维普资讯 http://www.cqvip.com １０８ ２００７，４３（１９） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用 基于ＤＳＰ的ＳＤＴＶ／ＨＤＴＶ 黄 翔，李德华，金良海，朱美能 ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｎｇ，ＬＩ Ｄｅ—ｈｕａ，ＪＩＮ Ｌｉａｎｇ－ｈａｉ，ＺＨＵ Ｍｅｉ－ｎｅｎｇ 华中科技大学人工智能研究所图像信息处理与智能控制教育部重点实验室，武汉４３００７４ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＨｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉ． ，ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｒａｎｋｈｘ１９８２＠１３６．ｃｏｎ ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｎｇ，ＬＩ Ｄｅ－ｈｕａ，Ｊ Ｌｉａｎｇ－ｈａｉ，ｅｔ ａ１．Ｆｏｒｍａｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｏａｒｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ（ＳＤＴＶ）ｔｏ Ｈｉｇｈ ＤｅＦｉｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ（ＨＤＴＶ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，４３（１９）：１０８—１１０． Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＳＤＴＶ／ＨＤＴＶ ｆｏｒｍａｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｂｉｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｔｅｓｔｉｉｆｅｄ ｗｅｌｌ ｏｎ ＡＤＳＰ—ＴＳ２０１Ｓ ＥＺ—ＫＩＴ ＬＩＴＥ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｂｏａｒｄ．ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｉｍａｇｅ ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｉｓ ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｌｏｃｋ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ＴＶ ｉｓ ＳＯ ｈｉｇｈ ｔｈａｔ ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｄｅａｌｔ ｗｉｔｈ ｉｎ ａ ｓｈｏｒｔ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ，ＳＯ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ＤＳＰｓ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＤＴＶ／ＨＤＴＶ；ＤＳＰ；ｂｉｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ 摘要：设计了基于ＤＳＰ的ＳＤＴＶ／ＨＤＴＶ电视信号格式转换卡。运用双线性插值的方法，在ＤＳＰ上实现对图像实时的放大处理。算 ’ 法已在ＡＤＳＰ—ＴＳ２０１Ｓ开发板上得到验证，效果良好。设计难点在于，数字电视信号的时钟频率很高，要处理的信号量极大，因此采 用多ＤＳＰ并行处理。 