摘要 研究了一種采用FPGA" title="FPGA">FPGA將高清數字電視信號轉換為標清數字電視信號的方法，利用重采樣" title="重采樣">重采樣等技術降低了圖像中每行的有效像素和垂直行，完成了HD-SDI" title="HD-SDI">HD-SDI到SD-SDI的下變換。設計實現簡單，目前已運用于實際工程當中。
關鍵詞 FGPA；HD-SDI；下變換；重采樣
隨著我國數字廣播電視技術的日趨成熟，電視臺采用高清數字串行信號(HD-SDI)下變換系統，目前大多數下變換采用ASIC進行高清數字電視信號下變換，成本較高且系統的硬件電路設計復雜、移植性差、不容易升級。而利用FPGA開發，就可以體現出周期短、成本低、集成度和可移植性好，可隨時更改程序以適應電視制式標準的變更等優點，本文提出了一種基于FPGA采用重采樣技術的HD-SDI到SD-SDI的下變換實現方法。
1 HD-SDI與SD-SDI的區別
根據ITU-R BT．709-3標準，我國SDI的高清演播室電視信號接口標準規定為1125／50掃描標準，水平、垂直有效像素為1 920×1 080，4：2：2編碼格式，亮度信號Y的抽樣頻率為74．25 MHz，兩個色差信號Cb／Cr的抽樣頻率為37．125 MHz，采用10 bit量化，Y與Cb／Cr信號分成兩個通道傳輸，每個通道并行數據傳輸率74．25 MB·s-1；根據ITU-R BT．656標準，我國標清演播室信號接口規定為625／50掃描標準，水平、垂直有效像素為720×576，4：2：2編碼格式，亮度信號Y的抽樣頻率為13．5 MHz，兩個色差信號Cb／Cr的抽樣頻率為6．75MHz，采用10 bit量化，時分復用Y，Cb／Cr一個通道傳輸，并行數據傳輸率27 MB·s-1。
2 HD-SDI下變換的系統描述
高清數字電視信號下變換的主要原理是一幀圖像中水平行與垂直像素點的減少。文中的研究主要是以FPGA為核心，HD-SDI信號以并行的形式輸入FPGA，在FPGA中進行視頻信號重采樣算法、所取字RAM控制和YC復合處理、SD-SDI的并行信號格式的重構等處理，從而完成HD- SDI的下變換。FPGA中對信號的整個處理過程用Verilog HDL語言來編程實現，FPGA中的各主要處理模塊的流程圖，如圖1所示。
2．1 重采樣處理
由下變換原理可知，從HD分量信號獲得低分辨率的SD分量信號，可分別在垂直方向和水平方向上的有效視頻區去抽取有效像素點來實現圖像格式的轉換。考慮到二維空間的數據計算量和復雜性，常用兩個一維濾波器實現二維空間的轉換，即先在垂直方向上抽值，然后再在水平方向上抽值，這樣減少計算復雜性，提高運算速度。抽出的值可以是相鄰幾個樣點去抽一個。
圖像下變換時，通過抽取濾波器抽取原有信號的取樣點值，增大采樣的點空間距離，降低每行的有效像素和垂直行。高清1 920×1 080格式下變換為標清720×576格式，由于高清信號的水平與垂直分解力不是標清信號4：2：2編碼的整數倍，所以本文主要通過以下兩個計算式抽取像素點來實現
有效行處理原理：由視頻分量信號的特性，先找到一幀視頻信號的有效行，然后按式(2)在高清一幀共1 080條有效行中按每15行取8行循環抽取，從而得到標清所要求的576行的有效行。
有效垂直像素點處理原理：找到一行數據中的有效圖像像素點，然后按式(1)在高清一行1 920個有效像素點中按照16個點取6個點循環抽取，從而得到標清所要求的720個有效像素點。有效行處理與有效垂直像素點處理程序流程圖，如圖2所示。
