【正文】 基于 FPGA 的 VGA 和 HDMI 視頻拼接系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著圖像顯示技術(shù)的快速發(fā)展，圖像用戶界面和人機(jī)交互界面正朝著智能化、高速化、大屏幕化方向邁進(jìn)。目前圖像顯示系統(tǒng)多數(shù)是采用早期的專用處理芯片，其運(yùn)算速度和設(shè)計(jì)靈活性一般都較低。FPGA 的發(fā)展為圖像存儲(chǔ)與顯示系統(tǒng)的高速和高集成度提供了新的方法和解決思路，F(xiàn)PGA 本身擁有著強(qiáng)大的邏輯資源，并利用片外的配置資源和模塊化的設(shè)計(jì)思路，可實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)與顯示系統(tǒng)。 論文采用 Altera 公司推出的 Cyclone IV FPGA，結(jié)合該系列芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其功能以及配置方式做了詳細(xì)的說明，并簡(jiǎn)要的介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所涉及的軟硬件開發(fā)環(huán)境和顯示原理，重點(diǎn)研究基于 FPGA 的圖像信號(hào)剪切、存儲(chǔ)和顯示，系統(tǒng)采用基于 FPGA 的高速陣列的信號(hào)處理模式，提出了一種基于硬件的圖像存儲(chǔ)與顯示的視頻拼接顯示方法。該設(shè)計(jì)以 FPGA 為數(shù)字處理的核心，分為圖像處理模塊、圖像存儲(chǔ)模塊和圖像顯示模塊，通過處理輸入的視頻信號(hào)，把視頻剪切成兩部分，分別以 VGA 和 HDMI 在兩個(gè)顯示器里分別顯示，實(shí)現(xiàn)了視頻的拼接顯示功能。關(guān)鍵字：FPGA VGA HDMI 拼接顯示VGA and HDMI video splicing FPGAbased displayABSTRACTAs the image shows the rapid development of technology, graphical user interface and interactive interface is moving intelligent, highspeed, large screen direction. At present, the majority of the image display system is the use of dedicated processing chip early, usually its speed of operation and design flexibility are low.FPGA development for highspeed and highly integrated image storage and display system provides a new approach and solution ideas, FPGA itself has a powerful logic resources and use offchip resource allocation and modular design ideas can be realized Images storage and display system.Thesis, Altera has introduced Cyclone IV FPGA, bined 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 development environment and display principle focus Cut image signal based on FPGA, storage and display, the system uses the signal processing FPGAbased highspeed mode arrays, we propose a hardwarebased image storage and display method for displaying video splicing.The digital processing designed 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 words: FPGA VGA HDMI Tiled Display目錄1 緒論 ..............................................................................12 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與技術(shù)基礎(chǔ) ............................................................2 技術(shù)概述 ......................................................................2 Altera FPGA 介紹 .......................................................2 顯示原理 ...............................................................3 顏色空間 ...............................................................4 FPGA 設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)介 .....................................................53 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .......................................................................6 FPGA 器件選型及外圍電路 ........................................................6 FLASH 電路設(shè)計(jì) .................................................................8 DDR2 電路設(shè)計(jì) ..................................................................8 視頻輸入電路設(shè)計(jì) ..............................................................10 VGA 接口電路設(shè)計(jì) ..............................................................11 HDMI 接口電路設(shè)計(jì) .............................................................14 硬件電路總體框圖 ..............................................................154 軟件部分設(shè)計(jì) ......................................................................16 圖像剪切模塊 ..................................................................16 圖像存儲(chǔ)模塊 ..................................................................17 圖像顯示模塊 ..................................................................18 軟件總體框圖 .................................................................205 設(shè)計(jì)流程及結(jié)果 ....................................................................20 工程編譯 .....................................................................20 下載程序 .....................................................................21 板級(jí)仿真與驗(yàn)證 ..............................................................21 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .....................................................................22 設(shè)計(jì)總結(jié) .....................................................................22參考文獻(xiàn) ............................................................................24致 謝 ............................................................................25附錄 ................................................................................2611 前言隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，顯示系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，從日常生活到工業(yè)控制再到航空航天等行業(yè)都離不開顯示系統(tǒng)。而且隨著顯示要求的提高，單個(gè)顯示器已經(jīng)不能滿足人們的需求，在一些領(lǐng)域需要對(duì)視頻進(jìn)行分割拼接顯示，比如大家常見的安防監(jiān)控。驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，需要很高的掃描頻率以及極短的處理時(shí)間，而且還是驅(qū)動(dòng)一定數(shù)量的液晶顯示器，對(duì)處理數(shù)據(jù)的能力更加苛刻。從國內(nèi)外顯示系統(tǒng)的發(fā)展歷程來看，主要出現(xiàn)了以下幾種技術(shù)方案：（1）基于 ARM 的顯示控制系統(tǒng)，它是以 ARM 微控制器為處理的核心，系統(tǒng)雖然具有體積小、接口豐富和功耗低的優(yōu)點(diǎn)，但是它的開發(fā)周期過長，系統(tǒng)不易于移植和升級(jí)，而且如果用于如圖像這種數(shù)據(jù)吞吐量比較大的處理，其運(yùn)行速度受到限制，這個(gè)問題不容忽視。 （2）基于 DSP 的顯示控制系統(tǒng)，這種方式采用復(fù)雜的可編程邏輯器件和數(shù)字信號(hào)處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)字處理能力和較快的運(yùn)行速率。系統(tǒng)雖能滿足大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算要求，但是成本很高，并且電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，不利用二次開發(fā)。 （3）基于 FPGA 的顯示控制系統(tǒng)，這種方式不僅運(yùn)算速度快、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，而且成本相對(duì)較低，還便于移植和二次開發(fā)隨著 FPGA（FieldProgrammable gate array）現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列不斷的發(fā)展，其價(jià)格也不斷的下降，逐漸地顯現(xiàn)出 FPGA 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。FPGA 是一種硬件架構(gòu)，管腳豐富和靈活，便于進(jìn)行二次開發(fā)。因此目前，嵌入式系統(tǒng)中越來越多的采用了基于 FPGA 的設(shè)計(jì)方案。 對(duì)于圖像拼接技術(shù)而言，雖然拼接方法眾多，但各方法適用條件各異、魯棒性差別較大，在使用時(shí)需要通盤考慮，擇優(yōu)選擇，并針對(duì)特定應(yīng)用需求進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，然而很少有人能夠?qū)ΜF(xiàn)有的圖像拼接方法進(jìn)行總結(jié)歸納，對(duì)各圖像拼接方法的適用范圍、算法復(fù)雜度、配準(zhǔn)精度等問題給予明確說明，導(dǎo)致其不能很好的應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。 對(duì)于視頻拼接技術(shù)而言：一方面，實(shí)時(shí)性一直是困擾視頻拼接的最大障礙。在現(xiàn)有條件下如何既能保證較好的拼接效果，又能夠很好的滿足實(shí)時(shí)性的要求，成為當(dāng)下研究中重點(diǎn)要解決的問題；另一方面，在移動(dòng)視頻拼接系統(tǒng)應(yīng)用需求激增的情況下，2縮小硬件體積也是一個(gè)關(guān)鍵的問題。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與技術(shù)基礎(chǔ) 技術(shù)概述 Altera FPGA 介紹 FPGA (Field Programmable Gate Array)是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，逐漸取代了以往的 PAL、CPLD 等可編程邏輯器件，是目前使用最廣泛的邏輯器件。 FPGA 的大體結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分，CLB（可編譯邏輯塊） ，IOB（輸入/輸出塊）和BRAM（隨機(jī)儲(chǔ)存記憶塊） ?？膳渲眠壿嬆K（CLB）含有 RAMbased LUTs（LookUp Tables） ，從而實(shí)現(xiàn)邏輯和存儲(chǔ)單元。CLB 可通過編程來實(shí)現(xiàn)廣泛多樣的邏輯功能，同樣也可儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。FPGA 中除了具有用 LUT 構(gòu)成的分布隨機(jī)存儲(chǔ)器之外，還有塊存儲(chǔ)器（Block SelectRAM Memories） 。塊存儲(chǔ)器是真正的雙端存儲(chǔ)器（True DualPort RAM） ，提供了高速的、分布式的、大塊的存儲(chǔ)資源，在 FPGA 里塊存儲(chǔ)器排成幾條縱隊(duì)，塊存儲(chǔ)器的總量是由器件型號(hào)決定的，這些塊存儲(chǔ)器級(jí)聯(lián)后可以構(gòu)成