基于FPGA的電子穩(wěn)像系統(tǒng)的設(shè)計

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?～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。