基于FPGA的電子穩(wěn)像平臺的研究

電子攝像系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍用及民用測繪系統(tǒng)中，但是效果受到其載體不同時刻姿態(tài)變化或震動的影響。當工作環(huán)境比較惡劣，尤其是在航空或野外操作時，支撐攝像機平臺的震動會引起圖像畫面的抖動，令觀察者視覺疲勞，從面產(chǎn)生漏警和虛警。所以在運行中，如何穩(wěn)像成為十分重要的問題，特別是在長焦距、高分辨力的監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)中更加突出。具璞蒿、實性性強、體積小巧等特點，得到更廣泛的應(yīng)用。

穩(wěn)像系統(tǒng)的反應(yīng)速度是電子穩(wěn)像要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的基于“攝像機-圖像采集卡-計算機”模式的穩(wěn)像系統(tǒng)、圖像檢測和匹配算法全部由計算機以軟件方式實現(xiàn)。盡管當今計算機的性能很高，能夠部分滿足單傳感器電子穩(wěn)系統(tǒng)的實時處理要求，但在以下幾個方面有著難以解決的問題：首先，其固有的串行工作方式使得單計算機難以適應(yīng)其于多傳感器視頻處理系統(tǒng)的實時穩(wěn)像，阻礙了在實際中的應(yīng)用adw欠，傳統(tǒng)的圖像采集卡中能將采集圖像數(shù)據(jù)實時傳輸給計算機，而不能傳輸給標準接口的視頻監(jiān)視設(shè)備lk之很多應(yīng)用場合對聽要求很高。因此，研制專用的電子穩(wěn)像平臺，既能實時地高速獲取視頻數(shù)據(jù)，又能將數(shù)據(jù)實時地傳后續(xù)的圖像處理系統(tǒng)，既有實際意義又有工程價值。

1系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

攝像頭輸入的PAL制式電視信號首先通過視頻處理接口完成對其解碼、同步和數(shù)字化的工作，數(shù)字化后的圖像信息進入到由FPGA實現(xiàn)的幀存控制器中，完成數(shù)據(jù)的交換（數(shù)據(jù)的緩沖），同時完成系統(tǒng)要求的去隔行和放大的操作，最后處理好的數(shù)據(jù)通過VGA控制器，完成時序變化，經(jīng)視頻、A變?yōu)槟M信號送到VGA監(jiān)視器上實時顯示。

1.1視頻處理接口

由于在進行視頻處理時，多為從攝像頭輸入模擬信號，如NTSC或PAL制式電視信號，除圖像信號外，還包括行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號等。因而對視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換的電路也非常復(fù)雜。Philips公司將這些轉(zhuǎn)換電路集成到了一塊芯片中，從而生產(chǎn)出功能強大的視頻輸入處理芯片SAA7111，為視頻信號的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便。

系統(tǒng)設(shè)計采用SAA7111對復(fù)合信號進行采樣、同步產(chǎn)生、亮色分離并輸出標準的數(shù)字化信號。SAA7111輸出的數(shù)字化圖像信息符合CCIR.601建議，PAL制式的模擬信號數(shù)字化后的圖像分辨率為720×572，像素時鐘13.5MHz。在本穩(wěn)像系統(tǒng)中要求圖像輸出符合VGA（640×480，60Hz）標準，因此在采集數(shù)據(jù)時要對數(shù)據(jù)進行選擇，避開行、場消隱信號和部分有效像素信息，在較大的圖像中截取所需要的大小。SAA7111向幀存控制電路輸出像素時鐘（LCC2）、水平參數(shù)（HREF）、垂直參考（VREF）、奇偶場標志信號（ODD）和16位像素信息（RGB565）.其中LCC2用來同步整個采集系統(tǒng)；HREF高電平有效，對應(yīng)一行720個有效像素；VREF高電平有效，對應(yīng)一場信號中的286個有效行；ODD=1時，標志當前場為奇數(shù)場；ODD=0時，標志當前場為偶數(shù)場。采用16位RGB表示每個像素的彩色信息。圖1（a）為數(shù)字化圖像中的一行像素的時序圖。其中兩個HREF分別表示有效行的起始與結(jié)束位置，實際為一個信號；可以清楚地看到一行中有效的720個像素與像素時鐘LLC2的對應(yīng)關(guān)系，在采集時通過幀存器控制電路選擇其中部的640個像素進行采集。圖1（b）為一幀數(shù)字圖像的輸出時序圖?？梢钥吹皆诘?24～22行時，VREF處于無效狀態(tài)，因此在后續(xù)的采集中，這部分的信息不予處理并通過ODD的電平區(qū)分奇偶場數(shù)據(jù)。