有效行處理與有效垂直像素點處理的邏輯分析儀實時采樣圖如圖3所示。由圖3可以看出，C_rg4為C_in的4個寄存器延時，行計數line_e- nt=21可以看出此圖采樣是的高清分量視頻有效視頻21行的數據，在檢測到有效視頻行起始SAV后對有效像素點進行計數(計數值為Pix_ent)，然后針對Pix_ent進行抽取處理得到標清分量信號所需要的像素點通過Y_out和C_out輸出。
2．2 所取字RAM控制和YC復合處理
所取字RAM控制主要是對有效行所取Y、C字的存取RAM進行控制的模塊。有效行所取字RAM模塊用來完成所取的像素緩存和時鐘的轉換與匹配，由圖1可以看出，首先把重采樣針對高清信號行所取的構造標清信號所要有效像素點存進有效行所取字的RAM，同時把重采樣模塊輸出的存720個有效像素點時間長度控制使能en信號給所取字RAM控制模塊。所取字RAM控制模塊主要是給讀地址、讀使能與讀時鐘27 MHz去讀取所取Y、C字RAM中的有效像素點送給YC復合模塊。YC復合模塊主要作用是把所得的色度信號Y與色差信號C兩個通道的數據合成一個通道的時分復用Y／C數據，其處理方式是根據輸入的有效像素的時間長度使能eno，用54 MHz的時鐘去讀取27 MHz的Y和C數據，從而完成時分復合，再送給YC緩存RAM存下數據。其YC復合處理圖如4所示。
YC緩存RAM作用主要是緩存幾行標清所要的有效像素數據。由于高清視頻信號一幀圖像中，其開始的場消隱時間比標清視頻信號短，而有效行數據的出現就比標清視頻快，為了不讓一幀圖像的有效信息丟失，使用了RAM去緩存了幾行的有效數據。除此以外，YC緩存RAM模塊也起到了時鐘轉換與匹配的作用，把54 MHz的數據轉換為27 MHz的數據輸出給標清視頻構造模塊。
2．3 標清SDI并行信號構造處理
標清SDI并行構造模塊主要是提取標清圖像所要的標清像素點的YC數據，并把數據構造成滿足標清SDI并行分量信號所要求的格式輸出。其處理過程是根據傳輸標清數據所要的27 MHz時鐘來構造標清分量信號中的視頻定時基準碼(有效視頻開始SAV和有效視頻結束EAV)、行消隱數據、場消隱數據。處理過程的流程圖，如圖5所示。
標清SDI并行信號構造處理的邏輯分析儀實時采樣圖如圖6所示。由圖6可以看出Y_in和C_in為高清視頻輸入的并行數據經下變換處理后變成標清視視頻并行數據q1(3FF、000、000、200為第一場有效視頻的起始SAV，154 h和131 h為有效像素點)。圖中line=24為標視頻的第一場中的有效行，data_in為標清構造模塊從YC緩存RAM由相應讀地址addre獲得的有效像素的數據。
3 驗證
本設計通過基于Altera CycloneⅢ系列FPGA芯片EP3C25Q240實驗平臺的驗證。整個實驗驗證平臺結構如圖7所示，視頻信號處理流程簡要如下：我國高清標準HD- SDI信號經過串并轉換芯片變成符合文中設計所要的10 bit的Y分量和10 bit的C分量，高清分量信號進入FPGA進行下變換處理后變成10 bit的時分復用YC的標清視頻分量信號，標清視頻分量信號再串化為SD-SDI信號送給視頻DA板變成普通模擬CVBS視頻信號給電視機顯示。通過 QuanusⅡ自帶的嵌入式邏輯分析儀觀察FPGA中的處理數據，數據符合要求，CVBS視頻信號送給電視機顯示，圖像滿屏顯示，比較清晰且無抖動。
4 結束語
本設計是針對演播室內的HD-SDI信號進行的下變換，直接對圖像信號中的有效像素進行處理，將1 920×1 080(HDTV)視頻SDI流轉換為720×576(SDTV)視頻SDI流，經過上述驗證得出：此下變換設計沒有丟失圖像信號，只是降低了圖像清晰度，且實現簡單，成本較小，易于在工程中實現。對于規模較小的地方數字電視臺實現了高清節目共享，合理地利用了信道資源，節約了擴建高清設備的成本。
