視頻圖像疊加融合技術(shù)可以將兩路視頻圖像信號進(jìn)行疊加融合并輸出到一臺顯示器上進(jìn)行顯示。兩路視頻圖像信號中，一路作為被疊加信號（即背景），另一路作為疊加信號（即前景），在背景視頻圖象中可以融入前景視頻圖象并在同一終端上顯示。這項(xiàng)技術(shù)在電視系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣告娛樂、交通管理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)生產(chǎn)視頻疊加器的有北京彩訊、上海大視等廠家，主要是采用視頻矩陣、畫面分割器實(shí)現(xiàn)，大多采用專用的視頻疊加芯片設(shè)計(jì)而成，其靈活性較差，成本高[1-3]。

    本設(shè)計(jì)在以FPGA為主控芯片的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)視頻圖像的縮放與疊加融合功能，可實(shí)現(xiàn)兩路任意分辨率輸入視頻疊加，并能擴(kuò)展成多路疊加，通過縮放算法對每一路進(jìn)行放大或縮小，進(jìn)而調(diào)整前景在背景中的比例；還可通過更改參數(shù)，調(diào)節(jié)前景在背景中的位置。該方案實(shí)時性好，處理速度快，靈活性較高。

    視頻圖像疊加融合信號流程如圖1所示。本設(shè)計(jì)中兩路視頻圖像信源的分辨率可根據(jù)需求任意選定。其中一路為背景視頻圖像信號源，另外一路為前景視頻圖像信號源，分別將兩路信號源通過雙線性插值縮放算法進(jìn)行處理，根據(jù)需要對前景和背景視頻圖像的大小進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放，最后將兩路視頻信號進(jìn)行疊加融合處理并輸出[4-5]。
    根據(jù)方案的信號流程圖可知，兩路信源信號為并行處理，適用采用FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[6]。
    疊加效果圖如圖2所示。其中圖2(a)為前景視頻圖像，原始分辨率為640×480；圖2(b)為背景視頻圖像，原始分辨率是800×600。通過Matlab對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，背景縮放1 024×768，占滿輸出屏幕，前景縮放為320×240，并規(guī)定其在左上角疊加，如圖2(c)所示。

2 視頻疊加融合的硬件實(shí)現(xiàn)
    視頻疊加融合系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，系統(tǒng)主要由DVI接口、編碼模塊、解碼模塊、DDR2存儲模塊和FPGA控制模塊等幾個主要部分組成，其中解碼和編碼分別采用Silicon Image和Chrontel公司的專用芯片實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)過程如下[7]：

    (1)將輸入的兩路視頻信號通過解碼電路轉(zhuǎn)碼成VESA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號，并將其送至FPGA內(nèi)部。
    (2)由于不同分辨率之間存在幀不同步，為了實(shí)現(xiàn)任意比例縮放，達(dá)到任意分辨率疊加融合的效果，需要將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行外部存儲以解決幀不同步的問題[8-9]。
    (3)根據(jù)需要將前景視頻圖像和背景視頻圖像進(jìn)行適當(dāng)比例的放大和縮小，本系統(tǒng)采用雙線性插值縮放算法進(jìn)行任意比例縮放處理[10-11]。
    (4)以高分辨率視頻圖像的像素時鐘為觸發(fā)時鐘對兩路縮放后圖像進(jìn)行疊加融合處理，并由FPGA產(chǎn)生VESA標(biāo)準(zhǔn)時序，驅(qū)動液晶顯示器顯示[12]。
    (5)將疊加融合好的視頻信號進(jìn)行編碼并通過DVI接口輸出到顯示終端上，獲得視頻圖像疊加融合的效果[13]。
    FPGA內(nèi)部工作流程如圖4所示。首先通過I2C總線對外圍的編碼、解碼芯片進(jìn)行配置；其次控制MCB(Memory Controller Block)，使DDR2正常進(jìn)行數(shù)據(jù)存??；然后縮放核從DDR2中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放；最后將兩個縮放核輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加融合并顯示在終端上[14]。設(shè)計(jì)中最主要的延遲來自于DDR2緩存模塊，需要預(yù)先將視頻圖像緩存為一幀，然后再進(jìn)行后續(xù)處理。此模塊引進(jìn)了一幀的延遲(1/60 s)，其他模塊的延遲極小，可以忽略不計(jì)，總體延遲大約幾十毫秒，具有良好的實(shí)時性。

