帧率变换系统中运动场后处理算法研究与硬件实现

发布时间：2020-11-12 20:04

　　 随着数字显示技术和芯片技术的快速发展,主流的数字电视的刷新频率和图像分辨率越来越高,然而由于视频源固有拍摄频率低或传输带宽受限等原因很多视频的帧率较低,低帧率视频在高刷新频率的数字显示器上播放,容易产生重影、模糊等问题,因此研究高效的硬件可实现的帧率上变换技术十分重要。本文主要研究帧率上变换中矢量场后处理的硬件可实现算法与相关硬件电路。由于三维递归搜索的低运算复杂度和高收敛性等易于硬件实现的特点,本文矢量后处理算法以三维递归搜索为前提,对矢量进行取精细化和平滑等操作,从而提高内插帧的质量。为了提高运动矢量的准确性和运动矢量场的空间分辨率,本文结合空间相关性,采用了高效的矢量取精算法;为了提高矢量场的平滑度,减少视频的块效应,本文设计了与位置相关的平滑算法;本文采用鲁棒性较高的中值插值算法,改善运动估计不准确带来的影响;在内插多帧中,结合运动物体的空间相关性及几何特性,根据插帧时刻对矢量进行缩放,避免进行多次运动估计,降低算法复杂度。矢量后处理的硬件实现是本文研究的重点方向,本文的硬件实现主要是在基于三维递归搜索算法的整体硬件框架下进行的。首先,本文给出了帧率上变换系统的硬件框架。然后,本文对矢量处理和插值两大模块进行分析和设计。在矢量处理模块中,结合系统流水线设计,通过数据复用和状态机操作等设计,使用了较少的硬件资源,利用高速的片上缓存实现了矢量取精细化和平滑功能。在插值模块中,结合多帧内插的系统要求,通过并行计算、模块分时复用及流水线等技术,克服了超高清帧率上变换中内插数据量大的难题,实现了高效的插值计算和大数据量的读写。最后本文使用Verilog进行模块设计,结合C++编写的软件模型进行测试,在Cadence软件平台上对设计进行功能验证和综合。结果表明,本设计的最高工作频率可以达到300MHz,并且在65nm CMOS工艺下矢量处理模块和插值模块的面积分别为0.45mm2和1.12mm2。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN949.197
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 论文研究的目的和意义
    1.3 论文的主要内容及组织结构
第二章 帧率上变换综述
    2.1 帧率上变换算法简介
    2.2 非运动补偿类算法
        2.2.1 帧重复算法
        2.2.2 帧平均算法
    2.3 运动补偿类算法
    2.4 运动估计
        2.4.1 块匹配的匹配函数
        2.4.2 块匹配的搜索策略
        2.4.3 三维递归搜索原理
    2.5 运动补偿
    2.6 图像质量评价准则
        2.6.1 主观评价标准
        2.6.2 客观评价标准
    2.7 帧率上变换系统的硬件框架
    2.8 本章小结
第三章 矢量处理算法研究与实现
    3.1 矢量后处理算法简介
    3.2 硬件可实现的矢量处理算法
        3.2.1 本文运动估计简介
        3.2.2 矢量取精处理
        3.2.3 矢量平滑处理
    3.3 矢量处理模块硬件框架及外围结构
        3.3.1 矢量处理模块及缓存设计分析
        3.3.2 块组处理顺序及流水线结构
    3.4 矢量缓存模块
        3.4.1 矢量缓存模块硬件架构
        3.4.2 数据流及数据存储格式
        3.4.3 片上RAM缓存设计
        3.4.4 矢量读写控制
        3.4.5 读写地址计算
    3.5 矢量平滑模块
        3.5.1 矢量平滑模块硬件架构
        3.5.2 平滑计算的多级流水设计
        3.5.3 数据缓存设计
    3.6 本章小结
第四章 帧率上变换系统的插值模块设计与实现
    4.1 运动补偿算法简介
        4.1.1 内插帧计算方法
        4.1.2 重叠块运动补偿
    4.2 硬件可实现算法
        4.2.1 内插帧像素的计算
        4.2.2 内插多帧
    4.3 插值模块硬件方案
        4.3.1 插值模块的硬件功能分析
        4.3.2 插值模块的硬件架构设计
    4.4 插值计算模块
        4.4.1 插值计算电路
        4.4.2 插值计算并行分析及模块复用
    4.5 数据缓存设计
        4.5.1 输入缓存数据复用
        4.5.2 数据突发写缓存
    4.6 本章小结
第五章 矢量后处理模块的仿真验证与综合
    5.1 矢量后处理硬件整体开发流程
    5.2 功能验证
        5.2.1 验证系统简介
        5.2.2 关键对比信号设计
        5.2.3 测试向量的生成
        5.2.4 仿真验证结果
    5.3 模块覆盖率
    5.5 综合结果
    5.6 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
附录缩略语
致谢
攻读硕士学位期间已发表或者录用的论文

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本文编号：2881183