基于FPGA的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉倩

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，無論是在公共還是在個(gè)人空間，人們的安全意識(shí)越來越高，傳統(tǒng)的鎖已不能滿足其需求，現(xiàn)在市面上的各種監(jiān)控系統(tǒng)種類繁多，大多采用單片機(jī)之類的微處理器實(shí)現(xiàn)，監(jiān)控往往不僅需要報(bào)警而且要求對(duì)視頻進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，對(duì)于監(jiān)控視頻的大數(shù)據(jù)量處理，對(duì)于單片機(jī)來講處理能力往往不足，采用并行的FPGA技術(shù)作為處理器將會(huì)提升性能，解決數(shù)據(jù)處理的瓶頸問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出了較好的性能。

關(guān)鍵詞：FPGA 視頻監(jiān)控；并行處理；VGA顯示

中圖分類號(hào)： TN4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）17-156-2

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由圖像采集終端，視頻轉(zhuǎn)換接口，VGA顯示終端組成，傳感器OV5620采集到現(xiàn)實(shí)景物后，將生成的RAW數(shù)據(jù)流由ITU 數(shù)據(jù)輸出端口發(fā)送給視頻轉(zhuǎn)換接口。視頻轉(zhuǎn)換接口將ITU 數(shù)據(jù)輸入端口送來的RAW數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成 RGB 數(shù)據(jù)流發(fā)送，通過VGA端口發(fā)送給顯示終端顯示。OV5620輸出圖像的最大分辨率為2592 ×1944。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括CMOS攝像頭傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊，SDRAM存儲(chǔ)模塊，VGA視頻輸出接口模塊。

在現(xiàn)實(shí)景物的采集與顯示過程中，視頻轉(zhuǎn)換接口功能的實(shí)現(xiàn)通過以下步驟來完成：

①對(duì)采集到的RAW數(shù)據(jù)流進(jìn)行轉(zhuǎn)換。視頻轉(zhuǎn)換接口收到的是像素的RAW值，因此需要將每個(gè)像素的色彩值由RAW空間轉(zhuǎn)換到 RGB空間，然后再對(duì)RGB進(jìn)行數(shù)據(jù)平均，輸出RGB數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)色彩空間的轉(zhuǎn)換。②將轉(zhuǎn)換后的每個(gè)像素的RGB值寫入存儲(chǔ)器中。由于視頻的轉(zhuǎn)換接口和VGA接口的視頻數(shù)據(jù)流工作的時(shí)鐘域是不同的，需要SDRAM來作為緩存，存儲(chǔ)一幀圖像的數(shù)據(jù)，以供VGA顯示器顯示。③從存儲(chǔ)器中讀出像素的RGB值，并將其轉(zhuǎn)換成VGA模擬信號(hào)值。由于FPGA 內(nèi)部沒有D/A轉(zhuǎn)換單元，因此不能通過 FPGA 來直接產(chǎn)生模擬信號(hào)，還需要另外添加專門的圖像 D/A芯片（ADV7123）來完成模擬信號(hào)的產(chǎn)生。系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA 將從SDRAM 存儲(chǔ)器中讀出的 RGB值送至圖像DA芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)值VGA接口直接輸出，系統(tǒng)就能將圖像在VGA顯示器上直接顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 攝像頭采集圖像模塊程序設(shè)計(jì)

攝像頭的采集過程和VGA的顯示恰好是個(gè)相反的過程，VGA的顯示是由FPGA產(chǎn)生行列時(shí)序，供給D/A轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)VGA顯示器的模擬信號(hào)。而攝像頭的采集圖像是攝像頭自動(dòng)產(chǎn)生行列信號(hào)，用FPGA進(jìn)行采集就行。在對(duì)攝像頭進(jìn)行采集之前，需要用SCCB協(xié)議給攝像頭進(jìn)行配置，SCCB協(xié)議兼容I2C協(xié)議，前者寫數(shù)據(jù)和I2C是一樣的，就是讀數(shù)據(jù)的時(shí)序不一樣。本設(shè)計(jì)中因?yàn)橹粚?duì)攝像頭進(jìn)行配置，只用到了SCCB的寫協(xié)議。

3.2 圖像轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì)

攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊采集到RAW數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)化為RGB格式的數(shù)據(jù)，才能夠驅(qū)動(dòng)攝像頭。10位的RAW數(shù)據(jù)經(jīng)過空間轉(zhuǎn)換把10位的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10位的RGB數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)進(jìn)入第二個(gè)模塊，對(duì)空間轉(zhuǎn)換的10位RGB數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平均得到R[9..0]，G[9..0]，B[9..0]，然后RGB數(shù)據(jù)經(jīng)過SDRAM進(jìn)行緩存。采用行緩沖+流水線的處理方式，將前一級(jí)抓取到的行數(shù)據(jù)（bayer color pattern），實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的30位RGB數(shù)據(jù)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)南虏蓸樱员阌诤罄^的圖像處理及顯示。

3.3 SDRAM程序設(shè)計(jì)

SDRAM在此系統(tǒng)里，充當(dāng)?shù)氖菆D像緩存的作用，攝像頭將數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，將圖像存儲(chǔ)到SDRAM中，然后VGA控制模塊從SDRAM讀出并顯示在VGA顯示器上。核心的代碼如下：

Sdram_Control_4Port u8 （ // HOST Side

.REF_CLK （CLOCK_50），

.RESET_N （1'b1），

.CLK_100OUT （CLOCK_100），

// FIFO Write Side 1

.WR1_DATA （{tCMOS_R，tCMOS_G，tCMOS_B}），

.WR1 （tCMOS_DVAL），

.WR1_ADDR （0），

.WR1_MAX_ADDR （1280*960），

.WR1_LENGTH （9'h100），

.WR1_LOAD （wSYNC），

.WR1_CLK （CMOS_PIXCLK），

// FIFO Read Side 1

.RD1_DATA （{Image_Read_R，Image_Read_G，Image_Read_B}），

.RD1 （VGA_Read_Req），

.RD1_ADDR （0），

.RD1_MAX_ADDR （1280*960），

.RD1_LENGTH （9'h100），

.RD1_LOAD （！DLY_RST_0），

.RD1_CLK （VGA_CTRL_CLK），

// SDRAM Side

.SA （SDR0_ADDR），

.BA （SDR0_BA），

.CS_N （SDR0_CS_N），

.RAS_N （SDR0_RAS_N），

.CAS_N （SDR0_CAS_N），

.WE_N （SDR0_WE_N），

.DQ （SDR0_DQ），

.DQM （SDR0_DQM）

，.SDR_CLK （SDR_CLK）

）；

assign SDR0_CLK = SDR_CLK；

wire VGA_Read_Req，VGA_VS；

wire [9：0] Image_Read_R；

wire [9：0] Image_Read_G；

wire [9：0] Image_Read_B；

assign GPIO0[27] = VGA_CTRL_CLK；

assign GPIO0[28] = VGA_VS；

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

VGA控制模塊負(fù)責(zé)從SDRAM讀取圖像數(shù)據(jù)（RGB），然后驅(qū)動(dòng)D＼A轉(zhuǎn)換器ADV7123在VGA顯示器上顯示對(duì)VGA模塊進(jìn)行仿真。

5 總結(jié)

本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)，到各個(gè)模塊的軟硬件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試仿真，最終在FPGA平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了FPGA技術(shù)的并行處理技術(shù)，經(jīng)測(cè)試達(dá)到了實(shí)時(shí)有效監(jiān)控的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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