FPGA數(shù)字圖像顯示原理與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

01

視頻圖像接口概述

視頻圖像經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已形成了一系列的規(guī)范，以VGA和HDMI為主的視頻圖像接口協(xié)議也得到定義與推廣。盡管DP、DVI、Type-C等圖像接口技術(shù)近年來(lái)得到了推廣與應(yīng)用，且VGA傳輸性能發(fā)展逐漸落后于時(shí)代，但作為顯示器和顯卡等設(shè)備的通用顯示接口，VGA和HDMI仍是當(dāng)前主流的視頻圖像接口技術(shù)。

1.1 VGA視頻接口

視頻圖形陣列(VGA，Video Graphics Array)，也可稱作D-Sub，是IBM于1987年提出的一個(gè)使用模擬信號(hào)的電腦顯示標(biāo)準(zhǔn)，因此VGA傳輸信號(hào)為模擬信號(hào)，并且只能傳輸視頻信號(hào)，不能傳輸音頻信號(hào)。

VGA接口共有15針，分成3排，每排5個(gè)孔，是顯卡上應(yīng)用最為廣泛的接口類型，絕大多數(shù)顯卡都帶有此種接口。它傳輸紅、綠、藍(lán)模擬信號(hào)以及同步信號(hào)(水平和垂直信號(hào))。

VGA各針腳定義如下：

VGA支持在640×480的較高分辨率下同時(shí)顯示16種色彩或256種灰度，同時(shí)在320×240分辨率下可以同時(shí)顯示256種顏色。使用VGA連接設(shè)備時(shí)，線纜長(zhǎng)度通常不超過(guò)10米，而且要注意接頭是否安裝牢固，否則可能引起圖像中出現(xiàn)虛影。

1.2 HDMI視頻接口

高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，是適合影像傳輸?shù)膶Ｓ眯蛿?shù)字化接口，HDMI可同時(shí)傳送音頻和影音信號(hào)，且在信號(hào)傳送前無(wú)需進(jìn)行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換，是當(dāng)前視音頻主選接口。

HDMI自2002年提出以來(lái)，已發(fā)展到HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)能夠支持4K 120Hz、8K 60Hz以及高動(dòng)態(tài)范圍成像(HDR)，能夠針對(duì)場(chǎng)景或幀數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并向后兼容HDMI 2.0和HDMI 1.4，其中HDMI 1.4最高數(shù)據(jù)傳輸速度為10.2Gbps，HDMI 2.0最高數(shù)據(jù)傳輸速度為18Gbps。

HDMI在物理接口上主要包括以下幾種類型：標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口、mini HDMI接口和Micro HDMI接口。長(zhǎng)距離傳輸通常線材較硬 ，采用標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口以確保穩(wěn)固連接；而小設(shè)備通常采用mini HDMI接口和Micro HDMI接口。

1.3 VGA與HDMI對(duì)比

VGA與HDMI的對(duì)比如下：

1. VGA傳輸模擬信號(hào)，傳輸過(guò)程需要轉(zhuǎn)換和緩存，存在一定損失；HDMI傳輸數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)需要無(wú)壓縮，短距離無(wú)轉(zhuǎn)換無(wú)損失；
2. VGA僅支持視頻傳輸；HDMI同時(shí)支持音頻傳輸；
3. VGA采用PC標(biāo)準(zhǔn)，色階從0至255；HDMI采用TV標(biāo)準(zhǔn)，色階默認(rèn)從15至255；
4. VGA在高分辨率下會(huì)存在失真虛化的問(wèn)題；HDMI支持4K高清分辨率；
5. VGA不存在兼容顧慮；HDMI在PC上兼容性一般，通常不支持三屏以上多屏顯示。

隨著數(shù)字圖像的發(fā)展，VGA接口被淘汰已成為趨勢(shì)，目前大部分新生產(chǎn)的PC和顯示器設(shè)備都不再支持VGA接口。然而，由于VGA標(biāo)準(zhǔn)早期的影響較大，大量投影儀等設(shè)備仍采用VGA，因此VGA接口目前仍被大量使用。

