FPGA数字图像显示原理与实现

01 视频图像接口概述

视频图像经过数十年的发展，已形成了一系列的规范，以VGA和HDMI为主的视频图像接口协议也得到定义与推广。尽管DP、DVI、Type-C等图像接口技术近年来得到了推广与应用，且VGA传输性能发展逐渐落后于时代，但作为显示器和显卡等设备的通用显示接口，VGA和HDMI仍是当前主流的视频图像接口技术。
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1.1 VGA视频接口

视频图形阵列(VGA，Video Graphics Array)，也可称作D-Sub，是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准，因此VGA传输信号为模拟信号，并且只能传输视频信号，不能传输音频信号。
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VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

VGA各针脚定义如下：
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VGA支持在640×480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320×240分辨率下可以同时显示256种颜色。使用VGA连接设备时，线缆长度通常不超过10米，而且要注意接头是否安装牢固，否则可能引起图像中出现虚影。

1.2 HDMI视频接口

高清晰度多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）是一种数字化视频/音频接口技术，是适合影像传输的专用型数字化接口，HDMI可同时传送音频和影音信号，且在信号传送前无需进行数/模或者模/数转换，是当前视音频主选接口。
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HDMI自2002年提出以来，已发展到HDMI 2.1标准。该标准能够支持4K 120Hz、8K 60Hz以及高动态范围成像(HDR)，能够针对场景或帧数进行优化，并向后兼容HDMI 2.0和HDMI 1.4，其中HDMI 1.4最高数据传输速度为10.2Gbps，HDMI 2.0最高数据传输速度为18Gbps。

HDMI在物理接口上主要包括以下几种类型：标准HDMI接口、mini HDMI接口和Micro HDMI接口。长距离传输通常线材较硬，采用标准HDMI接口以确保稳固连接；而小设备通常采用mini HDMI接口和Micro HDMI接口。
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1.3 VGA与HDMI对比

VGA与HDMI的对比如下：

VGA传输模拟信号，传输过程需要转换和缓存，存在一定损失；HDMI传输数字信号，数据需要无压缩，短距离无转换无损失；
VGA仅支持视频传输；HDMI同时支持音频传输；
VGA采用PC标准，色阶从0至255；HDMI采用TV标准，色阶默认从15至255；
VGA在高分辨率下会存在失真虚化的问题；HDMI支持4K高清分辨率；
VGA不存在兼容顾虑；HDMI在PC上兼容性一般，通常不支持三屏以上多屏显示。

随着数字图像的发展，VGA接口被淘汰已成为趋势，目前大部分新生产的PC和显示器设备都不再支持VGA接口。然而，由于VGA标准早期的影响较大，大量投影仪等设备仍采用VGA，因此VGA接口目前仍被大量使用。

02 图像显示时序分析

尽管HDMI接口为减少干扰、增强传输可靠性采用了TMDS编码，但其图像扫描的本质方法与VGA相同：通过行同步与场同步进行扫描控制。在设计过程中通常采用专用芯片(例如SIL9134 HDMI编码芯片与SIL9013 HDMI解码芯片)完成TMDS编码操作，因此掌握行同步与场同步的控制时序，就可以完成视频图像的显示。

2.1 图像显示时序

视频图像显示通常采用逐行扫描的方法：从屏幕左上方开始，从左向右逐点扫描。每行扫描完成时，用行同步信号HSYNC进行同步，电子束回到下一行最左侧起始位置，同时CRT对电子束进行行消隐；每帧所有行扫描完成时，用场同步信号VSYNC进行帧同步，电子束回到屏幕左上方，同时CRT对电子束进行进行场消隐，开始下一帧扫描。

HSYNC为行同步信号(Horizontal Synchronization)，低电平时完成图像行数据扫描，高电平时进行行同步；VSYNC为场同步信号(Vertical Synchronization)，低电平时进行图像数据扫描，高电平时进行帧同步。
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行同步信号HSYNC和场同步信号VSYNC均由四部分组成：Sync同步脉冲 + Back Porch消隐后肩时间 + Active Video数据有效时间 + Front Porch消隐前肩时间。

一幅图片的显示包括有效数据部分和消隐区部分，Blanking为图像的消隐区，Border和Addressable Video部分为图像的有效数据部分，在800×600及以上分辨率中Horizontal Left Border、Horizontal Right Border、Vertical Top Border、Vertical Bottom Border四个参数为0，即不存在Border区域。
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行同步时序以像素为单位，场同步时序以行为单位。例如1920×1080分辨率的图像，行时序以每行1920个像素进行同步和有效传输，场时序以每帧1080行进行同步和有效传输。

2.2 不同分辨率显示参数

通过行场同步时序分析可知，对于图像分辨率为1920×1080@60Hz的图像显示，时钟传输频率并非仅考虑有效数据像素1920×1080×60=124.416MHz，而应当同时考虑有效数据和消隐区数据2200×1125×60=148.5MHz。

不同分辨率图像有效数据和消隐区像素分布如下：
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03 图像显示代码实现

`timescale 1ns / 1ps



//

// Company: 