关键词：标清转高清；ＤＳＰ；双线性插值 文章编号：１００２—８３３１（２００７）１９—０１０８—０３ 文献标识码：Ａ 中图分类号：ＴＰ７５２、１ ｌ 引言 数字化是一场全世界范围的新技术革命，是广播电视发展 的必然趋势。在我国，数字电视（Ｄｉｇｉｔａｌ ＴＶ）包括数字ＨＤＴＶ、 数字ＳＤＴＶ和数字ＬＤＴＶ三种。三者区别主要在于图像质量和 信道传输所占带宽的不同。从视觉效果来看，数字ＨＤＴＶ（每帧 １ ９２０ｘｌ ０８０像素）为高清晰度电视（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ） 的简称．图像质量可达到或接近３５ｍｍ宽银幕电影的水平； ＳＤＴＶ（ＰＡＬ制每帧７２０ｘ５７６像素）即标准清晰度电视，主要是 对应现有电视的分辨率量级．其图像质量为演播室水平；ＬＤＴＶ （２００—３００线）即普通清晰度电视。主要是对应现有ＶＣＤ的分 关键设备。 为满足电视台数字电视演播室以ＳＤＩ（串行数字接１５）为输 入输出接口，完成标准清晰度电视信号向高清晰度格式转换的 要求，本文研究设计了此款转接卡。 ２设计思路以及方案 ２．１ 处理流程 数字电视信号标清转高清电路总体设计基本框图如图１。 ＦＰＧＡ ＳＤ『ｒＶ 视频 输入接 口模块 ＦＰＧＡ ＨＤＴＶ 辨率量级。因为电视全数字化是今后的趋势。所以目前提 ＨＤＴＶ以及ＳＤＴＶ、ＬＤＴＶ如无特别说明，均指全数字体制。 ＳＤＴＶ／ＨＤＴＶ视音频转接卡就是在这一特定时代背景下产生 的。它的主要功用就是把标准清晰度ＳＤＴＶ数字信号转化成高 清晰度ＨＤＴＶ格式的电视数字信号。对刚建起标清数字化演播 室的电视台来说，再建一个高清的演播室花费巨大，地方电视 视频 输入 模块 视频输出 ＦＰＧＡ 接口模块 视频输 出模块 音频 输入输出 接口模块 台短时间难以承受。此产品可以成为标清向高清转化的过渡性 方案．大大减少建设成本。因此本项目的研究是非常必要的。它 是一种软硬结合的专用电子设备．是未来ＨＤＴＶ电视台的必备 基金项目：湖北省时代科学院支持。 叵 图１ 转换卡模块设计图 作者简介：黄翔（１９８２一），男，在读研究生，主要研究方向为模式识别与图像分析、图像处理系统及其应用；李德华，男，教授，博士生导师，主要从事 模式识别、人工智能和思维科学等方面的研究工作；金良海，男，博士生；朱美能，男，研究生。 维普资讯 http://www.cqvip.com 黄 翔，李德华，金良海，等：基于ＤＳＰ的ＳＤＴＶ／ＨＤＴＶ数字电视信号格式转换卡设计２００７，４３（１９） 各模块基本功能描述如下： １０９ ＧＳ１５６０Ａ是一个串行信号转并行信号的转换器，它和 ＧＳ１５２４电缆均衡器、Ｇ０１５２５压控振荡器结合起来就可以正确 地接收ＳＤ—ＳＤＩ、ＨＤ—ＳＤＩ数据信号。除了能够对ＳＤＩ输入数据 信号解串行外，ＧＳ１５６０Ａ还有信道解码的功能，能够对数据信 号进行ＮＲＺＩ—ｔｏ—ＮＲＺ转换，恢复成原始的ＳＤＩ数据。 ＳＤＴＶ视频输入模块：把输入ＳＤＩ信号通过串胼转换，变 为２０ｂｉｔ的Ｙ／ＵＶ信号（ＵＶ信号共用１０ｂｉｔ）。并提供一些基本 的视频控制信号，并且分离出音频信号。 ＦＰＧＡ视频输入接口模块：实现ＤＳＰ与并行Ｙ，ＵＶ数据的 接口，对行消隐信号进行计数，产生行号。实现与ＴＳ２０１的 Ｌｉｎｋ Ｐｏｒｔ相同协议功能，通过Ｌｉｎｋ Ｐｏｔ，ｒ把视频信号传给ＤＳＰ。 ＧＯ１５２５是一个微型的压控振荡器，它能够为ＧＳ１５６０Ａ解 串器和ＧＳ１５３２串行器提供稳定的１．４８５ ＧＨｚ参考时钟信号。 ＦＰＧＡ视频输入接口模块：对音频信号进行缓冲处理．实 现输出的视音频信号的同步控制。 ＤＳＰ并行处理系统：实现ＳＤｒｒｖ—ＨＤｒｒｖ整个过程的算法． ２．３有效信号提取 从ＧＳ１５６０Ａ输出的信号中，有２０ ｂｉｔ并行输出的ＹＵＶ信 号，２７ ＭＨｚ的时钟同步信号ＰＬｃＫ，以及作为状态同步信号的 包括插值、锐化、亮度、色度、对比读的调整。 ＲＡＭ：暂存处理的数据。 ＨＤＴＶ视频输出模块：把输入的并行视频信号、音频信号 复合，转换为高清电视标准的ＳＤＩ信号。 