基于FPGA的嵌入式圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在圖像處理系統(tǒng)中，首先對(duì)攝像頭采集的視頻信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，提供給后端的處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理。而視頻圖像采集系統(tǒng)是多媒體信息處理、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)的前端子系統(tǒng)，是視頻處理系統(tǒng)中不可缺少的部分。傳統(tǒng)視頻采集系統(tǒng)一般電路復(fù)雜、成本高，而且較難滿足實(shí)時(shí)性的要求，而采用視頻攝像頭+視頻解碼器+FPGA的模式，可簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜性，其中視頻解碼器對(duì)攝像頭采集的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，FPGA對(duì)信號(hào)的采樣進(jìn)行控制。FPGA的時(shí)鐘頻率高、時(shí)間延遲小，可以滿足實(shí)時(shí)性的要求。基于以上的優(yōu)點(diǎn)文中采用些結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集。

1 視頻解碼器SAA7113H

SAA7113H是Philips公司的一種增強(qiáng)型視頻輸入處理器，內(nèi)部有一系列寄存器，寄存器的讀、寫通過(guò)I2C總線完成。包括一個(gè)雙通道的模擬預(yù)處理電路、可編程靜態(tài)增益和自動(dòng)增益控制電路、時(shí)鐘生成電路、數(shù)字多標(biāo)準(zhǔn)解碼電路、亮度、對(duì)比度、飽和度控制電路和I2C總線控制電路。SAA7113H需外接24．576 MHz晶體，內(nèi)部鎖相環(huán)PLL可輸出27 MHz的時(shí)鐘。自動(dòng)檢測(cè)50 Hz和60 Hz的場(chǎng)頻，可在PAL、NTSC兩種制式之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換。具有4路模擬視頻信號(hào)輸入，通過(guò)內(nèi)部寄存器的不同配置可以實(shí)現(xiàn)4路信號(hào)的轉(zhuǎn)換；輸入可以是4路CVBS或2路Y／C信號(hào)或1路Y／C信號(hào)2路CVBS，輸出為標(biāo)準(zhǔn)ITU656 YUV4：2：2格式的VPO數(shù)據(jù)總線(8-bit)。SAA7113H模擬部分和數(shù)字部分采用+3．3V，數(shù)字I／O接口兼容+5V。

2 系統(tǒng)總體方案及工作原理

系統(tǒng)選用Altera公司的CycloneⅡ系列中的EP2C20Q240C8為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，該芯片內(nèi)部有18752個(gè)LE，26個(gè)乘法器和4個(gè)鎖相環(huán)等。視頻解碼芯片采用Philips的SAA7113H。系統(tǒng)主要由SAA7113H圖像采集接口模塊、I2C總線配置模塊、控制模塊、像素存儲(chǔ)模塊、格式轉(zhuǎn)換模塊和顯示接口模塊組成。設(shè)計(jì)中利用VHDL語(yǔ)言在QuartusⅡ下進(jìn)行編程和調(diào)試。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。


3 主要模塊功能介紹

3．1 SAA7113H圖像采集接口模塊

該模塊負(fù)責(zé)視頻圖像的采集并將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)，為后面的視頻處理做準(zhǔn)備。該模塊與SAA7113H的VPO數(shù)據(jù)總線、RTS0、RTS1、及LLC相連，RTS0和RTS1分別配置為行同步和場(chǎng)同步信號(hào)，只有在這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，輸出數(shù)據(jù)是有效圖像數(shù)據(jù)，否則是消隱信號(hào)。有效的視頻信號(hào)分為奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)，共576行有效數(shù)據(jù)，其中奇數(shù)場(chǎng)有效數(shù)據(jù)為23～310行，偶數(shù)場(chǎng)有效數(shù)據(jù)為336～623行，其余
為垂直控制信號(hào)。

