LCD色彩实时校正系统的FPGA实现

摘要

显示设备的色彩校正通过对显示图像的色温校正、Gamma调整以及图像抖动等一系列处理过程实现颜色重现的一致性，满足各类显示质量的要求，在视频图像显示处理中占有举足轻重的作用，因此近年来显示设备的色彩显示效果已逐渐成为各大厂商的竞争焦点。随着高清时代的到来，市场对视频数据处理速度和视频处理系统集成度的要求越来越高，处理速度慢成为制约软件和单片机方案的主要因素。现场可编程门阵列(FPGA)集成了诸多硬件资源，低成本高性能，从本质上来说FPGA是并行工作的，处理的速度快实时性好，尤其适合大量数据的实时处理工作，在视频图像处理领域占有很大的优势，已成为实时视频系统设计的重要选择之一。
　　本文研究的目标是设计实现一种基于FPGA的LCD显示设备色彩实时校正系统，在满足了高集成度和快速处理速度的同时，具有实时性好、资源消耗低、校正范围广和校正效果良好等优点。
　　本文以高清视频序列作为研究对象，深入研究了针对RGB颜色空间的色彩校正方法。分析比较了灰度世界算法、动态白点法、音阶映射算法、色相关法、镜面法以及神经网络算法等目前常用的色温修正算法，在此基础上结合FPGA的特点，提出了一种基于亮度的色温修正算法。针对场景突变带来的前后帧差异很大导致的校正不准确的问题，提出并采用外部存储的方法将输入的视频数据进行帧缓存达到本帧的增益校正本帧数据的效果，从而提高校正的准确性。此外研究了LCD的电光特性曲线，针对人眼的视觉特性实现了10位的Gamma校正，增强图像的明暗表现效果;最后针对显示设备的显示深度研究了2x2矩阵的图像抖动算法，整个设计在Xilinx公司XC7K325T-2FFG900为核心芯片的Kintex7FPGA开发板上实现。
　　本设计总体上以软硬件协同的方式实现LCD色彩实时校正系统，硬件电路完成高速的数据处理过程，以FPGA内嵌软核处理器MicroBlaze对系统电路进行配置和参数传递。根据用户的需要通过OSD传递具体的色温值、Gamma值来控制硬件电路以实现相应的校正和调整。
　　系统测试结果表明，LCD色彩实时校正系统功能正常，在测试图形和真实图像的测试环境下均可以通过OSD来设置色温和Gamma值且可以达到实时的校正效果，显示画面切换快进没有闪屏或者撕裂等现象。系统资源消耗少，支持标清、高清和3G信号的输入，最高运行速度可达148.5MHz，完全满足当今主流视频处理的速度要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外发展现状及趋势

1．3 课题研究内容

1．4 论文组织结构

第2章 理论基础

2．1 FPGA简介

2．1．1 FPGA工作原理

2．1．2 FPGA设计流程

2．2 颜色学基础

2．2．1 基本色彩空间

2．2．2 颜色恒常

2．2．3 色温

2．2．4 Von Kries假设

2．2．5 伽马校正

2．2．6 图像抖动

2．3 数字视频基本原理

2．3．1 视频图像的扫描方式

2．3．2 视频分辨率

2．4 本章小结

第3章 系统总体设计

3．1 系统开发硬件平台

3．2 系统总体设计结构

3．2．1 色温修正模块

3．2．2 DDR3 SDRAM帧缓存模块

3．2．3 伽马校正模块

3．2．4 图像抖动模块

3．2．5 OSD软核参数传递模块

3．3 本章小结

第4章 基于亮度的色温修正

4．1 色温修正基本原理

4．2 常用的色温修正算法

4．2．1 灰度世界法

4．2．2 镜面法

4．2．3 音阶映射法

4．2．4 动态白点法

4．2．5 色相关法

4．2．6 神经网络法

4．3 基于亮度的色温修正算法

4．3．1 基于亮度的参考白点估计

4．3．2 增益计算及白点预设

4．3．3 色温校正

4．4 功能仿真及分析

4．5 本章小结

第5章 视频帧缓存控制器

5．1 DDR3简介

5．2 帧缓存写控制器

5．2．1 数据打包

5．2．2 DDR3 SDRAM写数据控制

5．3 帧缓存读控制器

5．3．1 DDR3 SDRAM读数据控制

5．3．2 输出数据解包

5．4 测试及结果分析

5．5 本章小结

第6章 伽马校正及图像抖动

6．1 伽马特性

6．2 伽马模块实现

6．3 图像抖动原理

6．4 图像抖动实现

6．5 本章小结

第7章 系统功能仿真及测试

7．1 核心模块仿真及基本实现效果

7．2 运行效果主观评价

7．3 运行效果客观评价

7．4 资源消耗与运行速率分析

7．5 本章小结

第8章 总结与展望

8．1 本文总结

8．2 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文