基于FPGA的图象与视频处理的嵌入式平台.pdfVIP

基于FPGA的图象与视频处理的嵌入式平台 陈诚 武汉理工大学信息工程学院通信与信息系统（430070） taozi21@ 摘要: 摘摘要要:: 如今，图象与视频处理在人们日常生活的应用越来越普及，这将不可避免地需要使用 嵌入式处理器来代替传统的基于PC机的硬件解决方案。在这篇文章中，将介绍现代高集成 度的大规模逻辑门FPGA芯片使这类多媒体处理系统既提高性能，又能降低成本成为现实。 在这篇文章中，我们将描述一套完全基于FPGA而设计的嵌入式系统，来解决图象和视 频处理的应用方案。该方案包括硬件，软件设计力求使系统处理效率高，速度快，并且该系 统有较高的可移植性，此外还需要有良好的与用户交互方式和运行时可定制的个性方案。 关键词: 关关键键词词:: FPGA 嵌入式 图象与视频处理 中图分类号： 中中图图分分类类号号：： 1. 11..绪论 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC） 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门 电路数有限的缺点[1]。此外，正因为它的这些特性使之成为不仅仅用来作精确运算，而且 能做接口模块，控制器，逻辑运算，甚至是微处理器，因此可以将整个系统设计在一个芯片 上，使之功能更强，更加复杂。 图象和视频处理的应用在推动计算机发展的道路上扮演着非常重要的角色，在将来，图 象和视频处理随着应用需求，将向着更高帧处理速度方面发展，而这就需要FPGA有着更高 更完善的性能。 这篇文章详细介绍了一个基于FPGA的平台。它的目标是构建一个提高图象处理运算能 力的嵌入式平台。这个平台要求对象是符合标准模拟格式的视频，将它数字化，然后将其存 储在外围存储设备当中，以此来解决FPGA存储空间受限这个在图象应用中的最主要的难题， 为了将更多功能集成到该嵌入式系统中，这个平台必须包括一个非常重要的允许与用户交互 的接口：能让用户自行配制选项，参数等。 接下来，简要介绍一下这个平台。首先，描述了帧捕捉模块和通用用户接口界面，这在 第二、三两章分别对其进行了介绍。然后，在第四章综合讲述了构建整个平台的软件与硬件 结构。第五章介绍了该应用平台已经应用的一个实例。最后，第六章对该平台进行总结。 2. 22..帧捕捉 为处理视频，我们已经定制了一个帧捕捉器，它将接受到的标准模拟格式的视频信号 转换成数字信号并将其保存在存储设备中。下面将依次介绍视频采集模块和帧缓冲器，图1 为视频采集模块的硬件结构图。 2.1 视频采集 SAA7113是一款功能强大且操作简单的9位视频输入处理芯片，该芯片采用CMOS工艺， 通过I2C总线与PC或微控制器相连构成应用系统 。它内部包含两路模拟处理通道，能实 现视频信号源选择、抗混叠滤波、A/D转换、自动箝位、自动增益控制(AGC)、时钟发生(CGC)、 多制式解码、亮度/对比度/饱和度控制(BCS)和多标准VBI数据解码。SAA7113主要有以下 特点: 1)具有四路模拟输入通道，并可以进行内部模拟信号源选择，如4×CVBS、2×Y/C或者1× Y/C和2×CVBS。 2)对所选的CVBS(或Y/C)通道可编程实现静态增益控制或者自动增益控制，且有两个内置的 模拟抗混叠滤波器。 3)两个9位CMOS模数转换器，数字化的CVBS或 Y/C信号通过I2C总线控制输出到VPO口。 4) 可自动检测50 Hz和60 Hz场频视频信号，在PAL和NTSC制式间自动切换。可对下列 制式的视频信号进行亮度和色度处理： PAL BGHI、 PAL N、 联合PALN、 PAL M、 NTSC M、 1 NTSC N、 NTSC4.43、 NTSC-Japan和SECAM。 5) VPO 总线输出标准 ITU656 YUV4?2?2 格式的数