一種嵌入式的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,據(jù)預(yù)測(cè)到2010年,市場(chǎng)容量將超過(guò)93.1億人民幣。智能移動(dòng)機(jī)器人是在室外環(huán)境中，將視頻圖像采集回來(lái)之后，按照預(yù)先給定的目標(biāo)任務(wù)，結(jié)合已知的地理信息做出路徑規(guī)劃，在行駛的過(guò)程中能夠不斷感知和判斷周圍的環(huán)境信息，自主地做出各種決策，隨時(shí)調(diào)整自身的行駛狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和操作[1]。在這個(gè)過(guò)程中，視頻采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，是進(jìn)行后續(xù)數(shù)字圖像處理的前提條件。因此，必須有高性能的硬件設(shè)備和高質(zhì)量的算法作為基礎(chǔ),實(shí)時(shí)視頻采集才成為可能。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小，功耗低，速度快，適應(yīng)性好，能夠滿足智能移動(dòng)機(jī)器人視頻信號(hào)處理系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)基本原理

圖1為系統(tǒng)工作原理框圖，整個(gè)系統(tǒng)所需各種芯片的電路連接如下圖所示，由CCD攝像頭輸出模擬視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)視頻解碼芯片SAA7111A進(jìn)行視頻預(yù)處理(鉗位、放大、A/D轉(zhuǎn)換、同步分離等)后輸出圖像數(shù)字信號(hào)IPD、行同步信號(hào)HREF、場(chǎng)同步信號(hào)VREF、奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)RST0和13.5MH像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2去驅(qū)動(dòng)FPGA，從而產(chǎn)生正確的圖像采集時(shí)序和存儲(chǔ)地址，并將采集的圖像存儲(chǔ)到雙口RAM中。整個(gè)系統(tǒng)由視頻采集控制和幀存讀寫控制兩個(gè)核心模塊組成，它們的功能都由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙口RAM分為幀存A和幀存B兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)乒乓式的讀寫操作，能夠完成圖像的實(shí)時(shí)采集。SAA7111A的配置程序和FPGA采集控制程序存儲(chǔ)在FLASH中，系統(tǒng)上電工作時(shí)加載。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

3 圖像采集系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1視頻信號(hào)

視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)(幀同步信號(hào))、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因而，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的電路也非常復(fù)雜。Philips公司將這些非常復(fù)雜的視頻A/D轉(zhuǎn)換電路集成到了一塊芯片內(nèi)。從而生產(chǎn)出功能強(qiáng)大的視頻輸入處理芯片SAA7111A,為視頻信號(hào)的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便。

3.2 SAA7111A 性能及工作協(xié)議

SAA7111A是PHILIPS公司的一種增強(qiáng)型視頻輸入處理器芯片，它集A/D與解碼功能于一身，片內(nèi)還附有鎖相、自動(dòng)鉗位控制、時(shí)鐘自動(dòng)增益產(chǎn)生、多制式解碼等電路，另外還可對(duì)亮度、對(duì)比度和飽和度進(jìn)行控制[2]。既支持PAL電視制式，又支持NTSC電視制式。SAA7111A內(nèi)部含有I2C接口，可簡(jiǎn)潔的通過(guò)I2C總線對(duì)SAA7111A的工作方式進(jìn)行設(shè)定。SAA7111A的場(chǎng)同步信號(hào)VREF、行同步信號(hào)HREF、奇偶場(chǎng)信號(hào)RST0、像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2都由引腳直接引出，從而省去了以往時(shí)鐘同步電路的設(shè)計(jì)，其可靠性和方便性有了很大的提高。

圖2所示為SAA7111A的功能方框圖。從SAA7111A的四個(gè)模擬輸入端AI11,AI12, AI21, AI22輸入的視頻圖像信號(hào)，經(jīng)模擬處理后，一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后產(chǎn)生數(shù)字色度信號(hào)和亮度信號(hào)，分別進(jìn)行亮度信號(hào)處理和色度信號(hào)處理。亮度信號(hào)處理的結(jié)果一路送到色度信號(hào)處理器，進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號(hào)，經(jīng)格式化后從VPO(16位)輸出;另一路進(jìn)入同步分離器，經(jīng)數(shù)字PLL產(chǎn)生相應(yīng)的行和場(chǎng)同步信號(hào)HS和VS，同時(shí)PLL驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，產(chǎn)生與HS鎖定的時(shí)鐘信號(hào)LLC和像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2。所有這些功能均是在I2C總線控制下完成的，其中SCL為串行時(shí)鐘信號(hào)，SDA為串行數(shù)據(jù)信號(hào)。

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2005038095);山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20051043);中北大學(xué)科學(xué)基金資助項(xiàng)目。

圖2 SAA7111A功能方框圖

SAA7111A的主要特點(diǎn)：

可編程選擇四路視頻輸入的一路或兩路，組成不同的工作模式，在其內(nèi)部有兩路模擬視頻信號(hào)處理通道，可進(jìn)行靜態(tài)增益控制或自動(dòng)增益控制，還有兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器;

可對(duì)芯片編程進(jìn)行自電平控制、抗混疊濾波、梳狀濾波;

場(chǎng)頻50Hz或60Hz自動(dòng)檢測(cè)，并在PAL和NTSC制之間自動(dòng)切換;

能對(duì)不同輸入制式的亮度信號(hào)和色度信號(hào)進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)亮度、色度和飽和度的片內(nèi)控制;

提供兩種數(shù)據(jù)方式供選擇，這兩種數(shù)據(jù)方式分別是RGB和YUV，可靈活輸出不同的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)格式，主要有：4:1:1的YUV格式(12bit ), 4:2:2的YUV格式(16bit), 4:2:2的YUV格式[CCIR-656](8bit), 5:6:5的RGB格式(16bit)和8:8:8的RGB格式(24bit);

