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1、基于基于 FPGAFPGA 的的 VGAVGA 和和 HDMIHDMI 视频拼接系统设计视频拼接系统设计 摘摘 要要 随着图像显示技术的快速发展，图像用户界面和人机交互界面正朝着智能化、高 速化、大屏幕化方向迈进。目前图像显示系统多数是采用早期的专用处理芯片，其运 算速度和设计灵活性一般都较低。 FPGA 的发展为图像存储与显示系统的高速和高集成度提供了新的方法和解决思路， FPGA 本身拥有着强大的逻辑资源，并利用片外的配置资源和模块化的设计思路，可实 现图像存储与显示系统。 论文采用 Altera 公司推出的 Cyclone IV FPGA，结合该系列芯片的结构特点，对 其功能以及配置方式
2、做了详细的说明，并简要的介绍了系统设计中所涉及的软硬件开 发环境和显示原理，重点研究基于 FPGA 的图像信号剪切、存储和显示，系统采用基 于 FPGA 的高速阵列的信号处理模式，提出了一种基于硬件的图像存储与显示的视频拼 接显示方法。 该设计以 FPGA 为数字处理的核心，分为图像处理模块、图像存储模块和图像显 示模块，通过处理输入的视频信号，把视频剪切成两部分，分别以 VGA 和 HDMI 在两个 显示器里分别显示，实现了视频的拼接显示功能。 关键字：关键字：FPGAFPGA VGAVGA HDMIHDMI 拼接显示拼接显示 VGA and HDMI video splicing FPGA
3、-based display ABSTRACT As the image shows the rapid development of technology, graphical user interface and interactive interface is moving intelligent, high-speed, large screen direction. At present, the majority of the image display system is the use of dedicated processing chip early, usually it
4、s speed of operation and design flexibility are low. FPGA development for high-speed and highly integrated image storage and display system provides a new approach and solution ideas, FPGA itself has a powerful logic resources and use off-chip resource allocation and modular design ideas can be real
5、ized Images storage and display system. Thesis, Altera has introduced Cyclone IV FPGA, combined with the structural characteristics of the chips and their functions as well as a detailed configuration instructions, and a brief description of the system involved in the design of hardware and software
6、 development environment and display principle focus Cut image signal based on FPGA, storage and display, the system uses the signal processing FPGA-based high-speed mode arrays, we propose a hardware-based image storage and display method for displaying video splicing. The digital processing design
7、ed to FPGA core, divided into an image processing module, an image storage module and an image display module, by processing the input video signal, the video cut into two parts, respectively in the two VGA monitors and HDMI Lane respectively display, to achieve a video mosaic display function. Key
8、words: FPGA VGA HDMI Tiled Display 目录目录 1 绪论1 2 系统总体设计与技术基础2 2.1 技术概述 2 2.1.1 Altera FPGA 介绍.2 2.1.2 显示原理.3 2.1.3 颜色空间.4 2.1.4 FPGA 设计流程简介 .5 3 系统硬件设计.6 3.1 FPGA 器件选型及外围电路 6 3.2 FLASH 电路设计.8 3.3 DDR2 电路设计 8 3.4 视频输入电路设计 10 3.5 VGA 接口电路设计 11 3.6 HDMI 接口电路设计 .14 3.7 硬件电路总体框图 15 4 软件部分设计16 4.1 图像剪切模块 1
