帧频提升算法中双向运动估计的FPGA实现

摘要

随着数字电视，特别是大屏幕显示设备的发展，液晶面板中固有的残影(shadow)、抖动、运动模糊(motion blur)等现象变得尤为突出。为了克服以上弊端，研究人员一方面努力降低液晶分子响应时间；另一方面，通过提高液晶面板的刷新频率，来减少液晶分子的保持时间。
　　 液晶分子的物理特性决定它的响应时间不能无限降低。因此，很多专家、学者都在提高液晶面板的刷新频率方面做努力。这些方法包括两类帧频提升方法，第一类即不考虑对象运动的帧复制、帧平均和插灰帧等，但这些算法比较简单存在运动抖动等缺陷。第二类即基于运动估计和运动补偿(motion estimation andmotion compensation，ME/MC)的帧频提升(frame rate up conversion，FRUC)方法加入了对对象运动的考虑，能够取得更好的插帧效果。其中，快速而准确的运动估计是得到高质量内插帧的前提。
　　 本文正是基于这样的背景，主要研究了一种帧频提升算法中运动估计器的硬件实现电路。本文研究的硬件电路实现基于C语言与Matlab仿真过的算法，并在该算法的基础上根据硬件实现的特点与视觉效果的要求进行了折中，使之能够既满足视频信号实时处理的要求，同时又不降低主观视觉效果。本文主要工作如下：
　　 ①设计了视频图像实时处理中帧级流水结构的时序，一帧图像内的条带划分，条带内宏块数据的更新顺序；
　　 ②实现了基于SAD匹配准则的双向运动估计器，分析了实现原理、工作时序图、结构设计与仿真结果；
　　 ③研究了原始图像视频帧中条带结构的划分，以及数据从DDR更新到缓存模块SRAM中的先后次序；
　　 ④实现了运动估计器数据缓存单元SRAM模块，分析了实现原理、工作时序图、结构设计与仿真结果；
　　 ⑤设计一种能复用大量硬件资源，同时支持SAD匹配准则和VOD匹配准则的双向运动估计器，给出了实现原理、结构设计、工作时序图和仿真结果分析；
　　 ⑥对比了改进方案与原方案的资源消耗，研究了改进方案在硬件资源消耗上的优势。
　　 通过以上工作，笔者实现了一种双向运动估计器的硬件架构，其具有数据复用率高，运算速度快，硬件资源消耗低等优点，并通过仿真结果验证了其正确性。