EDN China > 设计实例 > 可编程器件 > FPGA > 正文
? 2016博客大赛-不限主题,寻找电子导师,大奖升级??

基于FPGA的高清视频采集与显示系统设计

21ic?? 2011年09月01日 ?? 收藏0

  近年来,高清网络摄像机席卷视频监控市场,传统的模拟摄像机也在寻找新的出路提升图像质量,采用非压缩方案的高清模拟摄像机成为首选。一般来说,非压缩方案的硬件平台有DSP或ASIC或FPGA。它们各有优缺点,FPGA是现场可编程门阵列,兼顾了实时性与灵活性,而且还可以内嵌CPU,因此适合用来做图像处理。FPGA的最大缺点是功耗太大,但本文设计的不是便携式消费电子,功耗问题可以不考虑。

  本文在数据传输方式上进行了创新,一般的视频采集与显示方案均需要使用2个DMA通道和2片SDRAM做缓存,本文采用自行编写的BURST模块传输,仅需要一片SDRAM,节省硬件开销的同时降低了PCB板的复杂度。

  系统总体设计

  FPGA是整个系统的核心,本文采用的FPGA是Cyclone系列的EP3C16,它内部集成了15408个逻辑单元,56个18×18乘法器,4个锁相环,CCD是SONY的ICX274,其有效分辨率是1600×1200,像素时钟是36MHz,并且逐行扫描。SDRAM是Micron的MT48LC2M32B2,容量是2M×32bit,完全满足本设计的需要。

  首先ADC驱动CCD,CCD输出模拟视频,经过ADC转换成数字图像数据,然后通过FPGA内部的BURST传输写到SDRAM,在SDRAM内部开辟三段数据空间。其中code区域存放NIOS软件代码,bufferA和bufferB作为图像数据缓存,当图像数据写入bufferA时,可以读bufferB用于显示,当一帧数据采集完后,切换BURST传输地址,写入bufferB,此时读bufferA用于显示,这样数据可以不间断地采集和显示,这就是所谓乒乓操作。FPGA输出的视频数据经过编码器编码后形成串行码流,即SDI数据,然后经过同轴电缆线传输到具有SDI接口的显示器显示。其中,FLASH用来保存NIOS软件和FPGA硬件配置信息。

  在FPGA内部实现的模块中,VIDEOIP是根据AVALON总线规范编写的用户自定义模块,其余的模块均是ALTERA提供的标准模块,只需要在SoPCBuilder中调用即可,因此本系统的设计主要是VIDEOIP的设计。

  硬件模块设计

  硬件模块也就是VIDEOIP模块,主要由色彩插值、色彩空间转换、FIFO三部分构成。基于成本与工程复杂度的考虑,本系统为单CCD系统,在CCD表面覆盖一层色彩滤波阵列(CFA),该滤波阵列采用Bayer格式,每个像素点只有一个颜色通道,为了实现彩色显示,每个像素点必须要有RGB3个通道,要通过色彩插值才能获得其余两个通道。本文处理的视频数据都是YCbCr格式,因此还需要经过色彩空间转换将RGB格式转换成YCbCr格式。由于NIOS处理器的位宽是32bit,而YCbCr(4:2:2)是16bit,所以YCbCr必须经过FIFO,当FIFO半满时,通过BURST传输写数据到SDRAM。值得注意的是:写入FIFO之前,YCbCr的格式是4:4:4,为了方便显示,必须转换成4:2:2,本设计采取了最简单的处理方式,就是Cb和Cr间隔采样。实验表明,这种处理不影响显示效果。

  色彩差值算法

  考虑到本文设计的系统主要用于视频监控,因此采用最简单的插值算法,即双线性正交法。该算法的原理是在每个像素的领域取8个像素构成3×3阵列,该阵列中心的像素为待插值像素,其中一个色彩通道直接使用该像素的数据,另外两个色彩通道通过计算领域的2个或4个像素的平均值获得。不同位置的像素四周情况不同,根据待插值像素所处位置总结出4种情况(设待插值像素坐标为(X,Y))。

程序

  由于要形成3×3阵列,因此FPGA硬件实现时,为色彩插值模块,采用3个双口RAM分别保存3行数据,其中A、B、C、D、E、F表示寄存器,CCD的数据是在行场同步控制下从左到右、从上到下输出,在行场同步下先把第一行数据写到RAM1,写完第一行再切换到第二行,写完第二行再写第三行,第三行写完第3个数据即可读出RAM和各寄存器的数据做色彩插值,当第三行写完以后,第四行数据再写到RAM1,以此类推,一直循环直到一帧数据处理结束。值得注意的是:3×3阵列各行的数据是循环切换的,当RAM1保存的是3×3阵列的第一行数据时,3×3阵列第一行数据从左到右依次为B、A、RAM1,第二行数据从左到右依次D、C、RAM2,第三行数据从左到右依次为F、E、RAM3;当RAM2保存第一行数据时,第一行是D、C、RAM2,以后各行循环切换,不再赘述。

  3×3阵列的数据进入多路选择器,根据当前的位置以及所需的颜色通道选出4个像素进行相加求和运算。4个像素的获得方法是:当是1个像素时,复制3次;得到4个像素,当是2个像素求平均时,每个像素各复制1次;当是4个像素求平均时,不用复制。


上一页12下一页
?? ?? ??


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友
?? ??

FPGA? 视频采集? FIFO?

相关文章

我来评论
美国的游客
美国的游客 ??? (您将以游客身份发表,请登录 | 注册)
?
有问题请反馈