数字视频后处理芯片设计与实现

摘要

随着多媒体通信技术和超大规模集成电路的飞速发展，模拟电视系统的主导地位正在被数字电视系统逐渐取代。目前，在家庭娱乐，安防，车载和移动通信等领域视频信号接收终端层出不穷，视频格式众多，这使得视频后处理芯片在视频信号处理中的地位显得越来越重要，视频后处理芯片市场越来越大，然而我国在视频后处理芯片方面技术积累少，发展缓慢，为打破国外视频芯片巨头(如Philips Semiconductors、PixelWorks)的垄断地位，掌握视频后处理芯片核心技术，设计出自己的芯片已迫在眉睫。　　本文介绍了视频后处理芯片工作原理，包括图像增强，视频缩放，扫描速率转换，视频混合等内容。本文的主要贡献为对视频图像缩放(Scaling)系统和在屏显示(OSD)系统进行了讨论并给出了其ASIC实现方案，其中集成有本文中OSD系统的视频后处理芯片已在UMC公司180纳米CMOS工艺下流片成功。　　在Scaling系统中，根据人眼视觉系统HVS对亮度信号相对敏感的特点，提出对亮度信号进行非线性的自适应插值法，而对色彩信号采用传统的双线性插值法。基于算法给出了有效的电路结构，使用Verilog硬件描述语言实现设计并综合产生了门级网表。文中给出的OSD系统功能强大，自定义性强，易于软件编程，在SRAM中采用改进的字符点阵存储结构，大大提高SRAM使用率，使有限的SRAM资源能够容纳更多字符。文中分析了OSD系统的工作过程，对字符点阵存储结构及其索引方式和一些重要字符属性的工作原理进行了详细地说明，最后在Xilinx公司FPGA开发板上验证了该OSD系统并给出了实验结果图。　　本文最后对研究工作作出展望，希望能得出更优的，适合ASIC实现的视频缩放算法，并对OSD系统功能进行丰富，提高OSD图像变换速度。

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文摘

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致谢

插图目录

第一章 绪 论

1.1 数字电视概述

1.2 国内外数字视频后处理芯片现状和发展趋势

1.3 本文的研究内容

第二章 数字视频后处理原理

2.1 图像增强

2.1.1 亮度、对比度、饱和度和色调控制

2.1.2 彩色与亮度瞬时改善

2.1.3 Gamma校准

2.2 视频缩放

2.2.1 像素丢弃和复制

2.2.2 线性插值

2.2.3 抗混叠重采样

2.3 扫描速率转换

2.3.1 帧或场丢弃与复制

2.3.2 时域插值

2.4 视频混合与覆盖

第三章 视频缩放研究及实现

3.1 算法描述

3.1.1 图像在垂直和水平方向两倍扩展

3.1.2 任意尺度扩展

3.2 结构和设计

3.2.1 Sobel计算

3.2.2 方向角计算

3.2.3 直方图计算

3.2.4 有向和非有向滤波器

3.2.5 U和V信号的双线性插值

3.2.6 系统讨论

3.3 本章小结

第四章 数字OSD系统研究及实现

4.1 OSD系统功能参数

4.2 OSD系统结构设计

4.2.1 OSD系统SRAM控制

4.2.2 OSD系统字符属性控制

4.2.3 OSD图像放大

4.2.4 视频图像Alpha Blending

4.3 FPGA平台验证

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文