02

圖像顯示時(shí)序分析

盡管HDMI接口為減少干擾、增強(qiáng)傳輸可靠性采用了TMDS編碼，但其圖像掃描的本質(zhì)方法與VGA相同：通過(guò)行同步與場(chǎng)同步進(jìn)行掃描控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常采用專用芯片(例如SIL9134 HDMI編碼芯片與SIL9013 HDMI解碼芯片)完成TMDS編碼操作，因此掌握行同步與場(chǎng)同步的控制時(shí)序，就可以完成視頻圖像的顯示。

2.1 圖像顯示時(shí)序

視頻圖像顯示通常采用逐行掃描的方法：從屏幕左上方開(kāi)始，從左向右逐點(diǎn)掃描。每行掃描完成時(shí)，用行同步信號(hào)HSYNC進(jìn)行同步，電子束回到下一行最左側(cè)起始位置，同時(shí)CRT對(duì)電子束進(jìn)行行消隱；每幀所有行掃描完成時(shí)，用場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC進(jìn)行幀同步，電子束回到屏幕左上方，同時(shí)CRT對(duì)電子束進(jìn)行進(jìn)行場(chǎng)消隱，開(kāi)始下一幀掃描。

HSYNC為行同步信號(hào)(Horizontal Synchronization)，低電平時(shí)完成圖像行數(shù)據(jù)掃描，高電平時(shí)進(jìn)行行同步；VSYNC為場(chǎng)同步信號(hào)(Vertical Synchronization)，低電平時(shí)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)掃描，高電平時(shí)進(jìn)行幀同步。

行同步信號(hào)HSYNC和場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC均由四部分組成：Sync同步脈沖 + Back Porch消隱后肩時(shí)間 + Active Video數(shù)據(jù)有效時(shí)間 + Front Porch消隱前肩時(shí)間。

一幅圖片的顯示包括有效數(shù)據(jù)部分和消隱區(qū)部分，Blanking為圖像的消隱區(qū)，Border和Addressable Video部分為圖像的有效數(shù)據(jù)部分，在800×600及以上分辨率中Horizontal Left Border、Horizontal Right Border、Vertical Top Border、Vertical Bottom Border四個(gè)參數(shù)為0，即不存在Border區(qū)域。

行同步時(shí)序以像素為單位，場(chǎng)同步時(shí)序以行為單位。例如1920×1080分辨率的圖像，行時(shí)序以每行1920個(gè)像素進(jìn)行同步和有效傳輸，場(chǎng)時(shí)序以每幀1080行進(jìn)行同步和有效傳輸。

2.2 不同分辨率顯示參數(shù)

通過(guò)行場(chǎng)同步時(shí)序分析可知，對(duì)于圖像分辨率為1920×1080@60Hz的圖像顯示，時(shí)鐘傳輸頻率并非僅考慮有效數(shù)據(jù)像素1920×1080×60=124.416MHz，而應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮有效數(shù)據(jù)和消隱區(qū)數(shù)據(jù)2200×1125×60=148.5MHz。

不同分辨率圖像有效數(shù)據(jù)和消隱區(qū)像素分布如下：

03

圖像顯示代碼實(shí)現(xiàn)

3.1 Verilog代碼

通過(guò)HDMI接口顯示圖像信息，主要包括兩部分：行場(chǎng)同步等信號(hào)生成模塊與IIC配置TMDS編碼芯片模塊。由于IIC協(xié)議配置芯片寄存器實(shí)現(xiàn)方法已在IIC協(xié)議中介紹，所以這里給出不同分辨率下HDMI行場(chǎng)同步信號(hào)的生成代碼：

`timescale 1ns / 1ps

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Company: Cascatrix

// Engineer: Carson

//

// Create Date: 2023/01/15

// Design Name: Image_Base

// Module Name: cx_image

// Tool Versions: v1.0

// Description: Image read and generate display parameters

//

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

`define PIXEL_1920_1080

//`define PIXEL_1680_1050

//`define PIXEL_1280_1024

//`define PIXEL_1280_720

//`define PIXEL_1024_768

//`define PIXEL_800_600

//`define PIXEL_640_480

module cx_image(

inputwireclk,

outputreghs,

outputregvs,

outputwireen,

outputwire [23:0]data

);

