基于FPGA的圖像翻轉(zhuǎn)技術(shù)

吳瓊

摘要

近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，可編程邏輯陣列FPGA在當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)，可編程邏輯陣列對數(shù)據(jù)并行處理，在片上操作系統(tǒng)和圖像處理方面有很大優(yōu)勢，鑒于此，本文論述基于FPGA的圖像翻轉(zhuǎn)技術(shù)。本論文論述了在液晶顯示器設(shè)計(jì)研發(fā)過程中用FPGA結(jié)合SRAM實(shí)現(xiàn)圖像翻轉(zhuǎn)的功能，考慮到實(shí)現(xiàn)成本及圖像分辨率的多樣性，我們使用RAM組對圖像翻轉(zhuǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過程中考慮RAM的選取、硬件原理設(shè)計(jì)及FPGA對多RAM的控制等，圖像翻轉(zhuǎn)后畫面顯示清晰無干擾，且該技術(shù)可用于任意分辨率圖像的翻轉(zhuǎn)。

【關(guān)鍵詞】FPGA 圖像翻轉(zhuǎn) SRAM

多功能液晶顯示器設(shè)計(jì)研發(fā)過程中對液晶顯示模塊的選擇會(huì)受限于貨架模塊己有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除此之外，正常情況下，液晶顯示模塊的起始點(diǎn)（0，0）位于模塊左上角，在選擇液晶顯示模塊時(shí)難免會(huì)遇到光學(xué)指標(biāo)符合要求但結(jié)構(gòu)安裝翻轉(zhuǎn)180°的情況，亦或是液晶顯示模塊的起始點(diǎn)（0，0）位于模塊右下角的情況，如此，我們在圖像顯示處理過程中需對其翻轉(zhuǎn)180°，通過FPGA操作SRAM對像素的存取，使其在畫面顯示時(shí)正立不變形，符合人眼正常視角觀察習(xí)慣。而視頻翻轉(zhuǎn)由FPGA結(jié)合SRAM實(shí)現(xiàn)。

1 RAM選取

一般RAM的選取需考慮兩方面的因素——存儲(chǔ)容量和操作響應(yīng)速度。

由于成本因素和國外禁運(yùn)等因素，目前市場上使用較多的SRAM為Cypress公司產(chǎn)品，己CY7C1061為例，該SRAM為1M（地址空間）×l6位的靜態(tài)RAM，也就是說每片RAM可存放1024×1024個(gè)16位數(shù)據(jù)。

圖像翻轉(zhuǎn)的前提是需將一幀完整的圖像存放于存儲(chǔ)器中并通過算法將像素逆序取出并顯示，因此先考慮像素完整存放的問題。

現(xiàn)常用的較為簡單的圖像分辨率為1024×768@60Hz，若顏色位數(shù)R：G：B=6：6：6時(shí)，我們可權(quán)衡舍掉紅色和藍(lán)色最低位變?yōu)镽：G：B=5：6：5，這樣一個(gè)像素的顏色可由16位數(shù)據(jù)表示，存放于SRAM的一個(gè)地址中。一幀畫面中有效的1024×768個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)可存放于1024×768個(gè)地址當(dāng)中，其中行地址由十位地址位組成，分別指示0?1023行，我們需要用到的僅0?767行，列地址也由十位地址位組成，分別指示0?1023列。因此，該RAM一片可實(shí)現(xiàn)1024×768像素R：G：B=5：6：5圖像存儲(chǔ)需求。

若每色灰度級要求為256級，即R：G：B=8：8：8時(shí)，每個(gè)像素的24位數(shù)據(jù)需存放于兩片RAM的同一地址中。這樣需要在原有基礎(chǔ)上對RAM進(jìn)行擴(kuò)展，變?yōu)?M×32位容量，將24位數(shù)據(jù)完整存放，保證圖像不失真。

而在操作速度方面，要將每一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存取，RAM的響應(yīng)速度不得低于圖像像素時(shí)鐘頻率，即點(diǎn)頻。根據(jù)VISA標(biāo)準(zhǔn)，對于1024×768@60Hz的圖像顯示而言，像素點(diǎn)頻約為65MHz，因此FPGA對像素?cái)?shù)據(jù)的存取速度以及RAM的響應(yīng)速度均需大于65MHz。一般情況下，目前常用的FPGA的操作速度均在400MHz以上，完全可以滿足要求，而SRAM的響應(yīng)速度需小于1/（65×106），約15ns。

2 硬件設(shè)計(jì)

以1600×1200@60Hz，R：G：B=5：6：5圖像為例，以雙像素模式進(jìn)行顯示，奇偶場有效像素分別為800×1200，在視頻翻轉(zhuǎn)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，存放一場奇像素或偶像素需要兩片RAM，800×1024像素的16位顏色用一片，超出1024行像素的16位顏色需另外一片RAM予以存放，這樣便于FPGA的操作。為保證圖像刷新率不變，圖像顯示流暢，F(xiàn)PGA對SRAM采用“乒乓”操作，即場同步信號（VS）分頻，將圖像按幀輪流存放于兩組RAM中，向一組寫入時(shí)從另一組讀取顯示，原理圖如圖1，這樣顯示的圖像與源相比僅推遲一幀的速度，即16ms。

為避免FPGA對RAM的操作沖突，F(xiàn)PGA對各組RAM的地址線、數(shù)據(jù)線以及控制線不進(jìn)行復(fù)用，數(shù)據(jù)線為圖像顏色數(shù)據(jù)，地址線為RAM的A0?A19共20位地址，控制線包括該RAM的使能信號/CE1、CE2，讀寫控制信號/OE、/WE，以及高八位數(shù)據(jù)和低八位數(shù)據(jù)的使能控制線/BHE、/BLE。由于RAM—直被FPGA進(jìn)行讀寫操作，其中數(shù)據(jù)的使能控制線可在原理設(shè)計(jì)時(shí)直接接低，其余控制線可接至FPGA的IO引腳。

3 FPGA的程序?qū)崿F(xiàn)

首先對場信號（VS）計(jì)數(shù)分頻，當(dāng)分頻信號為高時(shí)，對一組RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存放從另一組RAM組進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，存放數(shù)據(jù)的地址由行頻計(jì)數(shù)和點(diǎn)頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)組成，在圖像使能（DE）有效時(shí)開始計(jì)數(shù)，行頻計(jì)數(shù)和點(diǎn)頻計(jì)數(shù)器分別定義為11位邏輯矢量和10位邏輯矢量，滿足每行800個(gè)像素和1200行的數(shù)據(jù)要求，當(dāng)行計(jì)數(shù)超過1024時(shí)，地址計(jì)數(shù)自動(dòng)溢出，此時(shí)可開啟下一片RAM的片選，將超出1024地址的部分存入同組第二片RAM當(dāng)中。由此可將一幀的圖像完整的存儲(chǔ)在RAM組當(dāng)中。因此行計(jì)數(shù)的最高位可控制一組RAM組中兩片RAM的使能信號/CE1、CE2。

從另一組RAM中取出數(shù)據(jù)顯示時(shí)，地址尋址與存儲(chǔ)時(shí)相反，用每行像素總數(shù)800減去當(dāng)前點(diǎn)頻計(jì)數(shù)為需要操作的列地址，用總行數(shù)1200減去當(dāng)前行頻計(jì)數(shù)為需要操作的行地址，由這兩個(gè)地址組合而成的20位地址邏輯矢量為當(dāng)前要操作的RAM地址。用上述方式可將圖像信號翻轉(zhuǎn)180°，滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李洪革.FPGA/ASIC高性能數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：1.