基于FPGA的VGA和HDMI视频拼接系统设计毕业设计论文Word文件下载.docx

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关键字：

FPGAVGAHDMI拼接显示

VGAandHDMIvideosplicingFPGA-baseddisplay

ABSTRACT

Astheimageshowstherapiddevelopmentoftechnology,graphicaluserinterfaceandinteractiveinterfaceismovingintelligent,high-speed,largescreendirection.Atpresent,themajorityoftheimagedisplaysystemistheuseofdedicatedprocessingchipearly,usuallyitsspeedofoperationanddesignflexibilityarelow.

FPGAdevelopmentforhigh-speedandhighlyintegratedimagestorageanddisplaysystemprovidesanewapproachandsolutionideas,FPGAitselfhasapowerfullogicresourcesanduseoff-chipresourceallocationandmodulardesignideascanberealizedImagesstorageanddisplaysystem.

Thesis,AlterahasintroducedCycloneIVFPGA,combinedwiththestructuralcharacteristicsofthechipsandtheirfunctionsaswellasadetailedconfigurationinstructions,andabriefdescriptionofthesysteminvolvedinthedesignofhardwareandsoftwaredevelopmentenvironmentanddisplayprinciplefocusCutimagesignalbasedonFPGA,storageanddisplay,thesystemusesthesignalprocessingFPGA-basedhigh-speedmodearrays,weproposeahardware-basedimagestorageanddisplaymethodfordisplayingvideosplicing.

ThedigitalprocessingdesignedtoFPGAcore,dividedintoanimageprocessingmodule,animagestoragemoduleandanimagedisplaymodule,byprocessingtheinputvideosignal,thevideocutintotwoparts,respectivelyinthetwoVGAmonitorsandHDMILanerespectivelydisplay,toachieveavideomosaicdisplayfunction.

Keywords:

FPGAVGAHDMITiledDisplay

1前言

随着科学技术的高速发展，显示系统的应用越来越广泛，从日常生活到工业控制再到航空航天等行业都离不开显示系统。

而且随着显示要求的提高，单个显示器已经不能满足人们的需求，在一些领域需要对视频进行分割拼接显示，比如大家常见的安防监控。

驱动液晶显示器，需要很高的扫描频率以及极短的处理时间，而且还是驱动一定数量的液晶显示器，对处理数据的能力更加苛刻。

从国内外显示系统的发展历程来看，主要出现了以下几种技术方案：

（1）基于ARM的显示控制系统，它是以ARM微控制器为处理的核心，系统虽然具有体积小、接口丰富和功耗低的优点，但是它的开发周期过长，系统不易于移植和升级，而且如果用于如图像这种数据吞吐量比较大的处理，其运行速度受到限制，这个问题不容忽视。

（2）基于DSP的显示控制系统，这种方式采用复杂的可编程逻辑器件和数字信号处理器，具有强大的数字处理能力和较快的运行速率。

系统虽能满足大数据量的运算要求，但是成本很高，并且电路设计复杂，不利用二次开发。

（3）基于FPGA的显示控制系统，这种方式不仅运算速度快、电路设计简洁，而且成本相对较低，还便于移植和二次开发

随着FPGA（Field-Programmablegatearray）现场可编程门阵列不断的发展，其价格也不断的下降，逐渐地显现出FPGA的应用优势。

FPGA是一种硬件架构，管脚丰富和灵活，便于进行二次开发。

因此目前，嵌入式系统中越来越多的采用了基于FPGA的设计方案。

对于图像拼接技术而言，虽然拼接方法众多，但各方法适用条件各异、鲁棒性差别较大，在使用时需要通盘考虑，择优选择，并针对特定应用需求进行相应改进，然而很少有人能够对现有的图像拼接方法进行总结归纳，对各图像拼接方法的适用范围、算法复杂度、配准精度等问题给予明确说明，导致其不能很好的应用于实际项目中。

对于视频拼接技术而言：

一方面，实时性一直是困扰视频拼接的最大障碍。

在现有条件下如何既能保证较好的拼接效果，又能够很好的满足实时性的要求，成为当下研究中重点要解决的问题；

另一方面，在移动视频拼接系统应用需求激增的情况下，缩小硬件体积也是一个关键的问题。

2系统总体设计与技术基础

2.1技术概述

2.1.1AlteraFPGA介绍

FPGA（FieldProgrammableGateArray）是现场可编程门阵列，逐渐取代了以往的PAL、CPLD等可编程逻辑器件，是目前使用最广泛的逻辑器件。

