基于FPGA的RGB到YUV422的数字视频转换

VIDEO ENGINEERINGNo．S2 Vol.33 2009（Sum No．332 ） 1 引言 数字视频技术，在国民经济、国防建设以及科学实验 等各个领域获得了广泛应用 [1-4]，然而实际使用中有许多 不同的视频格式，如 RGB，YUV 等 [5]，为了对视频数据进 行标准的处理、显示和 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 等，对不同的格式进行相互转 换，成为一个重要而有意义的问题。 针对这一问题 ， 本文以 Altera 公司的一款 FPGA EP2C8T144C8为载体，用 Verilog HDL 语言[2]编写了相关 的程序，设计了一种从 RGB 到 YUV422 数字视频转换的 方法，实现了数字视频信号色度空间的转换。 2 基本原理 2.1 YUV422的信号格式 YUV422信号的格式[5]如表 1所示，其中 Y分量表示 亮度信息， 取值范围 0～719；U 和 V 分量表示色度信息， 取值范围 0，2，4，…，718；SAV（Start of Active Video）和 EAV（End of Active Video）称作视频时间基准代码。 文章编号：1002－8692（2009）S2-0105-02 基于 FPGA的 RGB到 YUV422的 数字视频转换 苏 磊，张登福，刘 涛 （空军工程大学 工程学院，陕西 西安 710038） 【摘 要】 设计了一种新的 RGB 和 YUV 的转换方法，用 FPGA 取代专用的视频处理芯片，用 Verilog HDL 编写了相关的程序，实 现了视频信号格式由 RGB 到 YUV422 的转换，并且在 QuartusⅡ软件上进行了仿真验证，结构简单，有较高的实用价值和广阔的应 用前景。 【关键词】 RGB；YUV；数字视频；Verilog HDL 【中图分类号】 TN941.3 【文献标识码】 A Digital Video Conversion from RGB to YUV422 Based on FPGA SU Lei, ZHANG Deng-fu, LIU Tao （Engineering College, Air Force Engineering University, Xi' an 710038, China） 【Abstract】 By introducing the structure of YUV422 and the steps of the conversion, the format of the video is changed from RGB to YUV422, which is designed by Verilog HDL. The experimental results show that the proposed approach can make up the shortcomings of the classical conversion scheme in digital video process, and it has broad prospect in video signal conversion. 【Key words】 RGB; YUV; digital video; Verilog HDL ·实用技术· 表 1 YUV422 信号格式 区间名称 消隐期（66） SAV（2） 空白（40） YUV422 数据信号（640） 空白（40） EAV（2） 消隐期（67） 代码格式 …00，00 FF，00，00，XY …00，00… U0， Y0， V0， Y1， U2， Y2，…，U718，Y719 …00，00… FF，00，00，XY 00，00… 时间（共 857） 0~65 66，67 68~107 108~747 748~787 788，789 790~856 SAV和 EAV是 YUV422中的两个重要信号。 SAV和 EAV 均为 32 bit，用十六进制表示为“FF，00，00，XY”，它 们的前 24 bit相同，而后 8 bit（即 XY）包含有场信号的区 分标志和保护字等信息。 2.2 RGB转换成 YUV的原理 由 RGB转换成 YUV的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 [1，5]如下所示 Y=0.299R+0.587G+0.114B U=-0.147R-0.289G+0.436B V=0.615R-0.515G-0.100 0 0 0 0 0 B （1） 观察式（1）可以发现，3个分量的转换均需要乘加运 算，并且公式中用到了小数，为了便于进行数字转换，对 系数进行放大，式（1）转换为式（2），如下所示 Y=（306R+601G+117B）/1 024 U=（-151R-296G+446B）/1 024 V=（630R-527G-103B）/1 02 0 0 0 0 0 4 （2） 3 程序设计 由于传送的 RGB 信号为 640×480（即每行 640 个像 素点，每场 480 行），位数为 16 位，而 YUV422 的传送格 式为 720×480，位数为 8 位，故首先需要将得到的信号分 Parts & applications 105 2009年第 33卷第 S2期（总第 332期）电视技术 成两部分， 即用奇偶场的方式， 将信号分成两部分来传 送，其次对于传送的每一帧 YUV422图像，需要在两边各 加上 40个时钟的消隐时间，从而将 640个像素点变换成 720个像素点，这也是程序的关键步骤。 程序的总体 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图 1所示， 图 2 即根据图 1 在 Quartus Ⅱ软件中设计的程序的顶层模块。 3.1 转换矩阵设计 由外界送入 FPGA 内部的 18 位 RGB 信号， 首先根 据式（2），经过转换矩阵的作用，转换成 24 位的 YUV 并 行信号。 