0 引言
圖像是自然生物或人造物理的觀測系統(tǒng)對世界的記錄，是以物理為載體，以介質(zhì)來記錄信息的一種形式。圖像信息是人類認(rèn)識世界的重要知識來源。據(jù)學(xué)者統(tǒng)計(jì)，人類所得的信息有80％以上是來自眼睛攝取的圖像。而事實(shí)上，這種靜態(tài)的圖像已無法滿足人們對視頻信息的要求。隨著人們對視頻數(shù)據(jù)的要求越來越高，高清晰、實(shí)時(shí)性視頻數(shù)據(jù)量越來越大，視頻的實(shí)時(shí)處理難度也在逐漸增大。本文給出了一款基于DSP+FPGA的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于關(guān)系公共安全的場所，如銀行、機(jī)場、車站、商場等。
1 實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
常見的視頻采集系統(tǒng)主要有兩種：一種是基于單處理器(單片機(jī)、ARM等)的視頻采集卡，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是無法實(shí)時(shí)地對視頻數(shù)據(jù)完成處理，需要使用外部處理器來完成特定的視頻處理算法，因而成本高，升級維護(hù)難度大；另一種是基于主從處理器(ARM+DSP，F(xiàn)PGA+DSP等)的嵌入式視頻采集卡，特點(diǎn)是系統(tǒng)高度集成，易于維護(hù)升級，可以滿足視頻采集的需求，同時(shí)可以完成特定的視頻算法，成本較低。因此，本文給出了一種基于DSP+FPGA的嵌入式視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是通過模擬的視頻攝像頭來獲取視頻信號，然后采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片SAA71 11A將模擬的PAL制式視頻信號轉(zhuǎn)換為YUV4：2：2的數(shù)字視頻信號。設(shè)計(jì)使用FPGA芯片EP1C6Q240C8作為協(xié)處理器，來完成視頻信號的緩存和視頻幀的合成，通過雙RAM的乒乓結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)視頻幀的完整性，并在完成視頻數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，將視頻數(shù)據(jù)傳入到DSP中，完成特定的視頻處理算法(如壓縮等)，最后對處理完的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和存儲。同時(shí)，主處理器DSP還負(fù)責(zé)對視頻采集芯片進(jìn)行初始化配置。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2．1 視頻采集模塊
設(shè)計(jì)一個(gè)視頻采集系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，通常是將外部的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過專用的視頻轉(zhuǎn)換芯片，來將模擬的視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號。本設(shè)計(jì)采用的是模擬CMOS攝像頭和Philips公司的高性能視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路芯片SAA71 11A。
SAA7111A是Philips公司的一款高性能視頻輸入處理芯片。它共有四路模擬視頻信號輸入端，可以輸入4路CVBS或2路S視頻(Y／C)信號，也可以編程選擇四路視頻輸入中的一路或者兩路組成不同的工作模式；可實(shí)現(xiàn)行同步、場同步信號的自動監(jiān)測、分離，或場頻50 Hz或60 Hz自動檢測，并可在PAL制和INTSC制之間自動切換，同時(shí)能對不同輸入制式的亮度信號、色差信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)亮度、色度和飽和度的片內(nèi)實(shí)時(shí)控制；SAA7111A中的I2C總線接口可以對片內(nèi)寄存器進(jìn)行設(shè)置。它有32個(gè)控制寄存器，其中的22個(gè)可編程；該器件的輸出為16位V．PO總線，輸出格式有12位YUV4：1：1、16位YUV4：2：2、8位CCIR－656、16位565RGB和24位的888RGB；輸出信號可提供采樣時(shí)鐘、行同步、場同步等多種同步信號。
SAA7111A可將PAL制式的模擬視信號頻轉(zhuǎn)化為YUV4：2：2的16位數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，大小為625×720×16 bit，其中25行用作場回掃，因此，每幀的有效數(shù)據(jù)有576×720×16 bit。
2．2 視頻前端處理模塊
數(shù)字化后的視頻數(shù)據(jù)量一般都十分巨大。為了保證視頻數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了視頻的前端處理模塊。其主要功能是完成視頻數(shù)據(jù)的緩存，視頻幀的合成，乒乓操作以及與DSP的通信。由于FPGA內(nèi)部能反復(fù)編程，可以使系統(tǒng)簡化，減小板卡面積，易于維護(hù)，升級方便，因此，本文采用了ALTERA的EP1C6Q240C8來完成視頻前端處理功能。
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