中,，讀地址會在最后一個像素處保持不變。rd_not_read_data為低電平時,，線緩存的寫入和讀取是同時進行的,，wraddress是線緩存的寫地址，始終大于rdaddress,。上面五行a,、b、a_coff,、b_coff,、c分別對應垂直插值的縱向像素值、插值系數(shù)及輸出,，下面五行對應水平插值的各參數(shù),。 

    圖7為拍攝的實物效果圖，圖7(a)是將4路攝像頭采集的實時圖像分別壓縮,，水平方向和垂直方向各縮小一半后拼接而成,。圖7(b)是將第二路攝像頭采集的圖像顯示出來，沒經(jīng)過縮放,。由于攝像頭采用的是170°廣角攝像頭,，圖像4角的黑色是正常現(xiàn)象,。通過效果圖可知,，本設計方案測試效果良好，適合于實時監(jiān)控系統(tǒng)的圖像采集,。

參考文獻

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