//1920x1080 148.5Mhz

`ifdef PIXEL_1920_1080

parameter H_ACTIVE = 1920;// 行數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter H_FRONT_PORCH = 88; // 行消隱前肩時(shí)間

parameter H_SYNC_TIME = 44; // 行同步信號(hào)時(shí)間

parameter H_BACK_PORCH = 148; // 行消隱后肩時(shí)間

parameter V_ACTIVE = 1080;// 列數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter V_FRONT_PORCH = 4; // 列消隱前肩時(shí)間

parameter V_SYNC_TIME = 5; // 列同步信號(hào)時(shí)間

parameter V_BACK_PORCH = 36; // 列消隱后肩時(shí)間

`endif

//1680x1050 119Mhz

`ifdef PIXEL_1680_1050

parameter H_ACTIVE = 1680;// 行數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter H_FRONT_PORCH = 48; // 行消隱前肩時(shí)間

parameter H_SYNC_TIME = 32; // 行同步信號(hào)時(shí)間

parameter H_BACK_PORCH = 80; // 行消隱后肩時(shí)間

parameter V_ACTIVE = 1050;// 列數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter V_FRONT_PORCH = 3; // 列消隱前肩時(shí)間

parameter V_SYNC_TIME = 6; // 列同步信號(hào)時(shí)間

parameter V_BACK_PORCH = 21; // 列消隱后肩時(shí)間

`endif

//1280x1024 108Mhz

`ifdef PIXEL_1280_1024

parameter H_ACTIVE = 1280;// 行數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter H_FRONT_PORCH = 48; // 行消隱前肩時(shí)間

parameter H_SYNC_TIME = 112; // 行同步信號(hào)時(shí)間

parameter H_BACK_PORCH = 248; // 行消隱后肩時(shí)間

parameter V_ACTIVE = 1024;// 列數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter V_FRONT_PORCH = 1; // 列消隱前肩時(shí)間

parameter V_SYNC_TIME = 3; // 列同步信號(hào)時(shí)間

parameter V_BACK_PORCH = 38; // 列消隱后肩時(shí)間

`endif

//1280X720 74.25MHZ

`ifdef PIXEL_1280_720

parameter H_ACTIVE = 1280;// 行數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter H_FRONT_PORCH = 110; // 行消隱前肩時(shí)間

parameter H_SYNC_TIME = 40; // 行同步信號(hào)時(shí)間

parameter H_BACK_PORCH = 220; // 行消隱后肩時(shí)間

parameter V_ACTIVE = 720; // 列數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter V_FRONT_PORCH = 5; // 列消隱前肩時(shí)間

parameter V_SYNC_TIME = 5; // 列同步信號(hào)時(shí)間

parameter V_BACK_PORCH = 20; // 列消隱后肩時(shí)間

`endif

//1024x768 65Mhz

`ifdef PIXEL_1024_768

parameter H_ACTIVE = 1024;// 行數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter H_FRONT_PORCH = 24; // 行消隱前肩時(shí)間

parameter H_SYNC_TIME = 136; // 行同步信號(hào)時(shí)間

parameter H_BACK_PORCH = 160; // 行消隱后肩時(shí)間

parameter V_ACTIVE = 768; // 列數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter V_FRONT_PORCH = 3; // 列消隱前肩時(shí)間

parameter V_SYNC_TIME = 6; // 列同步信號(hào)時(shí)間

parameter V_BACK_PORCH = 29; // 列消隱后肩時(shí)間

`endif

//800x600 40Mhz

`ifdef PIXEL_800_600

parameter H_ACTIVE = 800;// 行數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter H_FRONT_PORCH = 40 ;// 行消隱前肩時(shí)間

parameter H_SYNC_TIME = 128;// 行同步信號(hào)時(shí)間

parameter H_BACK_PORCH = 88 ;// 行消隱后肩時(shí)間

parameter V_ACTIVE = 600;// 列數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter V_FRONT_PORCH = 1 ;// 列消隱前肩時(shí)間