辅助电路：为系统提供电源、必要的系统配置、程序下载、 外部晶振。 ＪＴＡＧ测试接口：实现在线的系统调试。 ２．２ ＳＤＩ接口 ＳＤＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）接口，就是“数字分量串行接 口”。串行接口是把数据的各个比特以及相应的数据通过单一 通道顺序传送的接口。如有数字分量亮度Ｙ和色度Ｕ／Ｖ两路 通道，将两路信号复合成一路信号串行传输所用到的接口。由 于串行数字信号的数据率很高，在传送前必须经过处理。用 扰码的不归零倒置（ＮＲＺＩ）来代替早期的分组编码．其标准为 ＳＭＰＴＥ一２５９Ｍ和ＥＢＵ－Ｔｅｃｈ一３２６７。在传送前，对原始数据流进 行扰频，并变换为ＮＲＺＩ码确保在接收端可靠地恢复原始数 据。在ＮＲＺ码中，低电平表示０，高电平表示１，这称为绝对码。 ＮＲＺＩ（倒相的ＮＲＺ）码中，用数据周期内电平跳变来表示１．数 据周期内电平不跳变表示０，称为相对码又称为差分码。ＮＲＺＩ＋一 码的优点在于：接收端对数据流的极性不敏感．只响应于极性 的变换，容易解码和提取时钟信息。在数据流的接收端，由ＳＤＩ 解码器从ＮＲＺＩ码流恢复原数据流。 因此，在ＳＤＩ信号接受端需要解码，恢复为原始信号码流。 位于加拿大的ＧＥＮＮＵＭ公司提供了ＧＳ１５６０Ａ和ＧＳ１５３２两款 芯片，能够对输入的ＳＤＩ数据分别进行接收和发送的处理。 ＧＥＮＮＵＭ公司的ＧＳ１５６０Ａ解串行器及ＧＳ１５３２串行器是 应用于专业视讯设备内，接收和传输ＨＤ—ＳＤＩ、ＳＤ—ＳＤＩ以及 ＤＶＢ—ＡＳＩ三种不同数字视频。这套视频发射和接收装置的耗 电极低并具有高度的整合性。两者在类比方面也同时有优越的 表现，能将有线驱动器（ｃａｂｌｅ ｄｒｉｖｅｒ）以及多种数字处理功能整 合在一起。 图２是ＳＤ—ＳＤＩ输入信号接收模块的电路图。 ＧＯ１５２５ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｏｕｔｐｏｕｔ ａｎｄ Ｐｃｌｋ 图２输入ＳＤＩ接口设计 ＧＳ１５２４能够对从７５ Ｑ的同轴电缆上接收到的数据信号 进行补偿和恢复，它支持ＳＭＰ＇ＩＥ ２９２Ｍ（高清）和ＳＭＰ＇ＩＥ ２５９Ｍ （标清）标准，并且非常适合以２７０ Ｍｂｉｔ／ｓ或者１．４８５ Ｇｂｉｔ／ｓ的速 度传输数据。 Ｆ（奇偶场信号）、Ｖ（场消影信号）、Ｈ（行消影信号）。下面先说明 标准参考ＣＣＩＲ６０１中对于６２５／５０制式．以４：２：２数字分量编码 的电视信号行数据格式，然后再对ＦＶＨ三个分量进行分析。图 ３是６２５／５０制式的电视信号数据格式。 匕一帧的最后一行 ６２４ ２２ 奇场消隐信号 ２３ 奇场有效信号 ３１０ ３１１ 偶场消隐信号 ３３５ ３３６ 偶场有效信号 ６２３ 图３ ６２５／５０制式电视信号数据格式 由图３可以看出，电视信号分有效信号和消隐信号。有效 信号就是指图像信号，而消隐信号包含很多信息，其中包括声 音、场 文字、辅助信号等其他信号。为了方便做图像处理，在之前 场 一．一 需要将有效信号即图像信息提取出来。从ＧＳ１５６０Ａ输出的信 号包括ＹＵＶ电视数据信号外，还包括Ｆ、Ｖ、Ｈ控制信号，下面 以一帧图像为例来说明Ｆ、Ｖ、Ｈ信号时序关系。 从图４可以看出，当信号Ｆ－－０，Ｖ＝０，Ｈ＝０时，将输出奇场有 效信号；当Ｆ＝Ｉ，Ｖ＝０，Ｈ＝０时，将输出偶场有效信号，在消影期 间的数据是图像转换不需要使用的数据．因此。在运用ＤＳＰ进 行插值计算前，需要将有效的图像信息提取出来。 Ｆ』 ：：二 场消隐 场有效 场消隐 场有效 Ｖ １ Ｈ １表示行消隐期。 表示行有效期 图４ ＦＶＨ信号时序图 Ｘｉｌｉｎｘ公司提供的可编程逻辑门阵列ＦＰＧＡ Ｓｐａｒｔａｎ ＩＩＩ 作为与ＤＳＰ之间的接口，以中断的方式．通过Ｌｉｎｋ Ｐｏｒｔ口完成 对输入的有效视频信号接收并存储。Ｓｐａｒｔａｎ一３ ＸＣ３Ｓ４００是 Ｘｉｌｉｎｘ公司针对低端应用市场开发的新一代ＦＰＧＡ，是Ｖｅｒｔｉｘ 维普资讯 http://www.cqvip.com １１０ ２００７，４３（１９） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ西ｌ ｅ ， ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用 ＩＩ系列的精简版本。 