基于FPGA的多路图像采集系统的软件设计

摘要：分析了现有的视频采集方案的研究现状，对如何采用CCD摄像头采集多通道、高分辨率、高质量的图像以及基于FPGA的嵌入式图像采集系统的实现方法做了研究。与传统图像采集系统相比，该系统主要利用四片视频解码芯片SAA7113H和两片FPGA完成对四路图像的同时采集、存储和显示，能根据FPGA里UART模块接收到的指令切换一路图像在LCD或是VGA上全屏显示。实现了对两个FPGA的级联配置，针对视频解码芯片ADV7181B，实现了I2C总线配置、ITU656解码以及数据格式的转换。并根据多次实验，时最终显示图像的抖动现象作了分析和提出解决方法。结果证明，该系统具有低成本、高可靠、灵活性好等特点。
关键词：SAA7113H；FPGA；ITU565；图像采集

    工业现场因为环境复杂，实时性要求高，常常需要对一处或多处重要位置同时进行监控，且能够在需要时切换其中一幅画面全屏显示。这就要求设计一种实时视频监控系统，既能够满足工业现场应用的特殊环境，具有体积小、功耗低、可定制的特点，又能够对多点进行同时采集和同屏显示以及对其中的一路进行切换。
    国内现有的视频监控方案一般是采用CCD摄像头+视频解码芯片(如SAA7113H／ADV7181B)+FPGA／CPLD+DSP的模式实现，其中视频解码芯片用来对CCD摄像头采集的模拟信号进行AD转换，FPGA／CPLD对数据采集进行控制，DSP最终对数据进行处理。这种方法开发周期长，成本高，且可更改性差。
    本文介绍的系统主要由两片Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C8Q20818和飞利浦公司的视频解码芯片SAA7113H以及外存储器件SRAM等组成。两片FPGA分别完成前端图像的采集和后端数据的处理，视频解码芯片完成模拟信号向数据信号的转换，存储器件在FPGA的控制下起到数据缓存作用。

1 系统描述
    系统主要分为采集模块、解码模块、数据格式转换模块、存储模块、UART模块和LCD／VGA显示模块，如下图1所示。四片视频解码芯片在FPGA1的控制下通过I2C总线完成配置和初始化过程，输出8位与CCIR656兼容的YCrCb 4：2：2格式的视频数据，同时还包括行同步HS、场同步VS和奇偶场RTS0等信号。由于显示终端支持的是标准的RGB格式的数据，所以要对视频解码芯片输出的YCrCb 4：2：2格式数据进行转换。经转换所得的RGB数据在FPGA2的控制下，配合相应的时序信号，截取要显示的有效的640x480个像素，乒乓存入两个SRAM中，并最终在：LCD ／VGA显示模块的控制下将数据显示在屏幕上。UART通讯模块集成在FPGA里，通过PC机的串口发送相应的控制命令，FPGA接收后切换相应通道的画面。

2 系统软件结构
    系统软件主要由采集模块、解码模块、存储模块、显示模块和UART模块组成，软件结构如图2所示。

3 ITU656解码
    ITU656解码模块根据ITU656标准将4：2：2的数据流解码成ITU656标准视频流。ITU656并行接口除了传输4：2：2的YCbCr视频流外，还有行、场同步所用的控制信号。PAL制式的图像一帧有625行，每秒扫描25帧；每行数据由1128字节的数据块组成。其中，PAL制式23～311行是偶数场视频数据，312～552行是奇数场视频数据，其余为垂直控制信号。
    图3为ITU656每行的数据结构。每行数据包含水平控制信号和YCbCr视频数据信号。视频数据字是以27兆字／秒的速率传送的，其顺序是：Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr，…其中，Cb，Y．Cr这3个字指的是同址的亮度和色差信号取样，后面的Y字对应于下一个亮度取样。每行开始的288字节为行控制信号，开始的4字节为EAV信号(有效视频结束)，紧接着280个固定填充数据，最后是4字节的SAV信号(有效视频起始)。

    SAV和EAV信号有3字节的前导：FF、FF、00；最后1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置及如何区分SAV、EAV。在每个时钟的上升沿读取从解码芯片传来的8位数据。当检测到一行数据的开始标志FF0000XY时，检测到SAV信号或EAV信号，提取H、F、V信号。然后发出开始命令，同时开启行列计数器，开始对接下来的图像数据进行解码，根据每个8位数据自身带的信息，判断该数据为Y，Cr还是Cb，从而得到Y，Cr，Cb各分量的值。解码流程如图4所示。