SAA7113H的VP0總線輸出數(shù)據(jù)的頻率是27 MHz，在每個(gè)LLC的上升沿輸出1 Byte有效數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)ITU YUV 4：2：2格式視頻信號(hào)的每個(gè)像素都有各自的亮度分量Y，每?jī)蓚€(gè)相鄰的像素公用一對(duì)的色差數(shù)據(jù)Cb和Cr。在存儲(chǔ)像素?cái)?shù)據(jù)時(shí)，可認(rèn)為每?jī)蓚€(gè)連續(xù)字節(jié)表示一個(gè)像素，當(dāng)需要格式轉(zhuǎn)換或進(jìn)行其他的處理時(shí)，要一次提取兩個(gè)相鄰的像素的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理。其中，每行有數(shù)據(jù)864個(gè)采樣點(diǎn)中有效數(shù)據(jù)720個(gè)，消隱期間數(shù)據(jù)144個(gè)。在完整的一幀圖像數(shù)據(jù)中第一場(chǎng)的消隱EAV為FF 00 00 BX，第一場(chǎng)消隱SAV為FF 00 00 AX；第一場(chǎng)有效數(shù)據(jù)SAV為FF 00 00 8X，有效數(shù)據(jù)EAV為FF 00 00 9X，其他場(chǎng)類推。奇數(shù)場(chǎng)有效數(shù)據(jù)階段的SAV為“FF 00 00 80”，偶數(shù)場(chǎng)有效數(shù)據(jù)階段的SAV為“FF 00 00 C7”。在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿讀取8位數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到一行數(shù)據(jù)的開(kāi)始標(biāo)志FF 00 00 XY時(shí)，檢測(cè)到SAV或EAV信號(hào)，提取H、F、V信號(hào)。然后開(kāi)始對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，根據(jù)8位數(shù)據(jù)自帶的信息，判斷該數(shù)據(jù)是Y、Cb還是Cr，從而得到Y(jié)、Cb、Cr各分量。

3．2 I2C總線配置模塊

該模塊通過(guò)I2C總線協(xié)議對(duì)SAA7113H進(jìn)行配置，時(shí)鐘頻率為20 kHz。通過(guò)該模塊完成SAA7113H配置。配置模塊如圖2所示。

其中，inicio_conf信號(hào)表示啟動(dòng)對(duì)SAA7113H進(jìn)行配置，高電平有效。clk為時(shí)鐘信號(hào)。reset為外部復(fù)位信號(hào)高電平有效。SCL和SDA為SAA7113H配置信號(hào)。CONFIGURACION_OK表示解碼芯片配置好以后輸出一個(gè)控制信號(hào)給控制模塊，以啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

SAA7113H的寄存器地址從00H開(kāi)始，只有01H～05H前端輸入配置部分，06H～13H、15H～17H解碼部分，40H～60H常規(guī)分離數(shù)據(jù)部分，這些可讀寫，其余為保留地址或只讀寄存器，將需要配置的寄存器數(shù)據(jù)存在查找表con_data中，并用count表示當(dāng)前對(duì)哪個(gè)寄存器配置，配置時(shí)逐個(gè)寫入寄存器。

根據(jù)I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序，總線控制器的狀態(tài)機(jī)分為空閑狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、應(yīng)答狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)。Idle狀態(tài)表示總線空閑狀態(tài)，SCL和SDA都為高電平，若clk=1則進(jìn)入Start狀態(tài)。Start狀態(tài)表示總線啟動(dòng)，此時(shí)保持SCL為高電平，將SDA由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而啟?dòng)數(shù)據(jù)傳輸。Data_trans狀態(tài)中一次傳1 Byte數(shù)據(jù)。在本狀態(tài)中，1 Byte數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程為將時(shí)鐘線變?yōu)榈碗娖剑缓髮?shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)線SDA上。再將時(shí)鐘線變?yōu)楦唠娖?，讓接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。傳輸完1 Byte后進(jìn)入Hold。Hold狀態(tài)用來(lái)表示應(yīng)答階段，主要是產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，讓接收方對(duì)1 Byte的數(shù)據(jù)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)。在此狀態(tài)中進(jìn)行對(duì)本次數(shù)據(jù)連續(xù)傳送是否完畢進(jìn)行判斷。如未傳輸完則繼續(xù)到Start狀態(tài)進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的傳輸，并將count-1。Stop狀態(tài)表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。在SCL高電平期間將SDA由低轉(zhuǎn)為高。然后輸出一個(gè)配置完成的信號(hào)。寄存器配置狀態(tài)機(jī)如圖3所示。


3．3 控制模塊

控制模塊由control_enable模塊和control_interface模塊組成主要負(fù)責(zé)圖像采集模塊和顯示接口模塊的同步和使能。當(dāng)解碼芯片配置完成后，從CONFIGURACION_OK輸入使能信號(hào)，啟動(dòng)該模塊，同時(shí)通過(guò)href和odd信號(hào)啟動(dòng)圖像采集模塊和顯示接口模塊，href=1表示SAA7113H通過(guò)VPO傳輸像素?cái)?shù)據(jù)；odd=1表示奇數(shù)場(chǎng)，odd=0表示偶數(shù)場(chǎng)。

3．4 像素存儲(chǔ)模塊

圖像的一幀為720×625提取其中的有效像素640×576存入SDRAM中，再讀出480行數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和顯示。

