FPGA平臺的實時全景視頻系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：本文提出并實現(xiàn)了一種基于FPGA的全景視頻處理系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用Xilinx Spartan-6 FPGA全硬件單片方式實現(xiàn)，包括5個攝像頭的圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像校正、全景拼接、視頻壓縮、以太網(wǎng)傳輸、HDMI顯示等模塊，達到了360度全景視頻高質(zhì)量、高分辨率、實時性的要求。

　　概述

　　現(xiàn)在的全景視頻拼接方案層出不窮，但是基本都是通過軟件處理的方式，這種方式的缺點是分辨率較低、處理速度很慢，很難達到實時的效果。為了提高視頻系統(tǒng)的分辨率和處理速度，滿足用戶更高的需求，本文提出并設(shè)計了一種基于FPGA的全硬件處理方式，實現(xiàn)了高分辨率、高質(zhì)量、實時360度全景視頻系統(tǒng)，查新表明該成果不僅在國內(nèi)是空白，在國際上其性能指標(biāo)也具有領(lǐng)先地位。該系統(tǒng)在軍事、高端警衛(wèi)防范、新一代視頻遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)會議等地方具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　表1是該系統(tǒng)的性能特點，具體包括分辨率、幀率等關(guān)鍵指標(biāo)?！　?/p>

 

　　全景視頻實時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　FPGA全硬件全景視頻實時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)采集端是5個Macron高分辨率CMOS圖像傳感器水平放置，其位置是經(jīng)過精確預(yù)校準(zhǔn)的。同時配備高質(zhì)量的大視角光學(xué)鏡頭對視頻進行同步高速采集，并將采集好的視頻送入圖像預(yù)處理部分。圖像預(yù)處理主要進行色彩生成、色彩校正等圖像處理，以生成正常的彩色視頻流供后續(xù)操作。圖像校正對由于采用大視角鏡頭而產(chǎn)生的鏡頭失真及鏡頭位置分布產(chǎn)生的視差失真等問題進行實時校正處理。全景拼接主要完成柱面投影模型匹配、圖像拼接、邊界處理等實時操作以生成完美的全景視頻流。本視頻壓縮模塊采用的是標(biāo)準(zhǔn)的JPEG標(biāo)準(zhǔn)進行壓縮。為應(yīng)對超大尺寸全景視頻的實時壓縮，加速壓縮進程，本壓縮模塊采用一種定制的雙核并行壓縮方式。該雙核并行壓縮方式既加快了壓縮進程，又解決了超大尺寸圖像壓縮時需要超大緩沖資源的問題。同時，本壓縮模塊的視頻壓縮比是可接受遠(yuǎn)程后端部分的以太網(wǎng)調(diào)整控制的?！　?/p>

 

　　UDP部分采用硬件實現(xiàn)UDP協(xié)議，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，同時提供了人機交互平臺。HDMI顯示部分完成了視頻顯示控制處理。PCIE采集卡連接PC端的PCIE接口，接收以太網(wǎng)發(fā)送過來的壓縮視頻數(shù)據(jù)。PC端再通過軟件圖形設(shè)計實現(xiàn)實時顯示全景視頻、局部放大縮小、控制FPGA模塊處理等功能窗口。