ＸＣ３Ｓ４００可以方便地对数据信号ＹＵＶ进行控制。把ＳＤＩ 和ＤＳＰ的接口映射成一个外部存储器地址．对这个存储器进 行读写操作就是对接口进行数据的传输操作。当产生视频有效 信号中断以后，ＦＰＧＡ通过Ｌｉｎｋ Ｐｏｒｔ向ＤＳＰ发出一个一个信 号．传送数据。 由于Ｌｉｎｋ Ｐｏｒｔ数据格式．是以１２８位作为一个最小的单 ｏ 。 。厶 ｏ ｏ 厶－ 厶． ｏ 图６双线性插值算法原理示意图 位来传输数据的。本文采用３２位的传输方法，输出的ＹＵＶ只 有２０位．可以利用剩下的１２位数据总线传输其他的数据信 号．以方便后面ＤＳＰ进行视频格式的格式转换的处理。可以定 义一个字的Ｄ０一Ｄ１９为ＹＵＶ值．Ｄ２０－－Ｄ３０为每场的行序号， 厶。 。帆 。 。 。］ 。 。 ］ 值得注意的是．如果只是单纯地将７２０＊５７６扩大到１ ９２０＊ １ ０８０，那么宽度扩大了２．６７倍，高度扩大了１．８７５倍。宽高扩 Ｄ３１为奇偶场标志位。其中每场的行序号由ＦＰＧＡ内部计数器 对Ｈ信号的下降沿计数实现。这样，得到了所有视频信号的必 要数据。为软件的处理作好了铺垫，同时可以根据需要，如果一 些辅助数据不是非常必要的话，可以通过ＦＰＧＡ的程序，去掉 这些数据．并在ＤＳＰ的程序中，适当地做些修改。 ２．４ 多ＤＳＰ并行处理插值运算 ＦＰＧＡ输出的有效电视信号通过Ｌｉｎｋ Ｐｏｒｔ口与ＤＳＰ的 Ｌｉｎｋ Ｐｏｒｔ口相连．数据交由ＤＳＰ作放大插值处理．由于插值运 算量极大．采用４块ＤＳＰ并连的方式对信号进行插值运算。这 里可以对插值前后的数据量进行对比： 表１ 标清和高清信号格式数据对比 考虑到运算速度及数据存储方面的问题，将一幅图像分成 ４部分分别交给４个ＤＳＰ做插值运算，图５是多ＤＳＰ信号处 理模块。 外部总线 图５多ＤＳＰ连接图 双线性插值是在图像处理上已经被广泛用到的图像处理 技术．相比其他插值技术，速度较快，也能满足一定的清晰度要 求。它根据临近４个已知点的像素值以及位置、线形确定中间 点的像素值。如图６所示 厶 。 。 。为平面图像内临近 ４个点的像素值 为需要插取的像素值。 令 ＝［ｘｉ－ｘＯ］／［ｘｌ－ｘＯ］ Ｙｋ＝［ｙｉ－ｙ０］／［ｙ１－ｙｏ］ ，ｔｏ＝ｆ，ｏｙｏ＋ｘ １ｔｏ ］ 大的比例不一致．插值出来的图像比例失调，视觉上失真比较 严重，所以要作必要的裁减．使得宽和高扩大比例一致，这样就 必须丢弃一部分图像信息。 ２．５输出信号处理 ＧＳ１５３２是集成了电缆驱动器的多标准串行器．它和 Ｇ０１５２５压控振荡器结合起来就可以正确地输出ＨＤ—ＳＤＩ 信号。 ＧＳ１５２８是ＨＤ—ＳＤＩ串行数据电缆驱动器。 ＧＳ１５３２所需要的输入信号有亮色数据信号Ｙ、Ｕ，、，．时钟 同步信号ＰＬＣＫ．以及状态同步信号Ｆ、Ｖ、Ｈ。这些信号均由 ＸＣ３ｓ４Ｏ０提供。 图７输出模块连接图 ３实验结果 在ＡＤＳＰ—ＴＳ２０１Ｓ ＥＺ—ＫＩＴ ＬＩＴＥ评估板上．实验通过了单 幅图像的格式转换算法的运算，由于输入的是无压缩的标清信 号，因此单幅图像与视频信号之间要处理的差异性很少，方便 做程序移植。图８、图９是标清与生成的高清对比图（同比以 １５％方式压缩）。（收稿日期：２００６年ｌ１月） ■ 图８标清图例 图９高清图例 参考文献： 【１】国家广播电影电视总局标准化规划研究所．演播室数字（高清晰度） 电视标准汇编（１）ＩＳ１，２０００． 【２］ＡＤＳＰ－ＴＳ２０１ ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ａａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．Ｒｅｖｉｓｉｏｎ１．１，２００４． 『３１ ＧＥＮＮＵＭ公司．ＳＤＩ接口设计参考资料．２００３． 【４］王岳环，彭晓．基于ＦＰＧＡ的数字图像实时放大设计【ＪＪ．计算机工程 与应用，２ｏｏ５，４１（８）：１０８—１１０．
