FPGA数字图像显示原理与实现(Verilog)

● 视频图像接口概述

● VGA视频接口

● HDMI视频接口

● VGA与HDMI对比

● 图像显示时序分析

● 图像显示时序

● 不同分辨率显示参数

● 图像显示代码实现

● Verilog代码

● 实现效果分析

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。

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。

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：

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。

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。

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。

VGA与HDMI的对比如下：

1. 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；

2. VGA仅支持视频传输；HDMI同时支持音频传输；

3. 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；

4. 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；

5. 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。

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。

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。

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。

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。

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：

通过HDMI接口显示图像信息，主要包括两部分：行场同步等信号生成模块与IIC配置TMDS编码芯片模块。由于IIC协议配置芯片寄存器实现方法已在IIC协议中介绍，所以这里给出不同分辨率下HDMI行场同步信号的生成代码：

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

选择分辨率为1920×1080的图像：

FPGA通过HDMI输入到显示器，显示效果如下：