// Engineer: winkle

// Create Date: 2023/

// 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;// 行数据有效时间

parameter  H_FRONT_PORCH = 88;  // 行消隐前肩时间

parameter  H_SYNC_TIME = 44;  // 行同步信号时间

parameter  H_BACK_PORCH = 148; // 行消隐后肩时间 



parameter  V_ACTIVE = 1080;// 列数据有效时间

parameter  V_FRONT_PORCH = 4;   // 列消隐前肩时间

parameter  V_SYNC_TIME  = 5;   // 列同步信号时间

parameter  V_BACK_PORCH = 36;  // 列消隐后肩时间

`endif



//1680x1050 119Mhz

`ifdef  PIXEL_1680_1050

parameter  H_ACTIVE = 1680;// 行数据有效时间

parameter  H_FRONT_PORCH = 48;  // 行消隐前肩时间

parameter  H_SYNC_TIME = 32;  // 行同步信号时间

parameter  H_BACK_PORCH = 80;  // 行消隐后肩时间



parameter  V_ACTIVE = 1050;// 列数据有效时间

parameter  V_FRONT_PORCH = 3;   // 列消隐前肩时间

parameter  V_SYNC_TIME  = 6;   // 列同步信号时间

parameter  V_BACK_PORCH = 21;  // 列消隐后肩时间

`endif



//1280x1024 108Mhz

`ifdef  PIXEL_1280_1024

parameter  H_ACTIVE = 1280;// 行数据有效时间

parameter  H_FRONT_PORCH = 48;  // 行消隐前肩时间

parameter  H_SYNC_TIME = 112; // 行同步信号时间

parameter  H_BACK_PORCH = 248; // 行消隐后肩时间 



parameter  V_ACTIVE = 1024;// 列数据有效时间

parameter  V_FRONT_PORCH = 1;   // 列消隐前肩时间

parameter  V_SYNC_TIME  = 3;   // 列同步信号时间

parameter  V_BACK_PORCH = 38;  // 列消隐后肩时间

`endif



//1280X720 74.25MHZ

`ifdef  PIXEL_1280_720

parameter  H_ACTIVE = 1280;// 行数据有效时间

parameter  H_FRONT_PORCH = 110; // 行消隐前肩时间

parameter  H_SYNC_TIME = 40;  // 行同步信号时间

parameter  H_BACK_PORCH = 220; // 行消隐后肩时间    



parameter  V_ACTIVE = 720; // 列数据有效时间

parameter  V_FRONT_PORCH = 5;   // 列消隐前肩时间

parameter  V_SYNC_TIME  = 5;   // 列同步信号时间

parameter  V_BACK_PORCH = 20;  // 列消隐后肩时间

`endif



//1024x768 65Mhz

`ifdef  PIXEL_1024_768

parameter  H_ACTIVE = 1024;// 行数据有效时间

parameter  H_FRONT_PORCH = 24;  // 行消隐前肩时间

parameter  H_SYNC_TIME = 136; // 行同步信号时间

parameter  H_BACK_PORCH = 160; // 行消隐后肩时间   



parameter  V_ACTIVE = 768; // 列数据有效时间

parameter  V_FRONT_PORCH = 3;   // 列消隐前肩时间

parameter  V_SYNC_TIME  = 6;   // 列同步信号时间

parameter  V_BACK_PORCH = 29;  // 列消隐后肩时间



`endif



//800x600 40Mhz

`ifdef  PIXEL_800_600

parameter  H_ACTIVE = 800;// 行数据有效时间

parameter  H_FRONT_PORCH = 40 ;// 行消隐前肩时间 

parameter  H_SYNC_TIME = 128;// 行同步信号时间

parameter  H_BACK_PORCH = 88 ;// 行消隐后肩时间    



parameter  V_ACTIVE = 600;// 列数据有效时间

parameter  V_FRONT_PORCH = 1  ;// 列消隐前肩时间  

parameter  V_SYNC_TIME  = 4  ;// 列同步信号时间  

parameter  V_BACK_PORCH = 23 ;// 列消隐后肩时间 



`endif



//640x480 25.175Mhz

`ifdef  PIXEL_640_480

parameter H_ACTIVE = 640; // 行数据有效时间

parameter H_FRONT_PORCH = 16 ; // 行消隐前肩时间

parameter H_SYNC_TIME = 96 ; // 行同步信号时间

parameter H_BACK_PORCH = 48 ; // 行消隐后肩时间



parameter V_ACTIVE = 480; // 列数据有效时间

parameter V_FRONT_PORCH = 10 ; // 列消隐前肩时间

parameter V_SYNC_TIME = 2 ; // 列同步信号时间

parameter V_BACK_PORCH = 33 ; // 列消隐后肩时间

`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;



// 有效数据控制
assign en = h_act & v_act;

// 行扫描计数器
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



// 列扫描计数器
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



// 场同步控制
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

// 像素数计数器    
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

// 图像像素值存储rom    
rom_image inst_rom_image
(
    .clk    (clk),
    .en     (h_act & v_act),
    .addr   (image_cnt),
    .dout   (data)
);
endmodule

rom_image为图像像素数据存储模块，根据不同地址依次存入对应像素的像素值。该模块可通过Matlab生成，具体方法将在后续FPGA数字图像仿真中介绍。部分代码如下：

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 实现效果分析

选择分辨率为1920×1080的图像
在这里插入图片描述
FPGA通过HDMI输入到显示器，显示效果如下：