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多分辨率圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的FPGA邏輯設(shè)計(jì)
摘要：提出了一種基于FPGA的實(shí)時(shí)、多分辨率圖像采集系統(tǒng)的控制邏輯設(shè)計(jì)方案；并對(duì)其中的圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理和幀存乒乓刷新機(jī)制這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述；為了驗(yàn)證圖像采集系統(tǒng)在整個(gè)圖像處理系統(tǒng)中所起的作用，還對(duì)圖像壓縮系統(tǒng)的幀率進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)不僅運(yùn)行穩(wěn)定，而且顯著提高了圖像處理系統(tǒng)的整體性能。隨著數(shù)字多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于可視電話、電視會(huì)議、監(jiān)控系統(tǒng)等各種民用、商用及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。但在這些數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中，一個(gè)突出的問題就是數(shù)據(jù)量龐大，特別是在圖像幀率及分辨率要求比較高的場(chǎng)合下，僅用專用的視頻壓縮芯片（Video ASIC）、專用的視頻信號(hào)處理器(Video DSP)或通用的高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP），均無法獲得令人滿意的效果。為此，人們提出了多種解決方案，其中比較有代表性的方案有以下兩種：
一是在中央控制器的調(diào)度下，兩片或多片圖像處理主芯片并行對(duì)圖像進(jìn)行處理。
二是整個(gè)圖像處理系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)和圖像壓縮系統(tǒng)組成，其中圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收原始的圖像數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)處理；圖像壓縮系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像采集系統(tǒng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)并進(jìn)行壓縮。
本文將基于第二種方案，分析其中圖像采集系統(tǒng)的控制邏輯設(shè)計(jì)思想；并結(jié)合圖像壓縮算法的需求，著重介紹圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理的控制流程及實(shí)現(xiàn)方法；最后通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)預(yù)處理前后圖像處理系統(tǒng)的效率進(jìn)行比較分析。
1 圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理
本文以高性能、高集成度、低功耗系列FPGA作為核心部件，利用FPGA的在系統(tǒng)可編程以及控制邏輯實(shí)現(xiàn)方式靈活等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足多分辨率灰度和彩色圖像的實(shí)時(shí)壓縮處理要求，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括A/D轉(zhuǎn)換部分、幀存部分和核心控制部分。下面分別對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行介紹。
1.1 A/D轉(zhuǎn)換部分
A/D轉(zhuǎn)換部分即圖1中的視頻解碼器，用來完成模擬視頻信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生復(fù)合的YUV數(shù)據(jù)流，并送入采集系統(tǒng)的FPGA中。
A/D轉(zhuǎn)換部分所選用的視頻解碼器是Philips公司的視頻A/D芯片SAA7111A_4，它不僅具有自動(dòng)場(chǎng)頻檢測(cè)牧場(chǎng) 生而且其場(chǎng)同步參考信號(hào)VREF、行同步參考信號(hào)HREF、奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)RTS0、像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2幸免可從芯片的輸出管腳直接得到，從而簡化了時(shí)鐘鎖相與同步功能模塊的設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性均有所提高，同時(shí)減少了整個(gè)系統(tǒng)的功耗[2]。
1.2 幀存部分
幀存部分采用雙幀存結(jié)構(gòu)，包括圖1中的幀存A與幀存B，每個(gè)幀存由兩片IDT71V424 SRAM構(gòu)成，能夠存放720X576分辨率的一幀YUV圖像數(shù)據(jù)。由于采用了乒乓機(jī)制，這種結(jié)構(gòu)能夠使圖像數(shù)據(jù)的采集與壓縮并行，從而提高圖像的壓縮幀率。
1.3 核心控制部分
采集系統(tǒng)的核心控制部分即圖1中的FPGA。首先對(duì)A/D轉(zhuǎn)換部分的輸出數(shù)據(jù)流進(jìn)行一定的預(yù)處理；其次將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)在幀存乒乓、刷新機(jī)帛的控制下寫入適當(dāng)幀存中；最后完成與圖像壓縮系統(tǒng)的接口控制，即適時(shí)幀存的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給圖像壓縮系統(tǒng)，由圖像壓縮系統(tǒng)將幀存中的數(shù)據(jù)讀出后釋放幀存的控制權(quán)。另外本部分還負(fù)責(zé)接收用戶輸入的圖像分辨率、色彩以及相應(yīng)壓縮碼流傳輸信道的帶寬等控制信息，并在這些信息發(fā)生變化時(shí)用中斷的方式通知圖像壓縮系統(tǒng)。
核心控制部分所選用的FPGA為Xilinx公司的Virtex-100E繁列，它具有10萬等效系統(tǒng)門，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可達(dá)240MHz，用戶可用的I/O管腳有196個(gè)，核電壓為1.8V，峰值功耗較低[3]。
1.3.1 圖像采集系統(tǒng)控制邏輯功能框圖
圖像采集系統(tǒng)控制邏輯框圖如圖2所示。①作為采集系統(tǒng)核心控制邏輯的主控模塊，用來調(diào)用②～⑥各子功能模塊。子功能模塊②是整個(gè)控制邏輯執(zhí)行的起點(diǎn)，它根據(jù)I2C協(xié)議來配置視頻解碼器，并且只有I2C配置過程結(jié)束后，才能啟動(dòng)其它子功能模塊的運(yùn)行。子功能模塊③用于完成圖像采集系統(tǒng)與圖像壓縮系統(tǒng)的交互。子功能模塊④～⑥用于完成圖像采集、預(yù)處理、存儲(chǔ)控制等功能。下邊介紹介紹各子模塊的設(shè)計(jì)思想。
1.3.2 基于I2C配置視頻解碼器
視頻解碼器的初始化配置是由FPGA通過I2C總線完成的，主要包括對(duì)視頻解碼器的工作模式、輸出行場(chǎng)同步參考信號(hào)的時(shí)序關(guān)系以及輸出數(shù)字信號(hào)的格式等進(jìn)行的設(shè)置。
1.3.3 與圖像壓縮系統(tǒng)握手
為了確保圖像壓縮系統(tǒng)與圖像采集系統(tǒng)的同步、需要在FPGA中實(shí)現(xiàn)兩者之間的握手機(jī)制，主要是接收?qǐng)D像壓縮系統(tǒng)請(qǐng)示幀存控制權(quán)和釋放幀存控制權(quán)的信號(hào)，并根據(jù)FPGA內(nèi)部邏輯的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)。
1.3.4 原始圖像數(shù)據(jù)采集
在一幀圖像數(shù)據(jù)的采集過程中，最重要的就是對(duì)一幀圖像數(shù)據(jù)開始和結(jié)束時(shí)刻的判斷。在仔細(xì)研究了SAA7111A_4所提供的同步信號(hào)（奇偶場(chǎng)標(biāo)識(shí)信號(hào)RTS0
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