基于FPGA的視頻圖像分割技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用

數(shù)字硬盤錄像機是一種性價比很高的視頻監(jiān)控解決方案，具有對圖像/語音進行長時間錄像、錄音、遠程監(jiān)控和控制的功能，集合錄像機、畫面分割器、云臺鏡頭控制、報警控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ苡谝簧恚悄壳笆忻嫔弦曨l監(jiān)控系統(tǒng)的首選產(chǎn)品。在DVR系統(tǒng)中，需要在一個現(xiàn)實設(shè)備上同時顯示多個監(jiān)控畫面，這樣可大大節(jié)省資源并便于工作人員監(jiān)視，本文研究的內(nèi)容就是這種圖像分割技術(shù)在FPGA上的實現(xiàn)。

FPGA是20世紀80年代由美國Xilinx公司首先推出的，它具有性能高、規(guī)模大、可重復(fù)編程、開發(fā)投資小等優(yōu)點，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用廣泛。FPGA具有極高并行度的信號處理引擎，提供高性能的信號處理能力。在本設(shè)計中，就是要利用FPGA的高速性能對多路視頻信號進行處理，從而簡化硬件結(jié)構(gòu)，提升DSP性能，使單片DSP實現(xiàn)16路CIF圖像實時編解碼成為可能。

1 圖像分割與合成

1.1視頻標(biāo)準(zhǔn)

FPGA處理的視頻數(shù)據(jù)由專用解碼芯片Tw2815輸出，符合ITU.RBT.656標(biāo)準(zhǔn)。ITU.RBT.656標(biāo)準(zhǔn)是在國際電信聯(lián)盟無線電通信部門656.4號建議書中提出，全稱是工作在ITU.RBT.601建議(部分A)的4：2：2級別上的525行和625行電視系統(tǒng)中數(shù)字分量視頻信號的接口。實施這樣的標(biāo)準(zhǔn)是為了在525行和625行兩者間提供一種世界范圍兼容的數(shù)字化方法。數(shù)據(jù)信號編碼成8比特二進制信息形式，格式如圖1所示。

由圖1可知ITU.RBT.656并行接口除了傳輸4：2：2的YCbCr視頻數(shù)據(jù)流外，還有行、列同步控制信號。一幀數(shù)據(jù)由525行(NTSC制式)或625行(PAL制式)、每行1728個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊組成。每行數(shù)據(jù)中，有4個字節(jié)的EAV和SAV信號，前3個字節(jié)是前導(dǎo)數(shù)據(jù)，最后一個字節(jié)中包含本行數(shù)據(jù)信息。EAV/SAv包含了關(guān)于同步的所有信息。

1.2 割與合成原理

視頻圖像合成基于像素域，即將多路壓縮的源視頻編碼數(shù)據(jù)進行解碼，將解碼后的YUv(或RGB)數(shù)據(jù)按照一定線性規(guī)則進行排列，合并成一路ⅥⅣ(或RGB)數(shù)據(jù)，再將合并后的視頻數(shù)據(jù)進行編碼12J。ITU.RBT.656標(biāo)準(zhǔn)YCbC，(4：2：2)格式中4：2：2的含義為Y信號與Cb、C，信號的數(shù)量比為4：2：2，即在有效視頻數(shù)據(jù)區(qū)域，每4個字節(jié)為一個宏像素點，其中包含2個Y信號，1個Cb信號和1個Cr信號。

要實現(xiàn)4畫面及16畫面顯示功能，就是要以宏像素為單位對原畫面像素按照1/4(或1/16)的比例進行抽取，如圖2所示(以PAL制式一幀數(shù)據(jù)為例)。

通過上面的方法可以得到各視頻通道1/4(或1/16)畫面數(shù)據(jù)接下來的任務(wù)是將畫面合成并傳輸給DSP做編碼處理。通過實驗得到：對于TMS320DM6467芯片的VPIF(視頻設(shè)備接口)來說，只要輸入視頻數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)行內(nèi)從EAV到SAV之間的字節(jié)數(shù)為一定值(可由DSP內(nèi)部寄存器設(shè)置)，且行數(shù)滿足對應(yīng)制式要求，DSP就能將其識別為一幀有效數(shù)據(jù)。這樣就能得到圖3所示的第一種畫面合成方法。這種方法雖然可行，但是可以看到，在有效數(shù)據(jù)區(qū)中每一行都由多個通道數(shù)據(jù)組成，在從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)時通道切換頻繁。會給編碼和調(diào)試帶來困難。