基于SOPC的视频编解码IP核的设计

引言

SOPC是Altera公司提出的片上可编程系统解决方案，它将CPU、存储器、I/O接口、DSP模块以及锁相环的系统设计所必需的模块集成到一块FPGA上，构成一个可编程的片上系统，使设计的电路在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、上市周期、开发周期、产品维护以及硬件升级等多方面实现最优化。

目前在Altera SOPC">SOPC Builder下集成了包括UART、SPI、Ethernet、SDRAM、Flash、DMA等控制器的IP核。此外，用户也可以根据系统的需要自己设计或者购买第三方厂商的IP核，通过Avalon总线像搭积木一样方便地将其捆绑在系统上。IP核是经过功能验证的知识产权核，使用IP 核有以下优势：(1)提高设计性能；（2）降低产品开发成本；（3）缩短设计周期；（4）设计灵活性强；（5）仿真方便；（6）OpenCore Plus支持无风险应用。

当然本论文所说的IP核功能没有那么丰富，实际上就是一个功能验证正确的用户逻辑，和商业应用的IP核还有一定的差距。本文的主要工作就是通过硬件描述语言描述了视频信号的采集，分配，存储以及色度空间的转换等逻辑，并且验证了功能的正确性。

1 视频编解码Camera_show原理

嵌入式摄像控制系统除了必要的电源电路以外，还要包括存储电路、通信电路和下载电路等，所有的设备均与Avalon总线连接，这里主要介绍用户逻辑接口Camera_show，它完成了模拟视频数据转化成数字视频数据并在VGA上显示的功能，主要包括模拟视频信号的采集、分配（串并转换电路完成）、存储（存储控制逻辑和片上RAM完成）和色度空间转换。具体的功能框图如图1所示。

图1 用户逻辑Camera_show的原理框图

2 视频编解码IP核Camera_Show设计

视频编解码IP 核主要完成的功能包含视频信号的采集、分配、存储以及色度空间的转换。模拟视频信号经过ADV7181B后变成了符合ITU-R656的YUV数字信号，但是要对YUV信号进行处理必须将这三路信号分开并行处理，所以需要采集分配这三路信号，这是2.1的IP核需要实现的功能；由于模拟视频信号是隔行扫描的，但是CRT显示器是逐行扫描，如果不加处理那么必然会导致行错开，所以需要将数据进行存储，通过控制实现隔行变逐行，这是2.2的IP核需要实现的功能；最后经过处理的YUV三路数字信号，需要完成色度空间的转换变成RGB信号，这是2.3的IP核需要实现的功能。

2.1 YUV信号的采集、分配

在嵌入式摄像控制系统中，ADV7181主要承担着模拟摄像头的视频数据进行解码的任务，将CVBS的等模拟信号转化成ITU-R656标准的YUV信号。图2给出了ADV7181的功能框图。

图2 ADV7181功能框图

由图可以看到，对于输入的CVBS等模拟信号经过ADV7181B芯片转换后输出YUV信号，行同步信号HS，帧同步信号VS。这些就是需要的数字视频信号，也就解决了数字视频源的问题。图2给出了YUV信号的组成排列方式，"FF，00，00"作为AV信号的开始，所以需要构造一个检测电路。注意到SAV和EAV均是FF，00，00开头但是XY的值不一样。根据芯片资料，XY表示的是V，即有用信号与空白信号的分界点，如果V=0则表示的是SAV，否则是EAV 。XY是场信号的区分标志。0是奇场，1是偶场。

模拟信号的一行是1716个CLOCK，有用信号是1440个CLOCK，在信号采集和分配的过程中，仅需对有用信号进行采集，所以利用检测到SAV作为一个标志，启动信号的分配过程是非常有必要的。

由于YUV信号在模拟信号中是交织着的，所以需要一个信号选择电路。YUV一共是三路信号，设计一个计数器进行选择，计数是O和2时，是UV信号，计数是1和3时是Y信号，完成的实际上是串行信号转并行信号的过程。以上过程可以用图3的原理框图来表示。