9、6 4.2 图像存储模块 17 4.3 图像显示模块 18 4.4 软件总体框图 .20 5 设计流程及结果20 5.1 工程编译 .20 5.2 下载程序 .21 5.3 板级仿真与验证 21 5.4 实验结果 .22 5.5 设计总结 .22 参考文献24 致 谢25 附录26 1 1 1 前言前言 随着科学技术的高速发展，显示系统的应用越来越广泛，从日常生活到工业控制 再到航空航天等行业都离不开显示系统。而且随着显示要求的提高，单个显示器已经 不能满足人们的需求，在一些领域需要对视频进行分割拼接显示，比如大家常见的安 防监控。 驱动液晶显示器，需要很高的扫描频率以及极短的处理时间，而且还
10、是驱动一定 数量的液晶显示器，对处理数据的能力更加苛刻。从国内外显示系统的发展历程来看， 主要出现了以下几种技术方案：（1）基于 ARM 的显示控制系统，它是以 ARM 微控制 器为处理的核心，系统虽然具有体积小、接口丰富和功耗低的优点，但是它的开发周 期过长，系统不易于移植和升级，而且如果用于如图像这种数据吞吐量比较大的处理， 其运行速度受到限制，这个问题不容忽视。 （2）基于 DSP 的显示控制系统，这种方式 采用复杂的可编程逻辑器件和数字信号处理器，具有强大的数字处理能力和较快的运 行速率。系统虽能满足大数据量的运算要求，但是成本很高，并且电路设计复杂，不 利用二次开发。 （3）基于 F
11、PGA 的显示控制系统，这种方式不仅运算速度快、电路设计 简洁，而且成本相对较低，还便于移植和二次开发 随着 FPGA（Field-Programmable gate array）现场可编程门阵列不断的发展，其 价格也不断的下降，逐渐地显现出 FPGA 的应用优势。FPGA 是一种硬件架构，管脚丰 富和灵活，便于进行二次开发。因此目前，嵌入式系统中越来越多的采用了基于 FPGA 的设计方案。 对于图像拼接技术而言，虽然拼接方法众多，但各方法适用条件各异、鲁棒性 差别较大，在使用时需要通盘考虑，择优选择，并针对特定应用需求进行相应改进， 然而很少有人能够对现有的图像拼接方法进行总结归纳，对各图像
12、拼接方法的适用范 围、算法复杂度、配准精度等问题给予明确说明，导致其不能很好的应用于实际项目 中。 对于视频拼接技术而言：一方面，实时性一直是困扰视频拼接的最大障碍。在现 有条件下如何既能保证较好的拼接效果，又能够很好的满足实时性的要求，成为当下 研究中重点要解决的问题；另一方面，在移动视频拼接系统应用需求激增的情况下， 2 缩小硬件体积也是一个关键的问题。 2 2 系统总体设计与技术基础系统总体设计与技术基础 2.12.1 技术概述技术概述 2.1.12.1.1 AlteraAltera FPGAFPGA 介绍介绍 FPGA (Field Programmable Gate Array)是现
13、场可编程门阵列，逐渐取代了 以往的 PAL、CPLD 等可编程逻辑器件，是目前使用最广泛的逻辑器件。 FPGA 的大体结构包括三个部分，CLB（可编译逻辑块） ，IOB（输入/输出块）和 BRAM（随机储存记忆块） 。可配置逻辑模块（CLB）含有 RAM-based LUTs（Look-Up Tables） ，从而实现逻辑和存储单元。CLB 可通过编程来实现广泛多样的逻辑功能，同 样也可储存数据。FPGA 中除了具有用 LUT 构成的分布随机存储器之外，还有块存储器 （Block SelectRAM Memories） 。块存储器是真正的双端存储器（True Dual-Port RAM） ，提
14、供了高速的、分布式的、大块的存储资源，在 FPGA 里块存储器排成几条纵队， 块存储器的总量是由器件型号决定的，这些块存储器级联后可以构成更深、更宽的存 储器。FPGA 是基于查找表技术，查找表本质上就是一个分布式 RAM 存储器，因此结构 等同于有 4 位地址线的随机存储器，如图所示。 图 2.1 LUT 单元结构 由图 2.1 可知，四个输入作为地址进行查表，该地址上的值是由编译软件写好， 3 该值就是所需要的逻辑值。 目前，生产 FPGA 的厂商有 Xilinx、Altera、Lattice 等公司，其产品结构均基于 查找表结构。 本系统在设计时，采用的是 Altera 公司生产的 Cy
15、clone IV 系列芯片作为系统开 发。 2.1.22.1.2 显示原理显示原理 VGA（Video Graphics Array） ，中文是视频图形阵列，使用的是模拟信号传输数 据。现在大部分的计算机显示器都带有 VGA 接口，它是最普遍的一种显示接口，如图 所示。 图 2.2 VGA 接口 HDMI（High Definition Multimedia） ，中文是高清晰度多媒体接口，使用的是数 字信号传输数据。HDMI 接口可以提供高达 5Gbps 的数据传输带宽，保证高质量的视频 信号传输。 图 2.3 HDMI 接口 R、G、B(3 基色信号)、HS(行同步信号)、VS(场同步信号)
16、是我们在设计 VGA 和 HDMI 需要考虑的 5 个信号。其中 R、G、B 信号为数据信号，HS、VS 为控制信号。任意 4 所需要的颜色都可由 R、G、B3 种基色组合得出。处理好这 5 个信号的时序就是显示的 基础，下面将介绍显示的时序。 图 2.4 各分辨率条件下使用的频率 图 2.5 行扫描时序图 图 2.6 场扫描时序图 当分辨率为 1024*768 时，水平方向显示器每行有 1344（65MHz/48.363kHz）个 数据位，当中的 1024 个数据位用来显示像素，另外的 320(1344-1024)个数据位用来 输出水平消隐信号和水平同步信号。垂直方向有 80（48.363kHz/60.004Hz）行，其中 5 768 行用于显示相应的像素，其余 38（806-768）行用来输出垂直消隐信号和垂直同 步信号。显示器显示完一行图像后，同步行信号，接着进行行消隐，同步信号都采用 了低电平有效的同步方式。当所有行都被扫描完后，进行场同步，并将扫描回归到屏 幕的左上方， 与此同时进行场消隐，并为下一次扫描做准备。 2.1.32.1.3
