原创基于FPGA的低成本网络视频监控系统设计.doc

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摘要:本文介绍了一种基于FPGA和视频采集芯片OV9650嵌入式视频采集与处理系统的设计过程。在系统中,关键的DCT运算算法选取了适合实际需要的当前业界内运算速度最快的算法,而FPGA上VHDL程序功能的模块化和可复用性可以提高设计效率,同时有效的控制了成本。
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关键词:FPGA监控视频处理
中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00

1引言
实时的、高品质的图像和视频信息是许多决策者和科技人员获得动感和感性认识的源泉。而如今,网络技术已经发展得非常成熟,通过网络实现远程监控是视频采集技术的一个发展趋势。使用FPGA嵌入式系统实现视频图像采集,然后通过网络传输图像数据更是其中的热点。系统将设备采集到的数据通过网络传送到视频服务器或视频监控中心的数据库中,从而实现嵌入式系统利用Intemet技术实现低成本网络互联、信息沟通。
数字化视频采集与处理系统是嵌入式系统的典型应用,涉及嵌入式系统技术和视频图像信息的编码技术。为了提高系统的视频图像质量与通用性,国际通信联盟(ITU)为视频图像信息的压缩编码制定了很多标准,新的编码技术被迅速应用到图像与视频压缩上。其中,JPEG是目前最常用的图像压缩格式之一,广泛应用于图像信息的传递与存储领域;H.263和H.264是目前常用的视频压缩标准,可以在窄带信道上传递流畅的视频影像,但其运算量很大,在要求不高的情况下,我可以就应用JPEG格式进行图像压缩和传输。
在视频采集与处理系统中,FPGA最大的特点是结构灵活,有较强的通信性,适于模块化设计,从而能够提高算法效率。同时,其开发周期较短,系统易于维护和扩展,适合于实时信号处理。这是因为,实时信号处理中,低层的信号预处理算法处理的数据量大,对处理速度的要求高,但运算结构相对比较简单,适于用FPGA进行硬件实现,这样能同时兼顾速度及灵活性。

2系统硬件设计
2.1双处理系统
高层视频压缩处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制结构复杂,适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的专用视频芯片来实现。FPGA芯片与专用视频芯片相比,由于其结构上的优势,更适合完成并行处理、重复性强、速度要求高的数字信号处理运算,而专用视频芯片更适合完成串行顺序处理。设计中的专用视频芯片主要用于运算部分,FPGA主要完成逻辑控制。
因此,本设计的视频采集与处理系统采用了双处理器结构,关键的DCT运算的算法选取了适合实际需要的当前业界内运算速度最快的算法。FPGA采用了上VHDL程序功能的模块化和可复用性,可以提高设计效率,从而得到可靠而优化的设计。
双处理系统如图1所示,它以专用视频芯片OV9650和可编程逻辑器件FPGA(AlteraCycloneIIIEP3C25)为核心。
FPGA通过与OV9650图像模块的连接,读取图像数据后通过同步SRAM接口存储在外部部高速SRAM中,然后还可以由UART模块,或RTL8019模块把已经存储的图像数据发送到PC机,最后PC机上的接收程序将显示接收的图像。通过调试板上的按键可以选择采集图像、地址复位、串口发送、网口发送这几种功能。
2.2视频采集模块
OV9650美国豪杰公司生产的一款彩色分辨率可达SXGA级别(130万像素)CMOS图像传感器,它的片内集成了色彩信号处理器。这种CMOS图像传感器与色彩信号处理器集成到一个芯片内部的技术降低了功耗,而且减小了体积。
OV9650基于CMOS工艺,使用有源像素传感器,与传统的CCD传感器相比有很多不同点。CMOS技术的最大优点是每一个像素单元可以集成一个或多个晶体管,这样就具有了低功耗和小型化的优点,非常适用于手持设备应用,可以降低系统功耗、体积,提高电池效率。它的高度集成性大大简化了图像应用系统的设计。
OV9650能够直接输出YCbCr422/YUV422格式的数字图像的特性,大大方便了用户的使用。传统的图像采集系统都是使用模拟图像采集器,然后经过躲的模数转换,不仅造价高,而且也大大增加了产品的体积。使用OV9650可以直接得到图像的数字信号,简化了开发的工作,又提高了系统的性能。
OV9650不仅体积小,功耗低,而且接口也很简单,连接线的形状可以根据用户的需要进行定制,使用起来十分方便。由于OV9650采集的数字信号格式为YCbCr或YUV,而VGA显示器需要的是RGB分量信号,所以如果想把OV9650采集的图像直接显示在VGA显示器上,就需要进行YCbCr或YUV到RGB的颜色空间转换YCbCr和YUV是基于亮度与色差的颜色空间RGB则是基于红绿蓝三基色的颜色空间。它们之间的转换有理论公式:
实现8位字长的YUV到RGB转换,为了实现高速转换和宽度扩