隨著數(shù)字顯示技術(shù)和芯片技術(shù)的快速發(fā)展,主流的數(shù)字電視的刷新頻率和圖像分辨率越來越高,然而由于視頻源固有拍攝頻率低或傳輸帶寬受限等原因很多視頻的幀率較低,低幀率視頻在高刷新頻率的數(shù)字顯示器上播放,容易產(chǎn)生重影、模糊等問題,因此研究高效的硬件可實現(xiàn)的幀率上變換技術(shù)十分重要。本文主要研究幀率上變換中矢量場后處理的硬件可實現(xiàn)算法與相關(guān)硬件電路。由于三維遞歸搜索的低運算復(fù)雜度和高收斂性等易于硬件實現(xiàn)的特點,本文矢量后處理算法以三維遞歸搜索為前提,對矢量進(jìn)行取精細(xì)化和平滑等操作,從而提高內(nèi)插幀的質(zhì)量。為了提高運動矢量的準(zhǔn)確性和運動矢量場的空間分辨率,本文結(jié)合空間相關(guān)性,采用了高效的矢量取精算法;為了提高矢量場的平滑度,減少視頻的塊效應(yīng),本文設(shè)計了與位置相關(guān)的平滑算法;本文采用魯棒性較高的中值插值算法,改善運動估計不準(zhǔn)確帶來的影響;在內(nèi)插多幀中,結(jié)合運動物體的空間相關(guān)性及幾何特性,根據(jù)插幀時刻對矢量進(jìn)行縮放,避免進(jìn)行多次運動估計,降低算法復(fù)雜度。矢量后處理的硬件實現(xiàn)是本文研究的重點方向,本文的硬件實現(xiàn)主要是在基于三維遞歸搜索算法的整體硬件框架下進(jìn)行的。首先,本文給出了幀率上變換系統(tǒng)的硬件框架。然后,本文對矢量處理和插值兩大模塊進(jìn)行分析和設(shè)計。在矢量處理模塊中,結(jié)合系統(tǒng)流水線設(shè)計,通過數(shù)據(jù)復(fù)用和狀態(tài)機(jī)操作等設(shè)計,使用了較少的硬件資源,利用高速的片上緩存實現(xiàn)了矢量取精細(xì)化和平滑功能。在插值模塊中,結(jié)合多幀內(nèi)插的系統(tǒng)要求,通過并行計算、模塊分時復(fù)用及流水線等技術(shù),克服了超高清幀率上變換中內(nèi)插數(shù)據(jù)量大的難題,實現(xiàn)了高效的插值計算和大數(shù)據(jù)量的讀寫。最后本文使用Verilog進(jìn)行模塊設(shè)計,結(jié)合C++編寫的軟件模型進(jìn)行測試,在Cadence軟件平臺上對設(shè)計進(jìn)行功能驗證和綜合。結(jié)果表明,本設(shè)計的最高工作頻率可以達(dá)到300MHz,并且在65nm CMOS工藝下矢量處理模塊和插值模塊的面積分別為0.45mm2和1.12mm2。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN949.197
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 論文研究的目的和意義
    1.3 論文的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)
第二章 幀率上變換綜述
    2.1 幀率上變換算法簡介
    2.2 非運動補(bǔ)償類算法
        2.2.1 幀重復(fù)算法
        2.2.2 幀平均算法
    2.3 運動補(bǔ)償類算法
    2.4 運動估計
        2.4.1 塊匹配的匹配函數(shù)
        2.4.2 塊匹配的搜索策略
        2.4.3 三維遞歸搜索原理
    2.5 運動補(bǔ)償
    2.6 圖像質(zhì)量評價準(zhǔn)則
        2.6.1 主觀評價標(biāo)準(zhǔn)
        2.6.2 客觀評價標(biāo)準(zhǔn)
    2.7 幀率上變換系統(tǒng)的硬件框架
    2.8 本章小結(jié)
第三章 矢量處理算法研究與實現(xiàn)
    3.1 矢量后處理算法簡介
    3.2 硬件可實現(xiàn)的矢量處理算法
        3.2.1 本文運動估計簡介
        3.2.2 矢量取精處理
        3.2.3 矢量平滑處理
    3.3 矢量處理模塊硬件框架及外圍結(jié)構(gòu)
        3.3.1 矢量處理模塊及緩存設(shè)計分析
        3.3.2 塊組處理順序及流水線結(jié)構(gòu)
    3.4 矢量緩存模塊
        3.4.1 矢量緩存模塊硬件架構(gòu)
        3.4.2 數(shù)據(jù)流及數(shù)據(jù)存儲格式
        3.4.3 片上RAM緩存設(shè)計
        3.4.4 矢量讀寫控制
        3.4.5 讀寫地址計算
    3.5 矢量平滑模塊
        3.5.1 矢量平滑模塊硬件架構(gòu)
        3.5.2 平滑計算的多級流水設(shè)計
        3.5.3 數(shù)據(jù)緩存設(shè)計
    3.6 本章小結(jié)
第四章 幀率上變換系統(tǒng)的插值模塊設(shè)計與實現(xiàn)
    4.1 運動補(bǔ)償算法簡介
        4.1.1 內(nèi)插幀計算方法
        4.1.2 重疊塊運動補(bǔ)償
    4.2 硬件可實現(xiàn)算法
        4.2.1 內(nèi)插幀像素的計算
        4.2.2 內(nèi)插多幀
    4.3 插值模塊硬件方案
        4.3.1 插值模塊的硬件功能分析
        4.3.2 插值模塊的硬件架構(gòu)設(shè)計
    4.4 插值計算模塊
        4.4.1 插值計算電路
        4.4.2 插值計算并行分析及模塊復(fù)用
    4.5 數(shù)據(jù)緩存設(shè)計
        4.5.1 輸入緩存數(shù)據(jù)復(fù)用
        4.5.2 數(shù)據(jù)突發(fā)寫緩存
    4.6 本章小結(jié)
第五章 矢量后處理模塊的仿真驗證與綜合
    5.1 矢量后處理硬件整體開發(fā)流程
    5.2 功能驗證
        5.2.1 驗證系統(tǒng)簡介
        5.2.2 關(guān)鍵對比信號設(shè)計
        5.2.3 測試向量的生成
        5.2.4 仿真驗證結(jié)果
    5.3 模塊覆蓋率
    5.5 綜合結(jié)果
    5.6 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
附錄縮略語
致謝
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