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基于Xilinx Virtex-4 FPGA开发平台验证并完成LCD大屏幕拼接系统的设计

2018年01月23日 16:13 次阅读

随着各种图形、图像内容质量的不断提升以及系统运行实时显示的需要,金融、通信、交通、能源、安全、军事等越来越多的行业需要建立能够实时整合多路信号输入的超大屏幕显示系统。而数字技术的飞速发展,也使人们对大尺寸、多画面、真色彩、高画质、高分辨率的计算机图形、图文、数据与各类视频图像显示效果的需求得以满足。其中,以视频信息的要求最为强烈,人们不仅希望视频显示尺寸的越来越大,而且视频显示质量也要求能达到多画面、真色彩、高画质、高分辨率。

在大屏幕拼接系统中,拼接控制器的优劣直接决定着整个大屏幕显示系统效果的好与坏,目前,拼接控制器的实现方法共三种:第一代PCI插卡式的工作原理是通过工控机,利用多路PCI计算机主板,一部分PCI插槽插入视频采集卡,另外一部分PCI插槽插入视频输出卡,输入和输出中间由CPU来构建一个运算和处理中心,这时就组建成了一台工控式控制器。他的图形处理原理是通过CPU运算后将母信号分割成M*N个子视频信号后,再把每一个子信号都进行放大处理分别传送给拼接幕墙上的各个对应单元,显示单元将处理器传送来的信号实现在大屏幕的每个显示单元上,而分辨率和处理速度由计算机CPU及对应的PCI卡决定,故性能有限。第二代嵌入式拼接器也称“内拼式拼接器”他是基于液晶屏信号驱动板上增加的运算分割技术,其工作原理先将一个完整的母画面传送至信号运算处理器,运算处理器以ID地址编码器的方式开始锁定各自在母画面中的位置,以二进制BCD码顺序排列开始运算切割成多个子画面,处理器将各自运算好的数据直接输送给液晶驱动板,驱动板将色彩、亮度、对比度等参数调校后以LVDS方式传送至LCDIC成像器形成图像,内拼式拼接器只是单元内部显示像素的处理,结果是合成显示图像,不能解决信号高分辨率拼接和任意位置任意大小多窗口信号处理。第三代拼接系统中控制器采用纯硬件处理器FPGA阵列式处理构架,全硬件设计,无CPU和操作系统。控制器集超宽带视频信号采集、实时高分辨率数字图像处理、二维高阶数字滤波等高端图像处理技术于一身,具有强大的处理能力。控制器采用多总线并行处理机制,能从根本上保证对所有输入视频进行全实时处理,图像没有延迟,无丢桢现象,由于从结构上就超出了前两代的机器的设计理念,采用纯硬件的处理器运算技术,所以启动时间快,工作非常稳定。

数字化系统产品中,直接采用超大规模、超高速的现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array),基于其高集成度、高速、可编程等优点,来实现硬件单片集成,已成为必然趋势。FPGA丰富的内部资源及高速为实时视频处理提供解决途径。

因此,本项目设计基于FPGA的数字视频处理算法, 实现对DVI视频信号进行解码,实时对数字视频的分割、 视频图像的插值放大,并同时将处理结果经DVI编码送到LCD显示,完成大屏幕拼接系统的设计。

一、1、系统概述

1.1系统结构

整个LCD屏幕显示拼接系统包含DVI解码模块、视频分割模块、SRAM、视频延展式线性插值放大模块、视频输出控制模块、DVI编码模块等。FPGA 内部逻辑实现将输入数字视频分成四路并行的子视频像素流,经各自独立的视频处理通道进行实时插值放大处理。经过视频编码电路输出到由 4个LCD显示屏组成的拼接屏幕上进行视频显示。 应用系统硬件平台的系统结构设计方案, 如图1所示。

基于FPGA的LCD大屏幕拼接系统的设计

图1 LCD屏幕拼接系统结构图

1.2系统原理

LCD屏幕拼接显示系统的工作原理, 系统接收一路DVI数字视频信号, 进行处理前需要先对最小变换差分信号(T.M.D.S.)形式的视频信号进行解码(decode)处理, 得到 FPGA 可以处理的像素流信息,经过视频分割,分割后的子视频与产生的参考视频流复合,使各个子视频的行场同步控制信号一致,各个子视频经过延展式线性插值放大处理, 得到最小变换差分信号的数字视频信号, 经 DVI接口输出到拼接 LCD 显示器进行显示。