1.2去隔行支持

PAL制電視信號采用隔行掃描機制，采用人眼的視覺暫留來實現(xiàn)兩場1/50s掃描312.5行的圖像構(gòu)成625行（一幀）圖像。而標準的VGA顯示模式采用逐行掃描方式，在一個掃描周期內(nèi)實現(xiàn)對圖像的完全掃描。因此需要對視頻信號進行去隔行處理。視頻信號在經(jīng)過緩沖后，按照取樣時鐘把經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送入存儲器緩存，通過數(shù)據(jù)內(nèi)插的方法進行數(shù)據(jù)擴展，即相鄰行之間按照一定的算法進行加權(quán)，從而得到內(nèi)插行的數(shù)據(jù)，再以適當?shù)乃俣茸x取處理后的數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)倍行頻/倍場頻的掃描。倍行頻掃描可以消除行間的閃爍現(xiàn)象，倍場頻掃描雖然行掃描頻率不變，但是場頻加倍，即能消除行間閃爍現(xiàn)象，還可以消除場間的大面積閃爍。去隔行問題的實質(zhì)就是在每一場中填補被跳過的那些行，其過程如圖2所示。

實際上為實現(xiàn)去隔行已經(jīng)提出了很多簡單的濾波器。一種選擇是用同一場中的垂直內(nèi)插值，這是個一維二倍上轉(zhuǎn)換的問題。理想的垂直濾波器是一個半帶低通濾波器。然而，這個濾波器要求無限長度沖擊響應(yīng)是不可實現(xiàn)的。實際應(yīng)用中使用的是短得多的濾波器。最簡單的是行平均，它用丟失行的上一行和下一行的平均來估計該丟失行。在圖2中，對于第t場，D=(C+E)/2。由于沒有使用時域濾波，所以它沿時間頻率軸具有全通特性。為了改進性能，另一種選擇是使用更長的垂直內(nèi)插濾波器，其頻率響應(yīng)更接近理想的半帶低通濾波器。對于第t場的行，滿意的內(nèi)插方法是D=(A+7C+7E+G)/16。以上兩種方法都是只用了垂直內(nèi)插。一種替代方法是使用時間內(nèi)插。值得注意的是，對于一場中每個丟失行，在同一幀的另一場中有一個對應(yīng)行。一個簡單的時間內(nèi)插方案是復(fù)制此對應(yīng)行，即D=K，J=C。這種方法稱為場合并。因為每一個去隔行幀都由合并兩場獲得,但是這兩場的時間內(nèi)插是相反的（對于某些特殊圖案可能會產(chǎn)生視覺人為失真）。由于只在時間方向上進行了濾波，因此在垂直方向上是全通的。

為了改進性能，可以使用一種對稱的濾波器，例如，對前一場和后一場中的對應(yīng)行去平均以獲得當前場中丟失的行，即D=(K+R)/2。這種方法稱為場平均。然而這種辦法內(nèi)插任何一場需要涉及三個場，需要兩幀存儲器。與場合并的方法相比，在存儲器容量和延時上有不可忽視的增加。為了在時間和空間人為失真方面達到折衷，較好的方法是既用垂直內(nèi)插也用時間內(nèi)插。例如，通過對同一場中上一個和下一個像素以及前一場和后一場取平均進行內(nèi)插的辦法得到一個丟失的像素。綜上所述，當成像的景物在相鄰兩場之間靜止時，在奇數(shù)場中丟失的偶行數(shù)應(yīng)該與前一個和后一個偶場中對應(yīng)的偶數(shù)行完全一樣。因此時間內(nèi)插將產(chǎn)生精確的估計。另一方面，當景物中存在運動時，相鄰場中對應(yīng)行可能不在同一個物體位置上，時間內(nèi)插將產(chǎn)生不可接受的人為失真。而同時使用空間和時間平均的方法將產(chǎn)生不太嚴重的人為失真，但在存儲器容量和反應(yīng)時間方面作出犧牲。