基于FPGA的高清采集与显示系统设计

本文介绍了一种基于FPGA的视频采集与显示系统的设计。系统以FPGA为核心，配合高分辨率CCD图像传感器、ADC模数转换、视频编码器等，实现了高清视频实时采集与显示。详细阐述了色彩插值与色彩空间转换算法和BURST传输的FPGA硬件实现。测试表明，该系统运行良好，能够满足高清视频实时监控要求。

　　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。

　　1 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15 408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1 600×1 200，像素时钟是36 MHz，并且逐行扫描。SDRAM是Micron的MT48LC2M32B2，容量是2 M×32 bit，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，VIDEO IP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SoPC Builder中调用即可，因此本系统的设计主要是VIDEO IP的设计。

　　2 硬件模块设计

　　硬件模块也就是VIDEO IP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RGB 3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32 bit，而YCbCr(4:2:2)是16 bit，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。

　　2.1 色彩插值算法

　　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))。

　　(a)R(X,Y)=[R(X,Y-1)+R(X,Y+1)]/2;

　　G(X,Y)=G(X,Y);

　　B(X,Y)=[B(X-1,Y)+B(X+1,Y)]/2;

　　(b)R(X,Y)=[R(X-1,Y-1)+R(X+1,Y-1)+R(X-1,

　　Y+1)+R(X+1,Y+1)]/4;

　　G(X,Y)=[G(X-1,Y)+G(X,Y-1)+G(X+1,Y)+

　　G(X,Y+1)]/4;

　　B(X,Y)=B(X,Y);

　　(c)R(X,Y)=R(X,Y);

　　G(X,Y)= [G(X-1,Y)+G(X,Y-1)+G(X+1,Y)+

　　G(X,Y+1)]/4;

　　B(X,Y)= [B(X-1,Y-1)+B(X+1,Y-1)+

　　B(X-1,Y+1)+B(X+1,Y+1)]/4;

　　(d)R(X,Y)=[R(X-1,Y)+R(X+1,Y)]/2;

　　G(X,Y)=G(X,Y);

　　B(X,Y)= [B(X,Y-1)+B(X,Y+1)]/2

　　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。

　　本文采用的CCD为SONY的ICX274，其有效分辨率为1 600×1 200，而用于显示的分辨率为1 280×720(720P)，因此需要截取1 600×1 200为1 282×722进行插值，增加两行两列是为了做边界处理。

　　2.2 色彩空间转换

　　本文采用的转换关系如下：

　　Y=0.257×R+0.504×G+0.098×B+16

　　Cb=-0.148×R-0.291×G+0.439×B+128

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　　Cr=0.439×R-0.368×G-0.071×B+128

　　在FPGA实现时，以上转换关系要调用乘加单元。其中为了保持数据的稳定，增加处理速度，增加了三级流水线，由于系数为小数，因此先左移8位，取整数后分别与R、G、B相乘，再右移8位输出，最后与整数相加输出YCbCr格式数据。

　　2.3 突发传输模块

　　经过上述两步处理以后的视频数据即可用于显示，本文采用突发传输方案。视频数据首先经过FIFO缓冲，然后经过突发传输写到SDRAM，数据从SDRAM读出也是采用突发传输，读出的数据再经过另外的FIFO缓冲以后即可用于显示。突发(BURST)传输一次进行多个数据单元的传输，而不仅仅是把每个数据单元作为一次单独的传输。这样便提高了从端口的数据吞吐量，在主端口一次处理多个数据单元时，可以达到极高的效率。要使用突发传输就必须严格按照突发传输的规范设计AVALON总线接口。限于篇幅，本文不再详述AVALON总线接口。

　　3 测试结果

　　本系统使用了48%的逻辑单元和40%的存储器，还有剩余的资源可以给系统增加更多的功能。该系统运行良好。本文设计的基于FPGA的高清视频处理系统，能在FPGA硬件设备中高速、高质量地对CCD传感器采集的Bayer图像进行色彩插值和色彩空间转换，经过SDI编码后能够实时显示。在本设计的基础上可以增加更多的功能以改变图像质量，例如3A算法(自动曝光，自动白平衡，自动聚焦)。