2、算法实现的功能

算法的主要功能如下: FPGA数字视频处理电路是对视频数据进行数字处理的逻辑, 实现实时视频的预处理、 图像的分割、 视频图像插值放大等处理, 并通过视频输出模块控制四路并行的子视频同步地显示到 4个 LCD 拼接屏幕上。 具有以下主要功能:

(1)通过内部逻辑的视频输入模块(VGA Input)接收从DVI解码电路送出的视频图像数据, 包括像素数据(R、 G、 B分量)和视频同步控制信号(HSYNC、 VSYNC)等, 转换成预处理的视频像素流格式。

(2)视频分割模块实现原始单帧视频图像的分割剪裁, 得到四路完整格式的子视频像素流 (包含视频像素数据和视频同步控制数据), 并控制4个子视频显示的相互时序关系; 各个拼接屏幕的像素点的扫描规律相同, 均为逐行扫描形式, 并且子视频像素点显示同步, 即行同步和场同步。

(3)视频插值模块实现对视频分割所得的子视频进行2&TImes;2倍地插值放大处理, 该模块采用并行处理方式, 四路子视频分别经过各自独立的视频处理通道;插值放大算法是基于在FPGA进行延展式线性(extended linear interpolaTIon)待插值像素点的数据计算, 配合视频生成模块(VGASyncGen)产生的参考视频流, 并通过共享的行缓冲存储器实现插值像素数据的分时读写切换来实现的。所得到视频像素流包含完整视频像素流格式,并且符合较高分辨率的视频显示要求。

像素流,串行像素流读取一帧像素的时间与输入视频像素流写入一帧像素的时间是相等的。像素流融合操作对输入的四路视频, 通过设置控制参数(control), 在不同时钟下选取带有偏移量的视频像素点。

图 3 视频流的控制逻辑图

3.2视频插值放大算法的FPGA实现

视频插值放大模块包含了坐标计算单元、加权系数产生器、垂直插值单元、虚拟像素缓存器与水平插值单元,如图4所示:

图3 插值放大模块的框图  3.2.1坐标计算单元

延展式线性插值要求源图像插值点周围有16个像素点,然后根据并行计算单元获得的插值点的坐标。由插值点的坐标可以决定临近的16个行和列点的坐标,接着就可以从memory中获得16个点的像素并执行线性插值。

线性插值的原理可分解为垂直与水平插值,例如在图4中,在水平方向上的像素点,是第一个虚拟像素的地址,能使从虚拟像素缓存器正确读取虚拟像素点与进行水平方向的插值。这样的操作不需要电路都同时在执行,因此只需要一行或列的地址计算电路。

图3 水平方向与垂直方向的插值

对于列或行地址计算器,输入信号决定水平与垂直方向的坐标。坐标数据包含10位的实数以及10位的小数部分。坐标数据的第9位是小数部分最重要的一位,它决定着小数部分是否大于0.5。同时由第9位控制的多路选择器控制用于输出正确的内存地址。如果输入的是列信号,那么行地址 和垂直间隔 可由公式(1)到(3)得到,同理,列地址 和水平间隔 能由公式(1),(2)和(4)得到。

(1)

(2)

(3)

(4)

3.2.2 加权系数产生单元

在设计的框图中,水平加权系数与垂直加权系数的计算并不是同时生产尽管它们都由公式(5)和(6)决定。因此,加权系数产生器产生水平及垂直加权系数,当控制信号为水平信号时,最终的输出为

,相反的,则输出

。在延展式线性插值最大的计算量是加权系数的计算,而最复杂的运算却由最简单的两个加法器和两个减法器构成。

(5)

(6)

3.2.3 水平与垂直插值单元

根据公式(7)和(8),水平与垂直插值有同样的运算,但是它们是并行执行以提高整体的速度。水平与垂直插值的逻辑结构由图5所示,乘法器与加法器可以有效的完成输入的数据的卷积与拼配相应的4个加权系数来产生插值的电路。

(7)

(8)