由于SDRAM每個(gè)單元為16位，所以將一個(gè)Y和一個(gè)Cb或Cr合存在一個(gè)地址空間中，即兩個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一個(gè)地址。SDRAM有4端口模式，2個(gè)用于將FIFO中的數(shù)據(jù)寫SDRAM，2個(gè)用于將數(shù)據(jù)讀到FIFO中，讀寫采用的時(shí)鐘不同，寫時(shí)鐘采用解碼芯片的27MHz，而瀆時(shí)鐘采用VGA的25MHz，由于SDRAM的讀寫速度為50 MHz，時(shí)鐘頻率不同，不能直接寫入，因此需要一個(gè)FIFO將數(shù)據(jù)暫時(shí)儲(chǔ)存，再將其寫到SDRAM中。

此處關(guān)鍵問(wèn)題是隔行掃描到逐行掃描的轉(zhuǎn)換。SAA7113H是先奇數(shù)場(chǎng)后偶數(shù)場(chǎng)的順序輸出，即隔行輸出，而VGA顯示是逐行顯示的，因此要進(jìn)行去隔行操作。利用對(duì)SDRAM的讀寫地址的控制能夠有效解決隔行到逐行的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，數(shù)據(jù)寫入SDRAM是將隔行數(shù)據(jù)寫入到SDRAM的0-640× 576的地址空間中，其中640×23-640×310為1、3、5、…奇數(shù)場(chǎng)的有效數(shù)據(jù)，640×336-640×623為2、4、6、…偶數(shù)場(chǎng)的有效數(shù)據(jù)。兩場(chǎng)數(shù)據(jù)分別通過(guò)不同的FIFO讀出，格式轉(zhuǎn)換時(shí)交叉讀取兩個(gè)FIFO中的數(shù)據(jù)，這樣讀出的數(shù)據(jù)即1、2、3、4、…逐行數(shù)據(jù)。

3．5 格式轉(zhuǎn)換模塊

要將攝像頭采集的圖像顯示在顯示器上，需進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，將YUV格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB格式的數(shù)據(jù)。YUV 4：2：2格式的數(shù)據(jù)兩個(gè)相鄰的像素共用一對(duì)Cb和Cr分量，所以在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí)要先解交織，即一次從FIFO中提取相鄰的兩個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，將Cb和Cr各復(fù)用一次，使得YUV變成4：4：4格式，然后進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存放在reg_RGB中，VGA顯示的時(shí)候交叉讀取這兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換公式如下所示

由于在FPGA中進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算較困難，因此可將式(1)中的各系數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)在進(jìn)行運(yùn)算，采用將各系數(shù)放大1 024倍的方法，得到r、g、b后再除以1 024，放大后的公式為

根據(jù)上述公式得到r、g、b。然后將結(jié)果均右移10位完成除法運(yùn)算，得到RGB值。由于r、g、b均為8位，取值范圍為0～255，而運(yùn)算過(guò)程較易生成負(fù)數(shù)和超過(guò)255的正數(shù)，因此運(yùn)算結(jié)果需將負(fù)數(shù)取0，超過(guò)255的正數(shù)取為255。此方法雖然會(huì)引入誤差，但對(duì)最終圖像的顯示效果不會(huì)有較大影響。

3．6 顯示接口模塊

由interface_vga負(fù)責(zé)圖像的顯示，從reg_RGB寄存器中讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，對(duì)這兩個(gè)像素的讀取由一個(gè)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)在兩個(gè)寄存器之間切換。顯示接口模塊將r、g、b以及hsync、vsync一起發(fā)送給編碼芯片THS8134，通過(guò)VGA顯示出來(lái)，hsync和vsyne分別是行和場(chǎng)同步信號(hào)。在仿真中，選用CycloneⅡEP2C20Q240C8芯片，用QuartusⅡ8．0進(jìn)行綜合與仿真。圖4是對(duì)顯示接口模塊的仿真。由仿真結(jié)果可以看出，行同步和場(chǎng)同步符合時(shí)序要求。


4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)了一種基于CycloneII系列FPGA與視頻信號(hào)處理芯片SAA7113H的嵌入式圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單系、統(tǒng)穩(wěn)定、功耗低、成本低、速度快以及接口方便，可以滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)等的需要。圖像采集系統(tǒng)中采用FPGA作為采集控制部分，可以提高系統(tǒng)處理的速度及系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，對(duì)于不同的視頻圖像信號(hào)，只要在FPGA內(nèi)對(duì)控制邏輯稍作修改，便可實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。