图3 YUV信号的采集、分配原理图

在硬件描述语言中，完成上述过程还是比较简单的。例如检测电路，只要描述一个移位寄存器就可以了，具体代码如下：

其中的wire变量Y_check就是当检测到FF，00，00的时候就为1的标志。根据上文所述，区分SAV和EAV是根据XY来决定，区分奇偶场是根据XY来区分，所以只有随后的信号是SAV的时候，信号分配电路才有效，所以需要描述一段逻辑来判断，代码如下：

START信号就是开始信号采集、分配的标志，只有当TD_D=0也就是START= 1时信号分配电路才会工作。串转并电路代码如下：

以上代码完成了图3的功能，输入的信号名为TD_D，输出的三路信号是Cbb，YY，Crr。注意到还有个YPix_clock，实际上是27M的2分频，这个时钟非常有用，在下面将详细阐述。

2.2 YUV信号的存储

要将视频信号隔行变逐行，有2 种解决方法：

第1种：将一帧的数据存储下来，根据奇偶场的不同（区分可以根据XY)，在写周期的时候，因为奇场的行之间有偶场的信号，所以写数据的时候需要跳地址写，根据行同步信号（或者SAV也可以）来区分行，换行的时候地址要加额外的720（用来存放夹杂在奇场信号中的偶场信号），直到出现偶场信号（也就是XY=1）地址切换为初始基地址加720，其余的同奇行的处理方法，具体的地址分配表参照图4。

图4 地址分配表

在读周期只需要按照顺序读出就可以了，需要注意的是写时钟是13.5M，读时钟是27M，而且对于Y、U、V信号要进行分别存储。

第2种：将一行的数据存储下来，因为1716个时钟周期刚好等于VGA两行的时间，所以在这段时间里可以将7加个有效视频信号读取2遍，以奇行的信号去取代偶行的信号，达到隔行变逐行的目的。在实现上只要是两个RAM块进行乒乓操作就可以了，具体在后文阐述。

比较两种实现方法，方法1的优点在于图像没有失真，即奇偶行信号依旧相间在一起，方法2却不能做到这一点，而且方法1也可以通过乒乓方式提高运行的速度，但是由于读写时钟的不同步，每个存储空间应当读2遍。方法2也是读2遍，但是是每行读2遍，方法1是一帧数据读2遍。

方法1的缺点在于存储的数据量太大。一帧数据仅Y分量就是8bit*720*525=3024000bit=378KB，这个数据是不适合在SRAM中操作的，需要使用SDRAM，而操作SDRAM是比较复杂的，所以一般考虑使用方法2，因为它需要很小的空间，而且可以利用FPGA的片内资源就可以实现。当图像数据传输很快的时候，人眼基本上是分不清奇偶场信号的，所以方法2是可行的。在讲方法2之前，需要了解在流水线操作中经常使用的乒乓操作，这是可编程逻辑常用的设计思想和技巧。乒乓操作常常应用于数据流控制，典型的乒乓操作如图5所示。

图5 乒乓操作示意图

乒乓操作的处理流程描述如下：输入数据流通过"输入数据流选择单元"，等时地将数据流分配到两个数据缓冲模块。数据缓冲模块可以是任何存储模块，比较常用的存储单元是双口RAM ( DPRAM )，单口RAM ( SPRAM）和FIFO等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到"数据缓冲模块1"。在第2个缓冲周期，通过"输入数据流选择单元"的切换，将输入的数据流缓存到"数据缓冲模块2"，与此同时，将"数据缓冲模块1"缓存的第1个周期的数据通过"输出数据流选择单元"的选择，送到"数据流运算处理模块"被运算处理。在第3个缓冲周期，通过"输入数据流选择单元"的再次切换，将输入的数据流缓存到"数据缓冲模块1"，与此同时，将"数据缓冲模块2"缓存的第2个周期的数据通过"输出数据流选择单元"的选择，送到"数据流运算处理模块"被运算处理。如此循环，周而复始。