转换矩阵的逻辑运算表示为一组乘法器和加法 器，EP2C8T144C8有 36个 9 bit的增强型乘法器，可以保 证快速、高精度完成这一转换[6]。 3.2 YUV422信号形成模块 经过第一步转换矩阵， 得到的是 24 位并行 YUV 信 号，需要按照 YUV422的数据格式，插入视频时间基准代 码 SAV 和 EAV 及消隐期的空白填充信号， 从而转换成 16位的 YUV422格式的信号（如表 1所示）。 用 Verilog HDL编写此部分的程序 sav_eav， 考虑到 接下来要对数据的奇偶场和奇偶行进行处理， 故在此程 序中设置了 3 个计数器 i，j，k，分别用来确定 uy_vy 的格 式和输出奇偶场信号 chang 和奇偶行信号 hang， 用 0 表 示奇场（行），1表示偶场（行）。 图 3 是用 Quartus Ⅱ软件对程序 sav_eav 进行仿真 的结果。 由仿真波形可以明显看到形成的 YUV422 格式 的信号 yuv_422 以及奇偶场判断信号 chang 和奇偶行判 断信号 hang。 3.3 奇偶场和奇偶行判断模块 考虑到实际应用中对图像分辨力的要求， 并不是所 有 RGB像素都是必须的，而是只要每两场图像中截取一 场就可以了， 而且还可以节省带宽、 提高图像的传输速 率。 故在此设置了一个奇偶场判断模块， 只传输奇场信 号，而将偶场信号舍弃。 然后再让奇场信号（480×720× 16 bit）进入奇偶行判断模块，分作奇行（240×720×16）和 （下转第 115页） 器件与应用 106 VIDEO ENGINEERINGNo．S2 Vol.33 2009（Sum No．332 ） 偶行（240×720×16），分别存入 256 Kbyte的 RAM和 720× 16 bit的 FIFO，运用乒乓操作的原理进行传输。 3.4 存储器模块 存储器模块是依照乒乓操作的需要， 对输入的信号 进行暂时的存放。 偶行经过 FIFO直接往下传输，奇行信 号先暂时存入 RAM，在一场偶行信号读取完成之后再进 行读取，即占用的是变为空白的偶场信号的时间。 3.5 并串转换模块 并串转换模块是信号处理的最后一个模块， 它首先 类似一个二选一的数据选择器， 在不同的时间段循环接 收来自 FIFO 和 RAM 的信号， 然后再将 16 位的并行信 号转换成 8 位的串行传输信号， 输出最终所要传输的 YUV422的 8位串行信号。 图 4为并串转换程序 max_change 的仿真波形，在图 中，fifo 的数据被设为“40E8，7FED”循环，ram 的数据被 设为“0702，8FC7”循环，chang 为奇偶场信号，chang 等于 0 时，来自 fifo 的数据被输出，chang 等于 1 时，来自 ram 的数据被输出，依次交替进行，可以清楚的看到，在奇场 条件下，输出信号为“E8，40，ED，7F”， 在偶场条件下，输 出信号为“02，07，C7，8F”，即将 16 位的并行数据转换成 8位的串行数据，从而可以进行后续的处理。 4 小结 笔者将 Verilog 硬件描述语言应用于数字视频处理 中，设计了一个基于 FPGA 的 RGB 到 YUV422 数字频转 换的实现方法， 创新点在于在单片的 FPGA 上即实现了 数字视频的转换，而不需要专用的视频处理芯片，简化了 硬件结构，具有广泛的应用领域和较高的经济价值。 参考文献： [1] 海因维希·郎格． 色度学与彩色电视[M]．张永辉， 译. 北京：中国电影 出版社，1985. [2] 夏宇闻 ． Verilog 数字系统设计教程[M]．北京：北京航空航天大学出 版社，2003. [3] 胡伏原 ．肤色检测研究[C]//第三届信号与信息处理全国联合学术会 议论文集. 四川，雅安：中国体视学学会，2004：58-63. [4] 阮秋琦．数字图像处理学[M]．北京：电子工业出版社，2001. [5] 刘清堂， 王忠华， 陈迪．数字媒体技术导论[M]．北京：清华大学出版社， 2008. [6] 白宗元， 胡宝霞．基于 SoPC 的视频编解码 IP 核的实现[D]．哈尔滨： 哈尔滨理工大学计算机学院，2007. 笕 作者简介： 苏 磊（1985-），硕士生，主研图像处理与模式识别； 张登福（1968-），教授，研究方向为图像处理、图像分析、数据压缩； 刘 涛（1986-），硕士生，主研图像处理与模式识别。 责任编辑：任健男 收稿日期：2009-03-16 控制字为 M=4 096，系统的时钟频率为 fc=100 MHz，先在 Quatus Ⅱ软件中对用 Verilog HDL 所写的程序进行功能 仿真，其结果如图 4所示。 在 QuatusⅡ软件将 VWF 文件转换成 TBL 文件并用 Matlab进行仿真，其波形如图 5所示。 6 小结 设计 NCO 的方法有很多种， 本文讨论的是一种在 FPGA 中采用流水线结构 CORDIC 算法设计 NCO 的方 法，该算法不但结构简单，耗费资源少，而且其移位相加 结构非常适合在 FPGA 中实现， 随着数字信号处理技术 的日趋发展，基于流水线结构 CORDIC 算法设计的 NCO 必将在 FPGA设计中获得越来越广泛的应用。 参考文献： [1] 姜宇柏，游思晴. 软件无线电原理与工程应用[M].北京：机械工业出 版社，2007. [2] 王宁琛，于东海，贵益俊. 基于 CORDIC算法的数控制振荡器的 FP- GA 设计[J].电子设计应用，2007（12）：15-18. [3] 王梦源，王书省，陈星. 流水线双模 CORDIC算法的 FPGA 实现[J].电 子测量技术，2007（9）：184-185. [4] 郑瑾，葛临东. 基于流水线 CORDIC 算法的数字下变频实现[J].现代 雷达, 2006（10）：62-64. 笕 作者简介： 黄少俊（1970-），硕士，从事数字图像处理、地面数字电视技术研究 及应用； 郝禄国（1968-），博士生，主研数字信息处理、视频编码技术。 责任编辑：任健男 收稿日期：2009-03-24 笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕 （上接第 106页） Parts & applications 115