水平插值单元 垂直插值单元

图5水平与垂直插值单元逻辑框图

3.2.4虚拟像素缓存器

虚拟像素点是由垂直插值产生并存于虚拟像素缓存器中,在水平插值的过程被调用。一般来说,缩放比例会决定这缓存器输入与输出数据的速率,当放大的时候,每个虚拟像素会被重新用于水平插值以致于垂直插入器数据速率会比水平的要低,相反的,在缩小的时候,虚拟像素由垂直插值过程产生的会比水平插值过程所需求的要多。为了调节不同的数据速率,设计虚拟像素缓存器如图6所示,其中包含1个计数器,8个寄存器和缓存输出控制电路。在插值放大的过程中,缓存器有时会延缓垂直插值,虚拟像素数量比水平插值所需求的确定数量要多的时候,就会停止虚拟像素的产生。计数器则是记录着最新产生的虚拟像素点的列地址并存于reg7.比较器和选择器对比计数器和 的值来决定缓存器的输出。

图6 虚拟像素缓存器

4、验证

算法的验证是基于Xilinx Virtex-4 FPGA开发平台,对视频分割模块及延展式线性插值模块分别进行仿真,验证算法的正确性,再经反复的优化及测试,最后下载到开发板,验证输出的视频显示效果是否能够满足视频放大的应用需求,完成LCD大屏幕拼接系统的设计。

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在学习一门技术之前我们往往从它的编程语言入手,比如学习单片机时,我们往往从汇编或者C语言入门。所以不...

发表于 2018-03-17 09:19 592次阅读
从汇编、C语言为起点,再到FPGA开发设计经验总...

典型高速系统应用框图举例

典型高速系统应用框图举例

发表于 2018-03-16 16:25 634次阅读
典型高速系统应用框图举例

FPGA的电源管理不简单,五个设计死角一定不可忽...

关于为FPGA应用设计优秀的电源管理解决方案已经有许多技术讨论,因为这不是一项简单的任务。 此任务的...

发表于 2018-03-16 11:57 1803次阅读
FPGA的电源管理不简单,五个设计死角一定不可忽...

使用Xilinx可编程逻辑实现数据中心互连

随着实施基于云的服务和机器到机器通信所产生的数据呈指数级增长,数据中心面临重重挑战。这种增长毫无减缓...

发表于 2018-03-16 10:17 635次阅读
使用Xilinx可编程逻辑实现数据中心互连

让LCD变弯的技术OLCD已经面世

说起 LCD,你一定不陌生,毕竟手机、电脑、显示器都已经用了很多年了。但说到 OLCD,你可能会觉得...

发表于 2018-03-15 14:38 430次阅读
让LCD变弯的技术OLCD已经面世

FPGA是什么,中国FPGA市场及人才需求

从市场规模来看,全球FPGA近几年基本维持在50亿美元左右。当前,在国家大力支持集成电路产业发展的环...

发表于 2018-03-15 14:23 885次阅读
FPGA是什么,中国FPGA市场及人才需求

在FPGA上跑二值图像膨胀算法程序代码

基于FPGA的二值图像的膨胀算法的实现 Xilinx 突破性技术与产品亮相 OFC 2018,大展光...

发表于 2018-03-14 18:29 385次阅读
在FPGA上跑二值图像膨胀算法程序代码

深度学习框架只为GPU? 答案在这里

目前大多数的机器学习是在处理器上完成的,大多数机器学习软件会针对GPU进行更多的优化,甚至有人认为学...

发表于 2018-03-14 18:29 2471次阅读
深度学习框架只为GPU? 答案在这里

CAN总线结构与CAN总线标准帧

CAN总线规范采用了ISO-OSI(Open System Interconnection Refe...

发表于 2018-03-13 14:09 698次阅读
CAN总线结构与CAN总线标准帧

传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

相信每一个电子工程师在项目开发的过程中都不可避免的要进行方案的调试,除了模拟调试我们还必须进行真机调...

发表于 2018-03-13 13:54 602次阅读
传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

在Pin Planner界面最下面出现的“Node Name”一列中,有我们的3个信号接口,这里“L...

发表于 2018-03-13 10:09 527次阅读
PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

3D图像传感器系统结构包含两只CMOS型图像传感器及缓存图像数据的SDRAM,为了对两只图像传感器...