FPGA的大体结构包括三个部分，CLB（可编译逻辑块），IOB（输入/输出块）和BRAM（随机储存记忆块）。

可配置逻辑模块（CLB）含有RAM-basedLUTs（Look-UpTables），从而实现逻辑和存储单元。

CLB可通过编程来实现广泛多样的逻辑功能，同样也可储存数据。

FPGA中除了具有用LUT构成的分布随机存储器之外，还有块存储器（BlockSelectRAMMemories）。

块存储器是真正的双端存储器（TrueDual-PortRAM），提供了高速的、分布式的、大块的存储资源，在FPGA里块存储器排成几条纵队，块存储器的总量是由器件型号决定的，这些块存储器级联后可以构成更深、更宽的存储器。

FPGA是基于查找表技术，查找表本质上就是一个分布式RAM存储器，因此结构等同于有4位地址线的随机存储器，如图所示。

图2.1LUT单元结构

由图2.1可知，四个输入作为地址进行查表，该地址上的值是由编译软件写好，该值就是所需要的逻辑值。

目前，生产FPGA的厂商有Xilinx、Altera、Lattice等公司，其产品结构均基于查找表结构。

本系统在设计时，采用的是Altera公司生产的CycloneIV系列芯片作为系统开发。

2.1.2显示原理

VGA（VideoGraphicsArray），中文是视频图形阵列，使用的是模拟信号传输数据。

现在大部分的计算机显示器都带有VGA接口，它是最普遍的一种显示接口，如图所示。

图2.2VGA接口

HDMI（HighDefinitionMultimedia），中文是高清晰度多媒体接口，使用的是数字信号传输数据。

HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，保证高质量的视频信号传输。

图2.3HDMI接口

R、G、B（3基色信号）、HS（行同步信号）、VS（场同步信号）是我们在设计VGA和HDMI需要考虑的5个信号。

其中R、G、B信号为数据信号，HS、VS为控制信号。

任意所需要的颜色都可由R、G、B3种基色组合得出。

处理好这5个信号的时序就是显示的基础，下面将介绍显示的时序。

图2.4各分辨率条件下使用的频率

图2.5行扫描时序图

图2.6场扫描时序图

当分辨率为1024*768时，水平方向显示器每行有1344（65MHz/48.363kHz）个数据位，当中的1024个数据位用来显示像素，另外的320（1344-1024）个数据位用来输出水平消隐信号和水平同步信号。

垂直方向有80（48.363kHz/60.004Hz）行，其中768行用于显示相应的像素，其余38（806-768）行用来输出垂直消隐信号和垂直同步信号。

显示器显示完一行图像后，同步行信号，接着进行行消隐，同步信号都采用了低电平有效的同步方式。

当所有行都被扫描完后，进行场同步，并将扫描回归到屏幕的左上方，

与此同时进行场消隐，并为下一次扫描做准备。

2.1.3颜色空间

颜色空间是颜色集合的数学表示，最常用的三个颜色模型是RGB、YCbCr、YUV。

RGB主要用于计算机图形学中，YCbCr和YUV主要用于视频系统中，在本次设计中用到了RGB和YCbCr。

RGB即红、绿、蓝三原色，可以通过它们相互叠加来得到各式各样的颜色，一共可以表示256x256x256=16777216种颜色。

YCbCr其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。

主要的子采样格式有YCbCr4:

2:

0、YCbCr4:

2和YCbCr4:

4:

4。

RGB和YCbCr两种颜色空间可以相互转换，它们的转换送入如下：

Y=0.257*R+0.564*G+0.098*B+16

Cb=-0.148*R-0.291*G+0.439*B+128

Cr=0.439*R-0.368*G-0.071*B+128

R=1.164*（Y-16）+1.596*（Cr-128）

G=1.164*（Y-16）-0.392*（Cb-128）-0.813*（Cr-128）

B=1.164*（Y-16）+2.017*（Cb-128）

2.1.4FPGA设计流程简介

1.设计输入硬件描述语言

设计输入在大规模的系统中使用硬件描述语言（H