FPGA硬件解码SDI视频任意尺寸缩放输出串口指令控制输出分辨率提供工程源码和技术支持

1、前言

FPGA实现SDI视频编解码目前有两种方案：
一是使用专用编解码芯片，比如典型的接收器GS2971，发送器GS2972，优点是简单，比如GS2971接收器直接将SDI解码为并行的YCRCB，GS2972发送器直接将并行的YCRCB编码为SDI视频，缺点是成本较高，可以百度一下GS2971和GS2972的价格；

另一种方案是使用FPGA实现编解码，利用FPGA的GTP/GTX资源实现解串，优点是合理利用了FPGA资源，GTP/GTX资源不用白不用，缺点是操作难度大一些，对FPGA水平要求较高。

本文详细描述了FPGA纯verilog编解码SDI视频，然后任意尺寸缩放输出的实现设计方案，输出分辨率由串口指令控制，工程代码编译通过后上板调试验证，文章末尾有演示视频，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像传输领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

2、SDI理论练习

SDI视频协议比较复杂，我前面已经写过多篇文章，建议先回头看看前面的文章再往下看有利于理解。
1、FPGA使用GTX解码SDI参考链接：直接点击查看
2、FPGA使用GTH解码SDI参考链接：直接点击查看
3、FPGA使用GTX实现SDI接收和发送参考链接：直接点击查看
4、FPGA使用GTX实现SDI光口SFP收发参考链接：直接点击查看
5、FPGA使用GTX实现SDI UDP网络发送参考链接：直接点击查看

3、设计思路和架构

设计思路和架构如下：
在这里插入图片描述
本设计的流程为：
FPGA解码3G-SDI输入视频，输入分辨率为1920x1080@30Hz，上电默认输出1920x1080@60Hz，通过笔记本电脑的串口调试助手发送不同指令，控制输出不同的分辨率视频，具体请看文章末尾的演示视频。。。

SDI摄像头

我用到的SDI摄像头输出视频分辨率1080P@30Hz；根据不同相机有所区别；

Gv8601a单端转差

Gv8601a起到均衡 EQ 功能，这里选用Gv8601a是因为抄袭了Xilinx官方的板子，当然也可以用其他型号器件。

GTX解串

GTX负责解串，将原始SDI视频解为20位的并行数据，我的板子是K7，所以用GTX，如果是A7的板子则用GTP，这里使用GTX并没有调用IP，而是直接调用GTXE2_CHANNEL和GTXE2_COMMON源语，这一点可谓将Xilinx的GTX资源用到了极致水平，值得好好品读，其实调用IP无非也就是把调用源语变得界面化而已，直接调用源语或许理解更为深刻，这一点，在市面上的所谓FPGA教程里都学不到。

SDI解码

调用SMPTE-SDI IP核实现，GTX只是将高速串行数据解为了并行，但并没有解析SDI协议，SMPTE-SDI IP核则完成了SDI协议的解码，去掉了SDI协议中的数据包信息和控制信息，解析出有效的视频数据，详细的SMPTE-SDI IP核接口定义请参考官方的使用手册;

VGA时序恢复

此模块的作用就是解码恢复出hs、vs以及de信号，即恢复正常的VGA视频时序；
要恢复正常的VGA视频时序，首先得看懂下面这张图：在这里插入图片描述
根据这张表即可恢复出图像时序，具体看代码，这里一两句话实在讲不清楚，如果要完全讲明白，写5本书都搓搓有余；

YUV转RGB

这里就简单了，YUV4:4:4转RGB8:8:8，几条公式和几行代码的事儿，属于低端操作；
至此，SDI解码过程就完成了，接下来就是图像输出过程；

图像缩放

图像缩放模块采用纯verilog代码实现，没有任何IP，可在包括国产FPGA在内的各种FPGA平台间任意移植，支持任意比例、任意分辨率、任意尺寸图像缩放，将临近插值和双线性插值两种算法合二为一，通过输入信号高低电平选择其一，本设计选择的双线性插值算法。关于图像缩放，请参考我之前的文章直接点击查看
由于SDI摄像头输入是1920x1080，我的显示器最高只支持1080P显示，所以本设计只能做缩小，不能做放大，所以设计了如下几种输出分辨率：
1、上电默认输出1920x1080图像；
2、串口指令控制输出1280x720图像；
3、串口指令控制输出800x600图像；
4、串口指令控制输出640x480图像；
5、串口指令控制输出1280x1024图像；
6、串口指令控制输出1680x1050图像；
7、串口指令控制输出1920x1080图像；

FDMA图像缓存

我常用的FDMA数据缓存架构，详情请参考我之前的文章：直接点击查看

串口解析

我常用的串口解析架构，详情请参考我之前的文章：直接点击查看
本设计的串口指令切换逻辑如下：
上电默认输出1920x1080图像；
串口发送 aa bb 05 00 02 d0 d7 cc dd 输出1280x720图像；
串口发送 aa bb 03 20 02 58 7d cc dd 输出800x600图像；
串口发送 aa bb 02 80 01 e0 63 cc dd 输出640x480图像；
串口发送 aa bb 05 00 04 00 09 cc dd 输出1280x1024图像；
串口发送 aa bb 06 90 04 1a b4 cc dd 输出1680x1050图像；
串口发送 aa bb 07 80 04 38 c3 cc dd 输出1920x1080图像；
串口助手可以手动单个发送指令，也可以循环发送指令，为了测试需要，本设计的演示部分采用循环发送指令，所以演示效果就是各种分辨率循环输出。。。
串口调试助手如下：
在这里插入图片描述
串口指令切换逻辑代码部分如下：

uart_rx_analysis_top #(
    .CLK_FREQ(200_000_000),  //系统时钟频率
    .UART_BPS(115200     )   //串口波特率
)
uart_rx(
    .clk       (ui_clk_200m  ),
    .rst_n     (rst_n),
    .i_uart_rx (i_uart_rx ),
    .o_uart_tx (o_uart_tx ),
    .o_rx_done (o_rx_done ),
    .o_rx_data (o_rx_data )
);

always @(posedge ui_clk_200m) begin
    if(~rst_n) r_rx_data<='d0;
    else if(o_rx_done) r_rx_data<=o_rx_data;
end

always @(*) begin
    if(~rst_n) begin
        disp_h='d1920;
        disp_v='d1080;    
    end
    else if(r_rx_data==32'h050002d0) begin    //1280x720
        disp_h='d1280;
        disp_v='d720;    
    end
    else if(r_rx_data==32'h03200258) begin    //800x600
        disp_h='d800;
        disp_v='d600;    
    end
    else if(r_rx_data==32'h028001e0) begin    //640x480
        disp_h='d640;
        disp_v='d480;    
    end
    else if(r_rx_data==32'h05000400) begin    //1280x1024
        disp_h='d1280;
        disp_v='d1024;    
    end
    else if(r_rx_data==32'h0690041a) begin    //1680x1050
        disp_h='d1680;
        disp_v='d1050;    
    end    
    else if(r_rx_data==32'h07800438) begin    //1920x1080
        disp_h='d1920;
        disp_v='d1080;    
    end
    else begin    //1280x720
        disp_h='d1920;
        disp_v='d1080;    
    end
end