基于FPGA的電子穩(wěn)像平臺(tái)的研究

電子攝像系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍用及民用測(cè)繪系統(tǒng)中，但是效果受到其載體不同時(shí)刻姿態(tài)變化或震動(dòng)的影響。當(dāng)工作環(huán)境比較惡劣，尤其是在航空或野外操作時(shí)，支撐攝像機(jī)平臺(tái)的震動(dòng)會(huì)引起圖像畫面的抖動(dòng)，令觀察者視覺疲勞，從面產(chǎn)生漏警和虛警。所以在運(yùn)行中，如何穩(wěn)像成為十分重要的問題，特別是在長(zhǎng)焦距、高分辨力的監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)中更加突出。具璞蒿、實(shí)性性強(qiáng)、體積小巧等特點(diǎn)，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(jī)-圖像采集卡-計(jì)算機(jī)”模式的穩(wěn)像系統(tǒng)、圖像檢測(cè)和匹配算法全部由計(jì)算機(jī)以軟件方式實(shí)現(xiàn)。盡管當(dāng)今計(jì)算機(jī)的性能很高，能夠部分滿足單傳感器電子穩(wěn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理要求，但在以下幾個(gè)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(jì)算機(jī)難以適應(yīng)其于多傳感器視頻處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)像，阻礙了在實(shí)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(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，而不能傳輸給標(biāo)準(zhǔn)接口的視頻監(jiān)視設(shè)備lk之很多應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)聽要求很高。因此，研制專用的電子穩(wěn)像平臺(tái)，既能實(shí)時(shí)地高速獲取視頻數(shù)據(jù)，又能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳后續(xù)的圖像處理系統(tǒng)，既有實(shí)際意義又有工程價(jià)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(hào)首先通過視頻處理接口完成對(duì)其解碼、同步和數(shù)字化的工作，數(shù)字化后的圖像信息進(jìn)入到由FPGA實(shí)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(shí)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(shí)序變化，經(jīng)視頻、A變?yōu)槟M信號(hào)送到VGA監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示。

1.1視頻處理接口

由于在進(jìn)行視頻處理時(shí)，多為從攝像頭輸入模擬信號(hào)，如NTSC或PAL制式電視信號(hào)，除圖像信號(hào)外，還包括行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)等。因而對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)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(qiáng)大的視頻輸入處理芯片SAA7111，為視頻信號(hào)的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用SAA7111對(duì)復(fù)合信號(hào)進(jìn)行采樣、同步產(chǎn)生、亮色分離并輸出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化信號(hào)。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(hào)數(shù)字化后的圖像分辨率為720×572，像素時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，因此在采集數(shù)據(jù)時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，避開行、場(chǎng)消隱信號(hào)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(shí)鐘（LCC2）、水平參數(shù)（HREF）、垂直參考（VREF）、奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)（ODD）和16位像素信息（RGB565）.其中LCC2用來(lái)同步整個(gè)采集系統(tǒng)；HREF高電平有效，對(duì)應(yīng)一行720個(gè)有效像素；VREF高電平有效，對(duì)應(yīng)一場(chǎng)信號(hào)中的286個(gè)有效行；ODD=1時(shí)，標(biāo)志當(dāng)前場(chǎng)為奇數(shù)場(chǎng)；ODD=0時(shí)，標(biāo)志當(dāng)前場(chǎng)為偶數(shù)場(chǎng)。采用16位RGB表示每個(gè)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(shí)序圖。其中兩個(gè)HREF分別表示有效行的起始與結(jié)束位置，實(shí)際為一個(gè)信號(hào)；可以清楚地看到一行中有效的720個(gè)像素與像素時(shí)鐘LLC2的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在采集時(shí)通過幀存器控制電路選擇其中部的640個(gè)像素進(jìn)行采集。圖1（b）為一幀數(shù)字圖像的輸出時(shí)序圖?？梢钥吹皆诘?24～22行時(shí)，VREF處于無(wú)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(chǎng)數(shù)據(jù)。

1.2去隔行支持

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

實(shí)際上為實(shí)現(xiàn)去隔行已經(jīng)提出了很多簡(jiǎn)單的濾波器。一種選擇是用同一場(chǎng)中的垂直內(nèi)插值，這是個(gè)一維二倍上轉(zhuǎn)換的問題。理想的垂直濾波器是一個(gè)半帶低通濾波器。然而，這個(gè)濾波器要求無(wú)限長(zhǎng)度沖擊響應(yīng)是不可實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際應(yīng)用中使用的是短得多的濾波器。最簡(jiǎn)單的是行平均，它用丟失行的上一行和下一行的平均來(lái)估計(jì)該丟失行。在圖2中，對(duì)于第t場(chǎng)，D=(C+E)/2。由于沒有使用時(shí)域?yàn)V波，所以它沿時(shí)間頻率軸具有全通特性。為了改進(jìn)性能，另一種選擇是使用更長(zhǎng)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(duì)于第t場(chǎng)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(shí)間內(nèi)插。值得注意的是，對(duì)于一場(chǎng)中每個(gè)丟失行，在同一幀的另一場(chǎng)中有一個(gè)對(duì)應(yīng)行。一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)間內(nèi)插方案是復(fù)制此對(duì)應(yīng)行，即D=K，J=C。這種方法稱為場(chǎng)合并。因?yàn)槊恳粋€(gè)去隔行幀都由合并兩場(chǎng)獲得,但是這兩場(chǎng)的時(shí)間內(nèi)插是相反的（對(duì)于某些特殊圖案可能會(huì)產(chǎn)生視覺人為失真）。由于只在時(shí)間方向上進(jìn)行了濾波，因此在垂直方向上是全通的。

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