4 帧存储控制器与LCD／VGA显示控制器的设计
4．1 数据格式的转换
    根据前面第2节的介绍，从ITU656解码模块出来的数据为8位4：2：2的YUV空间图像数据，而LCD／VGA显示器只能接收RGB数据。因为Y-CrCb4：2：2格式不能直接转换为RGB，所以需要先转换为YCrCb4：4：4格式。
    我们知道解码芯片得到的视频数据是顺序为Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr，……的序列，存储的时候将一个Y与一个C(Cb或Cr)结合起来组成一个16位的数据。而当数据被读出来时就要将这些视频数据转换为每个像素占24位(Y、Cb、Cr各占8位)的4：4：4的数据流。4：2：2到4：4：4的转换采用最简单的插值算法，在采样的时候，每隔一个像素才采一次色度值(Cb和Cr)。在转化时，直接将前一个有色度信息的像素点
的Cr以及Cb的值直接赋给后一个像素的Cr和Cb，这样就能得到4：4：4的像素数据，每个像素占用24位位宽。
4．2 帧存储控制器
   作为系统的重要组成部分，帧存储控制器主要用来进行有效数据的缓存。视频数据在FPGA1的控制下乒乓写入两片SRAM。乒乓技术应用的关键在于乒乓切换信号frame的产生，本系统中根据视频解码芯片的奇偶场信号RTS0来产生帧切换frame信号，也就是一个RTS0周期切换一次。一个RTS0周期由一个奇场和一个偶场组成，是一副完整的画面。当frame为1是，FPGA通过计数器的计数截取最终显示所需要的有效的像素点信息按照SRAM的控制时序写入SRAM1，同样当frame为0时，将对应的像素信息写入SRAM2，如图5所示。

    系统加电的同时，4片视频解码芯片同时工作，为了保证数据采集的准确性和显示的同步性，系统内生成一个八倍于像素时钟的写时钟信号write_clk，这样，在一个像素时钟周期，写时钟信号已经过了八个周期，而每两个周期分别完成一路图像数据的写过程。
    由于SRAM是一维存储空间，一个地址对应一个数据。所以在写入数据时将SRAM的地址空间划分为4段，每一段用来存储一路图像数据。
    用程序实现比较简单，设置一个地址寄存器sram_addr_reg，将它赋给SRAM的地址控制信号sram_addr。然后在对每一路图像写入时，将对应的SRAM的起始地址加上一个固定的基数。如：

    这样就保证了SRAM中对应地址的数据和屏幕上显示位置的一一对应关系，在读程序中，只需要按照顺序读SRAM即可，如图6所示。

4．3 LCD／VGA显示控制器
    本模块主要是用FPGA来产生LCD／VGA显示时所需要的时钟信号CLK(像素时钟信号)、VSYNC(帧同步信号)、HSYNC(行同步信号)和使能信号(VDEN)，并在相应控制时序的作用下，依次将显示缓存即SRAM中的数据依次读出，输出到LCD上的过程。
    LCD显示所需的主要时序信号的关系如图7所示。

    在系统中，LCD屏幕分辨率为640x480，像素时钟CLK为25MHz，由于FPGA的主时钟输入选用了20 MHz的有源时钟，那么就要求利用Cyclone芯片的内部逻辑资源来实现时钟倍频，以产生所需要的CLK(25 MHz)、用Verilog语言编写参数化的时序生成模块，产生HSYNC(32 kHz)及VHY-NC(60 Hz)时钟信号，如图8所示。

    VGA显示原理与LCD相似，除了在硬件上正确连接ADV7125芯片电路外根据需要的分辨率来生成相应时钟信号即可。

5 图像抖动的分析与解决
    在系统完成后软硬件联调时，出现画面抖动现象，其中以RTSO为基准而产生乒乓切换的那一路图像稳定，其他三路都出现不同程度的抖动现象。对此我们做了深入的分析和实验，分析整个系统的结构可知，系统在多个时钟控制下共同工作，也就是所说的典型的异步系统。我们知道，数据在异步系统传输时对时钟要求非常严格，稍微的一点时钟偏差都会带来对有效像素截取的偏差，最终影响图像的显示质量。
    解决的办法有两个，一是加入缓冲机制，利用FIFO对数据存储的特性来实现数据在异步时钟之间的无缝传输；二是同步时钟，利用状态机等方法使得异步系统的时钟能够尽可能同步。采用第二种方法对系统进行改进，首先系统中所有的分频、倍频尽量使用Quartus 6．0自带的PLL产生，并且使用专用时钟引脚进行时钟输出；其次把写时钟write_clk降为54M，也就是每隔一个像素采集一次。最终，四路图像都能稳定显示。

6 结束语
    本文实现了一种结合Altera公司生产的CycloneII系列FPGA与视频解码芯片ADV7181B的嵌入式图像采集系统。系统具有低功耗、低成本、高可靠和灵活性好等特点。基于FPGA的多路图像采集系统采用两片FPGA作为主控芯片，完成四路视频画面的同时显示和切换，实现两个FPGA的级联配置，采用Verilog语言编写的控制逻辑解决了画面抖动问题。系统软件集成度高，硬件结构清晰简单，即可满足一般监控场合对多处位置进行实时监控的需求，又能为功能更复杂的图像处理、压缩、传输系统提供前端图像数据采集。