乒乓操作的最大特点是，通过"输入数据流选择单元"和"输出数据流选择单元"按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有时间停顿地送到"数据流运算处理模块"，被运算和处理。把乒乓看成一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓方式常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。

在FPGA里面，使用乒乓操作是面积与速度互换原则的一个体现。

方法2 可以这样实现：在FPGA内部使用Megacore，构造一个双口的RAM，双口RAM的输入输出信号的硬件描述语言定义如下：

使用的信号包括：数据信号data_a，dat_b；读写有效信号wren_a，wren_b；地址信号address_a，address_b；时钟信号clock_a，clock_b；输出数据信号q_a，q_b。可以看到所有的信号都是成对出现的，就是为了进行乒乓方式的数据传输。分成了两个RAM区域，A和B，相当于前面讲乒乓方式里的数据缓冲模块1和2。两个RAM块是交替着读写（由I_a和I_b决定），输出数据流也是由I决定。刚说到写时钟是13.5M，读时钟是27M，所以clock_a和clock_b必须是读写时钟切换着输入，而且地址的计数也不一样，写周期时候地址增加的时钟是13.5M，读周期地址增加的时钟是27M。所以每行的数据读了两遍，相当于隔行变逐行。图6在Qartus II下RAM的乒乓操作功能仿真图：

 
图6 RAM的乒乓操作仿真图 

RAM块进行乒乓方式操作信号的分配表如下：

最后输出的DATA信号进入下一级单元，即YUV到RGB的转换。

2.3 颜色-空间转换部分设计

为什么要有这个转换呢？因为不论是电视机还是CRT显示器，都是使用RGB三基色合成的方法来显示颜色。用RGB三基色来表示彩色的确很直观，但是如果把这种方法用作图像传输则绝不是一个好方法。主要是因为：

（1）与黑白图像不兼容；

（2）占用太多带宽；

（3）抗干扰能力差。

本系统图像传感器输出YCbCr信号，需要进行到RGB信号的转换，用于CRT显示。YCbCr到RGB按照下面公式进行转换：

R = 1.164 ( Y-16 ) + 1.596 ( Cr-128 )；

G = 1.164 ( Y-16 )- 0.813 ( Cr-128 ) - 0.392(Cb-128)；

B = 1.164 ( Y-16 ) + 2.017 ( Cb-128 )；

观察上面公式可以发现，转换均需要乘加运算，并且式子中用到了小数，所以必须要对系数进行放大。经过合理转化，公式如下：

R = (1/256) * ( 298*Y + 409*Cr - 57065 )；

G = (1/256) * ( 298*Y - 100*Cb - 208*Cr + 34718 )；

B = (1/256) * ( 298*Y + 516*Cb - 70861 )；

用Verilog HDL编写代码，实现YUV到RGB的转化。其中共包括3个模块跟1个仿真激励。在模块const_mult中，主要实现乘法运算，主要代码如下：

模块csc.v中，调用const_mult模块，通过参数传递改变参数IN_SIZE，OUT_SIZE，CST_MULT的值，然后实现加法运算。

以R = (1/256) * ( 298*Y + 409*Cr - 57065 )为例，主要代码如下：

用以实现G、B的代码与上面类似，在此不再赘述。以下代码实现R_full*1/256功能。

主模块yuv2rgb实现子模块的调用，用Modelsim进行了仿真。仿真波形如图7所示：

图7 YUV到RGB的转化仿真图

3 结论

本文设计了基于SOPC">SOPC的视频编解码控制器IP核，根据自顶向下的设计思想，将IP核进行层次功能划分，并对IP核的仿真验证，实现了视频信号的采集，分配，存储以及色度空间的转换。本IP核具有很好的移植性，可以方便的应用到以Nios II为核心的各种需要视频编解码控制器功能的嵌入式中。