基于FPGA的视频监控.pdfVIP

基于FPGA 的视频监控 在工业系统中，很多仪器和设备都需要实时监控其运行状态，由于工业环境很多情况下 并不适合人工长期现场值守，因此往往选择使用视频监控设备来将工业环境中的情况实 时采集到监控室，由专人统一来监视，保证对工业环境中仪器设备运行情况的实时掌握。 目前，已有视频监控系统采用的方案主要分为4 种，分别为采用ARM 或X86 处理器的 方案、DSP 数字信号处理器的方案、专用视频监控集成芯片方案和使用FPGA 方案。 基于ARM 或X86 处理器架构的视频监控方案应用相对成熟，开发简单，使用灵活，尤 其是使用ARM 处理器的方案，系统结构简单，成本低廉。但是，无论是基于ARM 或 X86 的方案，都存在着性能瓶颈以及可升级性较差的问题。无法实现高速的或多通道的 数据采集和同步显示。 DSP 数字信号处理器以其卓越的数据运算性能，在图像数据处理方面有很高的效率和灵 活性。适用于需要对图像数据进行处理变换的应用中，但是，DSP 本身数据带宽有限， 当需要处理的数据总量达到一定的程度后，DSP 由于其串行运算的本质，其性能也会出 现瓶颈。另外，一般DSP 芯片的片上外设大多固定，扩展性有限，即可升级性不强，而 且，能够实现视频图像采集和处理的DSP 芯片，成本都相对较高。 专用视频监控集成芯片专为视频监控应用而开发，在性能和成本上有非常大的优势，适 合大规模的应用。但是，由于是专用集成芯片，其功能单一，性能固定，因此扩展性和 升级性较差，该方案主要适用于功能明确且成本敏感的应用。 采用FPGA 的方案，拥有很高的数据带宽和扩展性。另外，由于FPGA 拥有强大的并行 数据处理能力，在数据采集、处理、存储以及传输上都有非常高的实时性，而且，由于 FPGA 属于通用可编程逻辑器件，能够在不改变本身芯片硬件结构的情况下大幅度修改 设计功能，因此具有非常高的扩展性和可升级特性。从理论上，只要FPGA 资源足够多， 单颗FPGA 芯片就能实现多通道的视频采集、存储和显示。只是，相对于采用ARM 的 方案，FPGA 方案成本更高一些。 考虑工业环境的视频监控主要目的是为了实时了解仪器设备的运行状态，对图像数据的 处理并无较高要求。另外作为仪器设备，可能工作在较高的速度，即设备动作较快，因 此，要求能够通过摄像头快速采集图像数据，并实时显示。而且，工业环境中，经常存 在多台设备需要同时监控，即需要多通道图像数据同步采集和显示。综合考虑，确定采 用以FPGA 作为监控系统处理器的方案。 FPGA 历史与发展介绍，以及使用FPGA 开发产品的优势，大约200 字 完整的FPGA 开发流程包括方案确立、模块划分、设计输入、设计验证、板级调试等步 骤。其中，设计验证是整个FPGA 系统开发中最为重要的一步，只有进行完整设的计验证， 才能确保所设计系统的稳定可靠。因此，本系统，也采用专业的fpga 设计验证工具modelsim 来进行设计验证。 modelsim 历史发展与介绍，大约100 到150 字。 基于FPGA 的视频监控系统方案设计： 一个简单的视频监控系统包括图像数据采集、图像数据存储和图像数据的显示。而图像 数据采集根据所使用传感器的不同，分为使用CCD 图像传感器和使用CMOS 图像传感 器方案。图像数据存储也根据数据量的大小和数据存储速度的快慢，可使用静态随机读 写存储器（SRAM）、动态刷新随机存储器（SDRAM ）和双速率动态刷新随机存储器（DDR SDRAM ）。图像数据的显示根据显示设备的不同，分为通用VGA 接口显示器和LCD 液 晶显示器。接下来，就通过分析对比各部分实现方案的特点，并结合本系统的实际需求， 最终确定本视频监控系统的实施方案。 图像传感器： 在视频监控系统中，图像传感器选择直接决定了系统的各方面性能。而图像传感器根据 成像器件的不同，主要可分为电荷耦合器件（CCD ）和互补金属氧化物半导体（CMOS ） 两类。其中，CCD 摄像头发展较早，技术较为成熟。CCD 使用一种高感光度的半导体 材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。CCD