3 仿真與驗(yàn)證
    本設(shè)計(jì)選用的主控芯片F(xiàn)PGA為Xilinx公司的Spartan 6系列，型號為XC6SLX100-2FGG767。在ISE13.4開發(fā)平臺上運(yùn)用VerilogHDL對各邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，解碼芯片型號為SIL1161，編碼芯片的型號為CH7301，存儲器DDR2型號為MT47H32M16-25E，測試顯示器采用的是AOC 173P。
    經(jīng)驗(yàn)證得本設(shè)計(jì)占用FPGA內(nèi)部主要邏輯資源情況如表1所示，支持的像素時鐘頻率高達(dá)108 MHz，對應(yīng)分辨率為1 280×1 024。圖5為在設(shè)計(jì)過程中通過ISE自帶仿真工具ISIM進(jìn)行仿真得到的顯示器的驅(qū)動時序和融合控制信號以及數(shù)據(jù)的仿真圖。
    圖6為拍攝的實(shí)物效果圖。圖6(a)分辨率為1 024×768，是前景視頻圖像分辨率縮小到320×240、背景視頻圖像分辨率放大到1 024×768后在左上角進(jìn)行疊加融合后的畫面，結(jié)果與第二節(jié)中仿真結(jié)果完全相同；圖6(b)分辨率為1 280×1 024，相對于圖6(a)，疊加位置和大小比例均改變。通過效果圖可知，本設(shè)計(jì)方案測試效果良好，雖然畫面高頻分量有所損失，但是在視覺可接受范圍內(nèi)，適合于工程應(yīng)用。

    本文主要介紹了基于FPGA的視頻圖像縮放與疊加融合技術(shù)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)，通過Matlab對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論仿真，并在FPGA上對該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案在縮放算法的輔助下，實(shí)現(xiàn)了兩路視頻圖像任意分辨率、任意位置的疊加融合，顯示效果良好。盡管由于雙線性插值縮放算法處理導(dǎo)致邊緣稍有模糊，但仍滿足視覺需求，適合于工程應(yīng)用。該設(shè)計(jì)為后續(xù)的高速視頻信號處理(如大屏拼接、融合等)提供了必要的預(yù)處理裝置。
參考文獻(xiàn)
[1] 李炯昊.基于FPGA的圖像增強(qiáng)及畫中畫顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2011.
[2] 宋承杰，王景存.基于FPGA的視頻字符疊加的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2009，33(12)：24-27.
[3] 趙艷軍，何其銳，施錫濤.基于DVI和FPGA的視頻疊加器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(6)：31-34.
[4] 孫紅進(jìn).FPGA實(shí)現(xiàn)的視頻圖像縮放顯示[J].液晶與顯示，2010，25(1)：130-133.
[5] BATTIATO S，GALLO G，STANCO F.A locally adaptive zooming algorithm for digital images[J].Image and Vision Computing，2002，20(11)：805-812.
[6] 池水明.FPGA在實(shí)時圖像預(yù)處理中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2007，(5)：17-18.
[7] 張亞平,賀占莊.基于FPGA的VGA顯示模塊設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007，17(6)：242-245.
[8] 張東.基于FPGA與DDR2 SDRAM的高速實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.
[9] 徐欣，周舟，李楠，等.基于DDR2 SDRAM的高速大容量異步FIFO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國測試，2009，35(6)：34-37.
[10] 嚴(yán)利民，田鋒，顧裕燦.圖像縮放算法的研究及FPGA實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2012(7)：1-4.
[11] 王蕾.基于FPGA的視頻圖像放大處理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.
[12] 蔡希昌，翟林陪，周九飛，等.基于FPGA的非XGA標(biāo)準(zhǔn)圖像顯示控制器的設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2008，23(3)：301-306.
[13] 李飛，劉晶紅，李剛，等.基于FPGA的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)輸出視頻DVI顯示[J].激光與紅外，2012，41(11)：1258-1262.
[14] 易湖.數(shù)字視頻處理的FPGA實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.