基于FPGA的3DTV若干关键技术的研究与实现

摘要

3DTV作为下一代视频技术的研究热点,其关键技术包括三维图像的获取、编码、传输、解码/合成和显示五个方面。本论文旨在以FPGA作为平台,对三维立体电视中所要使用到的若干关键技术进行研究实现。
　　 视频的同步采集是3DTV系统的关键和前提,它直接影响到系统后续模块的处理,本文第二章首先对此问题展开研究。在此基础上,论文第三章就3DTV后端显示技术中被广泛应用的分时和分色显示技术提出了基于FPGA的实现方案。图像的处理是3DTV系统中不可或缺的环节,对于虚拟多视点立体显示中获得视差信息的立体匹配技术,论文第四章提出了一种非参数化匹配算法的FPGA实现流程及模块的详细设计。
　　 论文第二章就3DTV系统前端采集的同步技术展开研究,在已设计完成的基于FPGA的双目视频采集卡的基础上,提出了一种从粗略到精确的二级同步技术:硬件电路级的粗略同步以及基于硬件描述语言级的精确同步。在硬件描述语言级同步设计中,又提出了从场级同步到像素级同步的分级同步控制策略。通过实验证明,系统达到了3DTV系统前端采集严格同步的要求。
　　 需佩戴专用眼镜的分时、分色技术一直是立体显示中广泛使用的技术。论文第三章设计了基于FPGA的分时、分色两种立体显示方案。在分时显示方案中,提出了一种双路视频的实时切换技术,结合专用的开关眼镜,使人观看到实时的立体视频；分色实现方案中,完成左右路图像的红蓝分量提取和拼接,结合红蓝眼镜观看实时立体视频。系统立体效果明显,可作为立体显示的原型机。
　　 立体匹配技术是虚拟多视点立体显示中获得视差信息的关键技术,其实时性和匹配精度直接影响到立体显示的效果。非参数化区域变换算法相似性度量使用像素在邻域中的灰度相对值排序代替原始灰度值,对立体图像对亮度偏差的情况有很好的鲁棒性。而且,非参数的匹配算法运算简单,适合使用硬件逻辑电路实现。论文第四章提出了一种非参数化匹配算法Census算法的FPGA实现方案,详细介绍了方案的实现流程和模块设计,并进行FPGA的硬件编程,通过仿真验证方案的实时性以及匹配结果的准确度。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 立体电视的发展

1.3 立体电视的基本原理及分类

1.3.1 佩戴立体眼镜的显示方式

1.3.2 自由立体显示方式

1.3.3 立体显示器类型

1.4 3D电视研究现状

1.5 3DTV技术FPGA实现的优势

1.5.1 FPGA的基本结构

1.5.2 FPGA开发流程

1.6 本文主要研究内容

第二章 3DTV同步采集技术

2.1 系统硬件平台

2.1.1 视频解码芯片

2.1.2 PCI总线控制器

2.1.3 FPGA芯片及乒乓缓存

2.2 系统设计框图

2.2.1 硬件电路级同步设计

2.2.2 硬件描述语言级同步设计

2.3 实验结果及分析

2.4 本章小结

第三章 基于分时和分色技术的立体显示

3.1 分时和分色技术概述

3.2 系统设计框图

3.3 基于Verilog HDL语言的功能模块设计

3.3.1 I2C配置模块

3.3.2 采集模块

3.3.3 4-Port SDRAM控制器

3.3.4 VGA控制模块

3.3.5 双路切换控制模块

3.3.6 红蓝拼接模块

3.3.7 其他功能模块

3.4 实验结果和分析

3.5 本章小结

第四章 立体匹配

4.1 引言

4.2 匹配算法概述

4.2.1 视差理论

4.2.2 约束条件

4.2.3 区域匹配算法

4.3 校正

4.4 匹配算法的FPGA实现

4.4.1 Census变换模块

4.4.2 Hamming距离计算模块

4.4.3 Census相关求和模块

4.4.4 比较输出模块

4.5 实验结果与性能分析

4.6 本章小结

第五章 总结和展望

致谢

参考文献

附录