发表于 2018-03-13 09:55 643次阅读
人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图7.15所示,PC端的Quartus II软件通过下载线缆将b...

发表于 2018-03-13 09:46 559次阅读
AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

莱迪思半导体公司布推出全新的FPGA设计软件——Lattice Radiant™,适用于需要开发低功...

发表于 2018-03-12 15:52 159次阅读
莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

在进行FPGA学习的时候,我遇到过问题停滞不前,试验没有进展,心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知...

发表于 2018-03-12 14:18 961次阅读
献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P...

发表于 2018-03-12 10:35 606次阅读
FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA控制的无人机电源管理系统

工业电子产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,电子系统设计人员...

发表于 2018-03-12 09:48 3044次阅读
FPGA控制的无人机电源管理系统

一个电子工程师的硬件初学之路分享

抱着热情,自己后来一点一点地深入的学习fpga,一些常规逻辑电路的设计,包括逻辑门电路、数据选择器、...

发表于 2018-03-09 16:45 697次阅读
一个电子工程师的硬件初学之路分享

初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

各种方案虽然只是初步的了解一些,但是发现这方面虽然有类似SOPC概念的海思和TI双核解决方案,而且是...

发表于 2018-03-09 14:19 692次阅读
初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

oled电视和LED电视的区别?买哪个比较好?

液晶屏幕的结构比较复杂,分背光层和液晶材料层,而震动又会对液晶分子的偏转产生影响。所以以屏幕震动产生...

发表于 2018-03-08 09:00 631次阅读
oled电视和LED电视的区别?买哪个比较好?

Bootloader中LCD硬件初始化和软件驱动...

Android系统在正常启动中,刷屏功能一般在内核中执行,而Bootloader的任务应该是执行硬件...

发表于 2018-03-07 14:05 587次阅读
Bootloader中LCD硬件初始化和软件驱动...

打造Zynq平台性价比标杆,米尔强势推出MYC-...

近期米尔电子基于Zynq-7010处理器及Zynq-7007S处理器推出了MYC-Y7Z010/00...

发表于 2018-03-07 10:47 2349次阅读
打造Zynq平台性价比标杆,米尔强势推出MYC-...

Xilinx与Barefoot Networks...

赛灵思公司(Xilinx, Inc.,(NASDAQ:XLNX)),与 Barefoot Netwo...

发表于 2018-03-06 09:56 2358次阅读
Xilinx与Barefoot Networks...

主动噪声控制平台的FPGA实现

主动噪声控制平台的FPGA实现。基于FPGA搭建了针对汽车的主动噪声控制平台,此平台可以正确实时地采...

发表于 2018-03-05 10:34 599次阅读
主动噪声控制平台的FPGA实现

学习硬件必须掌握的基础知识点总结

如果你认为这么多书,怎么看都看不完。那是以一种静止、偏面的观点来分析问题了。其实上介绍那么多课,很多...

发表于 2018-03-04 15:28 1267次阅读
学习硬件必须掌握的基础知识点总结

基于FPGA的惯性导航系统设计

惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)也称作惯性参考系统,是一...

发表于 2018-03-04 09:25 93次阅读
基于FPGA的惯性导航系统设计

基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

本文主要介绍了基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设计。利用GPS提供的1pps秒脉冲信号...

发表于 2018-03-02 14:55 319次阅读
基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

由于超级电容器单体性能参数的离散性,当多个单体串联组成电容器组时,在充放电过程中容易造成过充或过放现...

发表于 2018-02-28 08:40 428次阅读
基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

英特尔宣布开始发售英特尔® Stratix® 10 TX FPGA ,这也是业内唯一一款采用 58G...

发表于 2018-02-27 11:55 493次阅读
英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

针对Linux BSP开发的Petalinux,...

本实验工程将介绍如何利在赛灵思异构多处理器产品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ...

发表于 2018-02-27 11:01 4982次阅读
针对Linux BSP开发的Petalinux,...

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性,被广泛应用于音频处理、语音处理、信息...

发表于 2018-02-26 18:44 249次阅读
基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

如何经济的设计一个新的芯片

我们最近与Bunny Huang进行了有趣的交流,他是硬件大师以及Chumby,NetTV和Nove...

发表于 2018-02-24 10:53 969次阅读
如何经济的设计一个新的芯片