基于fpga+dsp實時圖像采集處理系統(tǒng)設計

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1、基于FPGA+DSP實時圖像采集處理系統(tǒng)設計摘要：采用FPGA和DSP的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)實時圖像采集處理系統(tǒng)，利用FPGA運行速度快、并行處理能力強的優(yōu)勢，采用“對數(shù)拉伸”算法對攝像頭采集的數(shù)據(jù)進行前期預處理，達到圖像增強，使得停車場類昏暗光線圖像亮度分布不均勻的圖像變得清晰；利用DsP具有較強處理復雜算法的優(yōu)勢，對FPGA傳送過來的分塊圖像數(shù)據(jù)采用JPEG并行壓縮算法進行圖像的壓縮，實驗結(jié)果表明，圖像增強模塊能夠明顯改善圖片質(zhì)量，F(xiàn)PGA和DSP的結(jié)構(gòu)能夠很好的滿足系統(tǒng)實時性的要求，關(guān)鍵詞：FPGA；DSP；圖像采集；圖像增強；圖像壓縮DOI：10.15938/j.jhust.2

2、016.04.008中圖分類號：TP391.41文獻標志碼：A文章編號：1007-2683(2016)04-0040-050引言隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和人們對圖像采集處理質(zhì)量需求的不斷提升，對圖像采集系統(tǒng)的性能和實時性提出了更高的要求，而對于數(shù)據(jù)量大、噪聲干擾嚴重的像數(shù)據(jù)，采用單個DsP芯片難以滿足系統(tǒng)的性能和實時性的要求，用FPGA對圖像進行預處理并實現(xiàn)對DSP的控制與管理，就可以很好的解決了這類問題，本系統(tǒng)針對停車場類昏暗光線圖像，利用FPGA采用零有效視頻信號提取算法提取出輸入的有效的YUV視頻數(shù)據(jù)，采用對數(shù)拉伸增強算法對圖像進行預處理，預處理后的圖像送入到DSP內(nèi)采用并

3、行JPEG壓縮算法對數(shù)據(jù)進行壓縮，仿真結(jié)果表明，圖像增強模塊使昏暗光線圖像明顯增強，數(shù)據(jù)壓縮后使信息傳輸量減少20%,能很好地滿足系統(tǒng)實時陛要求，1.實時圖像采集處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)分為9個模塊，F(xiàn)PGA內(nèi)包含的模塊有視頻解碼模塊，12C配置模塊，視頻幀存模塊，去除隔行模塊，視頻增強模塊，DSP接口模塊，DSP芯片內(nèi)包含的模塊有圖像數(shù)據(jù)接口模塊，圖像數(shù)據(jù)緩存模塊，圖像壓縮模塊，通過CCD攝像頭對視頻進行采集，圖像數(shù)據(jù)送入視頻A/D轉(zhuǎn)換芯2.1視頻解碼模塊設計視頻解碼模塊接受模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADV71781B的YUV數(shù)字信號，這些數(shù)字信號中包含有場參考信號V

4、S、行參考信號HS和奇偶場信號，要對YUV信號分別進行處理必須從圖像數(shù)據(jù)中提取出有效的Y、u、V數(shù)據(jù)，攝像頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過ADV7181B轉(zhuǎn)片中，經(jīng)12C總線對視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片初始化，完成控制寄存器的配置，使其上電后進人工作模式；A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出圖像送人視頻解碼模塊，視頻解碼模塊接收A/D轉(zhuǎn)換的視頻流后對視頻流進行解碼，產(chǎn)生YUV數(shù)據(jù)；視頻幀存儲模塊采用乒乓存儲算法結(jié)構(gòu)對YUV數(shù)據(jù)進行存儲，使YUV圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)；為了增強視頻效果，消除抖動閃爍去除隔行模塊完成采集圖像的奇場幀和偶場幀的合并，由于系統(tǒng)應用于地下車庫監(jiān)控系統(tǒng)，采集的圖像數(shù)據(jù)光線以及燈光等原因圖像畫面

5、不清晰，通過圖像增強模塊增強其對比度使圖像清晰；增強后的圖像數(shù)據(jù)通過DSP接口模塊送入DSP芯片內(nèi)進行壓縮；DSP芯片壓縮處理數(shù)據(jù)量很大，為避免數(shù)據(jù)丟失，圖像數(shù)據(jù)通過DSP內(nèi)部的接口模塊和圖像緩存模塊緩存到SDRAM中；緩存一幀像數(shù)據(jù)后，在DSP內(nèi)也采用乒乓讀寫操作將數(shù)據(jù)送入壓縮模塊進行壓縮，壓縮后數(shù)據(jù)送回FPGA存儲待發(fā)送。1.FPGA內(nèi)部模塊設計FPGA內(nèi)部共有5個模塊組成，頂層仿真設計電路如圖2所示，輸人為攝像頭采集的復合信號DATA,時鐘信號elk，輸出為經(jīng)過處理的視頻有效信號和壓縮后傳回FPGA的YUV_DATA、YUV_DA-TAO信號，換后輸出符合ITU-R6

6、56的信號DATA,行同步信號HS,幀同步信號VS，DATA的數(shù)據(jù)格式如圖3所示，視頻解碼模塊主要是提取出YUV數(shù)據(jù)，即將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的YCrCb數(shù)據(jù)，從上圖可以看出AV信號都是以“FFOOOO”作為開始信號，但SAV的XY[4]=0，EAV的XY[4]1.利用這點我們構(gòu)造一個檢測電路來實現(xiàn)YUV數(shù)據(jù)的并行輸出，視頻數(shù)據(jù)提取算法如圖4所示，算法在實現(xiàn)上利用狀態(tài)機完成對“FFOOOO”數(shù)據(jù)流以及SAV、EAV的識別，識別出有效數(shù)據(jù)后操作設置好的計數(shù)器cnt，算法中YUV數(shù)據(jù)為422格式，當cnt=O時輸出Cb,cnt=l時輸出Y，cnt=2時輸出Cr，cnt=3輸出Y

7、，最終得到Y(jié)UV有效的視頻數(shù)據(jù)，2.2視頻幀存模塊設計視頻解碼模塊輸出的YUV信號需要三個緩存器進行緩存，通過軟件自帶的端口RAM的宏模塊把每個緩存定義成雙端口的深度均為1024,每個數(shù)據(jù)端口寬度為8位RAM緩存器，2.3去除隔行模塊設計去除隔行模塊采用幀內(nèi)復制的方法，具體實現(xiàn)方法就是改變視頻幀存模塊中雙端口RAM的讀寫時鐘，使讀時鐘是寫時鐘頻率的兩倍，這樣每行的數(shù)據(jù)讀兩遍，隔行數(shù)據(jù)就變成了逐行數(shù)據(jù)，2.4圖像增強模塊設計2.4.1圖像增強算法地下車庫的燈光相對較暗，往來進出的車輛很多而且都開著大燈，在圖像中顯示結(jié)