SAA7111A的工作模式由其內(nèi)部的控制寄存器決定，需根據(jù)不同的視頻標(biāo)準(zhǔn)來(lái)配置相應(yīng)的內(nèi)部寄存器，即初始化。用戶根據(jù)I2C 總線協(xié)議,將需要的控制字寫入控制地址即可對(duì)SAA7111A進(jìn)行相應(yīng)的控制。這些控制包括:圖像數(shù)據(jù)輸出格式、色彩、明暗、飽和度及各種參考信號(hào)的輸出。I2C總線傳送數(shù)據(jù)的基本時(shí)序如圖3所示。

圖3 I2C總線的基本時(shí)序

總線上的數(shù)據(jù)傳輸可以是讀或?qū)憙煞N方式，其寫格式為:

其中：S為總線起始信號(hào);Slave Address W為被控器SAA7111的尋址字節(jié);A為被控器應(yīng)答信號(hào);SubAddres為SAA7111控制寄存器的地址;Data(NB)即控制寄存器的配置參數(shù);P為總線終止信號(hào)[3]。

3.3 FPGA的采集控制原理

SAA7111A的輸出時(shí)鐘信號(hào)包括LLC(27MHz)和LLC2(13.5MHz)，其中LLC2為像素時(shí)鐘頻率，每一時(shí)鐘對(duì)應(yīng)一個(gè)16位像素輸出。行參考同步信號(hào)HREF，高電平表示一行的有效像素，為720個(gè)LLC2周期。場(chǎng)參考同步信號(hào)VREF高電平時(shí)表示輸出是有效行圖像，單場(chǎng)是286行;低電平期間為場(chǎng)消隱信號(hào)，是26個(gè)行周期。RTSO=1時(shí)表示輸出為奇數(shù)場(chǎng)，RTSO=0時(shí)為偶數(shù)場(chǎng)[4]。輸入信號(hào)FEI為輸出使能信號(hào)，為0時(shí)允許數(shù)據(jù)輸出，為1時(shí)數(shù)據(jù)輸出處于高阻狀態(tài)。圖4，5分別為采集一行和奇數(shù)場(chǎng)圖像的信號(hào)時(shí)序圖。

圖4 SAA7111A采集一行圖像的時(shí)序圖

啟動(dòng)采集前必須對(duì)SAA7111A內(nèi)部的32個(gè)寄存器寫入相應(yīng)的值。在采集的過(guò)程中，僅采集奇場(chǎng)圖像信號(hào)而不采集偶場(chǎng)圖像信號(hào)。因?yàn)橹徊杉鎴?chǎng)信號(hào)也能得到穩(wěn)定的圖像，而可以利用偶場(chǎng)圖像時(shí)間等待處理圖像。對(duì)有效像素、無(wú)效像素、有效行和無(wú)效行進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生RAM的地址、讀寫、選通等控制信號(hào)，均由FPGA完成。由于只采奇場(chǎng)圖像，行數(shù)也減少為原來(lái)的一半，為286行，前后各去掉23行，取中間240行。當(dāng)RTSO為高電平且VREF上升沿到來(lái)時(shí)，標(biāo)志奇數(shù)場(chǎng)開始，啟動(dòng)無(wú)效行計(jì)數(shù)器對(duì)HREF信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)滿前23行后，啟動(dòng)有效行計(jì)數(shù)器，置COUT信號(hào)為高電平，且在水平同步信號(hào)VREF=1、垂直同步信號(hào)HREF=1、

圖5 SAA7111A奇數(shù)場(chǎng)采集的時(shí)序圖

奇偶場(chǎng)信號(hào)RTSO=1時(shí)，啟動(dòng)無(wú)效像素計(jì)數(shù)器，對(duì)LLC2二分頻后的像素時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。LLC2二分頻后頻率降為6.75MHz，每行像素點(diǎn)由原來(lái)的720點(diǎn)，減少為360點(diǎn)，將其截頭去尾，前后各去掉20個(gè)像素，取一行中間的320個(gè)像素點(diǎn)，即得到分辨率為320 X 240的一幀圖像[5]。當(dāng)無(wú)效像素計(jì)數(shù)器計(jì)滿前20后，啟動(dòng)有效像素計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)緩沖器打開，每計(jì)一次數(shù)，地址發(fā)生器加1，產(chǎn)生地址信號(hào)，讀寫信號(hào)WR，選通信號(hào)RAM_SEL，當(dāng)一幀圖像寫完后，置FLAG信號(hào)為低，觸發(fā)中斷信號(hào)，以便處理器處理圖像。值得注意的是，利用FPGA可以很靈活地控制存入RAM存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)量。這里將圖像分辨率設(shè)計(jì)為320 X 240，實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要靈活設(shè)置。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：該系統(tǒng)能夠完成對(duì)視頻信號(hào)的采集，適應(yīng)性極強(qiáng)的FPGA主要用于控制圖像信號(hào)的采集，F(xiàn)PGA除了完成對(duì)SAA7111A配置以外，還完成圖像提取處理、圖像存儲(chǔ)地址產(chǎn)生器等功能。由于FPGA的在線可編程特性使該系統(tǒng)變得更加靈活。此外，成熟的編譯環(huán)境和FPGA與SAA7111A簡(jiǎn)單的外圍電路大大縮短了開發(fā)和調(diào)試的周期。在未來(lái)的FPGA中還可以加入圖像預(yù)處理流程，縮短后續(xù)處理時(shí)間，因此具有較高的推廣價(jià)值。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)速度快、可靠性高、實(shí)時(shí)性好，在視頻采集和圖像處理方面有著很好的應(yīng)用前景。