parameter V_SYNC_TIME = 4 ;// 列同步信號(hào)時(shí)間

parameter V_BACK_PORCH = 23 ;// 列消隱后肩時(shí)間

`endif

//640x480 25.175Mhz

`ifdef PIXEL_640_480

parameter H_ACTIVE = 640; // 行數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter H_FRONT_PORCH = 16 ; // 行消隱前肩時(shí)間

parameter H_SYNC_TIME = 96 ; // 行同步信號(hào)時(shí)間

parameter H_BACK_PORCH = 48 ; // 行消隱后肩時(shí)間

parameter V_ACTIVE = 480; // 列數(shù)據(jù)有效時(shí)間

parameter V_FRONT_PORCH = 10 ; // 列消隱前肩時(shí)間

parameter V_SYNC_TIME = 2 ; // 列同步信號(hào)時(shí)間

parameter V_BACK_PORCH = 33 ; // 列消隱后肩時(shí)間

`endif

parameter H_TOTAL_TIME = H_ACTIVE + H_FRONT_PORCH + H_SYNC_TIME + H_BACK_PORCH;

parameter V_TOTAL_TIME = V_ACTIVE + V_FRONT_PORCH + V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH;

reg h_act;

reg v_act;

reg [12:0] h_syn_cnt;

reg [12:0] v_syn_cnt;

reg [31:0] image_cnt;

// 有效數(shù)據(jù)控制

assign en = h_act & v_act;

// 行掃描計(jì)數(shù)器

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt == H_TOTAL_TIME - 1)

h_syn_cnt <= 13'b0;

else

    h_syn_cnt <= h_syn_cnt + 1'b1;

end

// 列掃描計(jì)數(shù)器

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt == H_TOTAL_TIME - 1)

begin

if(v_syn_cnt == V_TOTAL_TIME-1)

        v_syn_cnt <= 13'b0;

    else

        v_syn_cnt <= v_syn_cnt + 1'b1;

end

end

// 行同步控制

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt < H_SYNC_TIME)

    hs <= 1'b0;

else

    hs <= 1'b1;

end

// 場(chǎng)同步控制

always@(posedge clk)

begin

if(v_syn_cnt < V_SYNC_TIME)

    vs <= 1'b0;

else

    vs <= 1'b1;

end

// 行有效控制

always@(posedge clk)

begin

if(h_syn_cnt == H_SYNC_TIME + H_BACK_PORCH - 1) 

    h_act = 1'b1;

else if(h_syn_cnt == H_SYNC_TIME + H_BACK_PORCH + H_ACTIVE - 1)

    h_act = 1'b0;

end

// 列有效控制

always@(posedge clk)

begin

if(v_syn_cnt == V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH - 1 && h_syn_cnt == 0) 

    v_act = 1'b1;

else if(v_syn_cnt == V_SYNC_TIME + V_BACK_PORCH + V_ACTIVE - 1 && h_syn_cnt == 0)

    v_act = 1'b0;

end

// 像素?cái)?shù)計(jì)數(shù)器

always@(posedge clk)

begin

if(image_cnt == H_ACTIVE*V_ACTIVE - 1)

image_cnt <= 'd0;

else if(h_act & v_act)

    image_cnt <= image_cnt + 1;

end

// 圖像像素值存儲(chǔ)rom

rom_image inst_rom_image

(

.clk    (clk),

.en     (h_act & v_act),

.addr   (image_cnt),

.dout   (data)

);

endmodule

rom_image為圖像像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，根據(jù)不同地址依次存入對(duì)應(yīng)像素的像素值。該模塊可通過(guò)Matlab生成，具體方法將在后續(xù)FPGA數(shù)字圖像仿真中介紹。部分代碼如下：

module rom_image

(

input clk,

input[31:0] addr,

input en,

output[23:0]dout

);

reg [23:0] DATA;

assigndout = DATA;

always@(*)

begin

if(en)

case(addr)

0 : DATA<=24'hB18D81;

1 : DATA<=24'h967266;

2 : DATA<=24'h987468;

...

2073597 : DATA<=24'hAE8070;

2073598 : DATA<=24'hAE8070;

2073599 : DATA<=24'hC79989;

default: DATA<= 0;

endcase

else

DATA <= 0;

end

endmodule

3.2 實(shí)現(xiàn)效果分析

選擇分辨率為1920×1080的圖像：