基于fpga的视频缩放设计与实现

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于FPGA的视频缩放设计与实现　　摘要：视频缩放是视频处理领域的关键问题，可以分为硬件实现和软件实现。以FPGA作为处理芯片，按照SMPTE协议设计了一种视频缩放方法。设计采用模块化思想对系统进行了自上而下的划分，采用XILINX公司提供的Spartan6系列芯片XC6SLX45T，并使用VerilogHDL语言实现了各模块功能。该算法使用流水线结构，实验结果表明，该算法能够在FPGA上稳定运行，实现了视频缩放的效

2、果。和原有方法相比，该设计方法减少了5个乘法器的使用，节约了系统资源。　　关键词：FPGA；视频缩放；流水线；DDR3SDRAM；乘法器　　DOIDOI：/　　中图分类号：TP319　　文献标识码：A文章编号文章编号：1672--0083-03　　0引言为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟

3、悉系统的使用和维护。　　实时视频图像处理是图像处理领域的研究热点之一，广泛应用于监控、医疗、通信领域等。基于单片机的方案对于高分辨率视频数据的处理无法满足实时性要求，近年来现场可编程门阵列由于其自身优势得到了快速发展，在实时图像处理中的应用也越来越广泛。一些FPGA器件不仅提供了丰富的逻辑资源，还提供了RAM块、乘法器、锁相环、时钟资源等，为实现高性能的数字信号处理提供了便利。目前，市场上的数字视频处理芯片大多是从欧美、日、韩等地的公司进口的，也有一些来自中国台湾，但这些芯片主要适用于一些高度复杂的系统，不适用于单纯进行视频处理的场合。　　图像插值是图像处理的基本问题之一。随着显示器的分辨率

4、越来越高，原有的视频源制式越来越跟不上显示器的发展速度，故需要采用相应的视频缩放方法将输入的视频信号转变为可以在显示器中实现点对点显示的视频制式。为了实现视频缩放，以及视频信号的良好显示，需要对视频信号进行插值处理。本文设计了一种基于FPGA的视频缩放算法，并对算法进行了优化。该算法可占用更少的逻辑资源，且易于硬件实现。　　1算法原理　　常用缩放算法为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做

5、到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　常用的线性视频缩放算法有最邻近插值、双线性插值、双三次插值[1]。对3种插值方式采用MATLAB进行检测的结果如图1所示，其中原图是一幅512*384的图像，分别用3种插值方法对原图进行4*4倍缩小，再进行4*4倍放大得出的图像如图1～所示。无论是采用PSNR[2]方法还是人眼观察，最终的实现效果都为：双三次插值>双线性插值>最邻近插值。最简单的插值方式为最邻近插值，但其实现的效果最差，边缘容易产生锯齿现象；双线性插值具有低通滤波器特性，会使高频信息受损，边缘处的过渡比较

6、平滑，计算量比最邻近插值大；双三次插值能够保持较好的图像细节，精度较高，但其计算量最大。权衡FPGA的逻辑资源与显示效果，本设计采用双线性插值算法实现。　　双线性插值算法描述　　双线性插值采用可分离的线性插值将4个最近的像素组合起来：　　I[x，y]=I[xi，yi]**+I[xi+1，yi]*xf*+I[xi，yi+1]**yf+I[xi+1，yi+1]*xf*yf　　�D2为插值的坐标定义，下标i和f表示各自坐标的整数部分和小数部分，图2给了式另外一种解释。每个像素的位置用一个方框表示，其权值由期望的输出像素和可用输入像素之间重叠的面积给出。公式需要8个乘法运算，但对其进行因式分解后，能

7、将乘法运算减少到3个，如式所示：　　I[x，yi]=I[xi，yi]+xf*　　I[x，yi+1]=I[xi，yi+1]+xf*　　I[x，y]=Iyi+yf*　　2实现方案　　本设计主要包含DDR3SDRAM缓存模块、视频缩放模块、输出显示模块和时钟生成模块等，如图3所示。　　缓存模块　　本设计采用两片片外存储器DDR3为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还