基于ＦＰＧＡ的視頻濾波處理系統

肖　駿

[摘要]介紹一個以XC2S200為核心的視頻信號濾波處理系統，該系統為水下圖像目標識別和監控提供了一種解決方案，它采用共軛算法對圖像進行統一、高效的全局變換，濾波增強效率更高，并且采用Xilinx公司的FPGA芯片XC2S200位處理核心，使得該系統結構緊湊，配置靈活，便于攜帶。該系統可實時使水下昏暗、模糊的視頻圖像獲得較好的噪聲濾波效果，并輸出給液晶顯示器顯示。可應用于水下場景監測或監控，具有很好的市場應用前景。

[關鍵詞]FPGA 視頻信號 噪聲濾波

中圖分類號：TN8文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0510013－01

視頻圖像處理的應用越來越廣泛，各種圖像處理算法日趨成熟，相關的硬件技術更是不斷推陳出新。現代大規模集成電路VLSI技術的迅猛發展為視頻圖像處理技術提供了硬件基礎。其中，現場可編程門陣列FPGA用于嵌入式視頻圖像處理有其獨特優勢。本文針對FPGA在視頻圖像處理上的應用，提出了一種基于濾波處理的視頻系統設計方案，并選用Xilinx公司的Spartan II系列FPGA芯片XC2S200為核心，設計實現了系統硬件電路。該硬件平臺與相關

的算法軟件相結合，可實現微光圖像增強、視頻信號降噪等圖像處理。

一、Xilinx XC2S200[1]

XC2S200屬于Xilinx公司Spartan II系列的FPGA芯片。Spartan-2系列產品采用了先進的0.18、90制造工藝，器件速度達到200 MHz或更高，為用戶提供了設計上的靈活性。這些低功耗2.5伏器件的I/O可在3.3伏下工作，并可完全耐受5伏輸入信號。由于采用了成熟的FPGA結構，支持流行的接口標準，具有適量的邏輯資源和片內RAM，用戶I/O可編程，并提供靈活的時鐘處理，可以運行8位的PicoBlaze軟核。器件提供了無限的可編程能力，甚至還可支持現場升級。

XC2S200的結構如圖1所示。

二、基于XC2S200的視頻濾波處理系統

（一）系統的原理圖

因為國內一般的視頻信號都是PAL視頻制式，它屬于基帶視頻，是一種簡單的模擬信號，而FPGA必須處理數字格式信號，因此我們必須利用一塊模/數（A/D）轉換芯片來將PAL格式的模擬信號轉變為標準的數字視頻格式ITU-R BT.656。另一方面，為了將經過FPGA處理過的視頻信號在顯示屏上顯示出來，我們還必須利用一塊數/模（D/A）轉換芯片將數字視頻信號再轉換為PAL制式的模擬信號。同時，由于我們要處理的一幀圖象就有485K，僅僅利用FPGA的Block RAM Bits（56K）是遠遠不夠的，再考慮到編寫代碼的簡易性，適合使用單向緩存，綜合考慮，我們采用Philip公司的SAA7111作為A/D轉換芯片，Philip公司的SAA7128作為D/A轉換芯片，利用兩片Cypress公司的SRAM芯片CY7C1049BV33（512K）作為緩存。此外，還要考慮FPGA的代碼配置問題，這樣，我們再選一片XILINX公司的PROM芯片XC18V02作為系統配置芯片。

系統原理圖如圖2。

（二）系統的工作流程

系統復位完成FPGA程序加載后，先由FPGA的I2C總線[4]模塊對SAA7111和SAA7128初始化，初始化結束后二者分別等待采集圖像和接收圖像的命令。初始化成功后，SAA7111實時處理模擬視頻信號，輸出亮度和色度信號，同時輸出點時鐘信號，行、場同步信號，行、場參考信號，奇偶場標志信號等。本系統使用灰度圖像，沒有使用色度信號，所以數據線為8位。系統采集圖像的命令由FPGA（實際是由程序確定的）發出，該命令啟動FPGA內的采集同步模塊。采集同步模塊發出采集標志信號，讀取一幀圖像，通過寫數據模塊產生寫地址和寫信號將數據存儲到SRAM1中。采集結束時，采集標志信號撤銷，采集同步模塊復位，等待下一次采集命令。采集標志信號撤銷時，FPGA開始讀取SRAM1中的圖像信息，這是通過讀數據模塊產生讀地址和讀信號來實現的。FPGA將1幀圖像數據進行相應的處理（如噪聲去除，邊緣提取等）后，存儲到SRAM2中，并發信號給SAA7128，通知其接收數據。FPGA將場同步信號、垂直消隱信號和水平同步信號進行復合，再發送給SAA7128，以供其輸出顯示。

三、系統程序的開發

常用的設計輸入方式不外乎原理圖、硬件描述語言、波形和狀態機這四種方式，實際中用的最多的還是硬件描述語言設計輸入方法。本系統中大部分的軟件結構模塊就是通過硬件描述語言設計輸入方法來實現的。

由于本系統的中央處理芯片采用的是Xilinx公司的FPGA，而Xilinx公司的PLD開發工具ISE提供VHDL/Verilog的子集。因此可根據個人喜好自由選用VHDL硬件描述語言或Verilog HDL硬件描述語言來進行軟件代碼開發。各模塊程序編寫好后可以利用ModelSim SE6.0進行仿真，然后利用ISE自帶的綜合工具XST或Synopsys公司的Synplify綜合工具進行綜合。調試通過后，將程序下載入PROM即可。

四、結束語

經反復軟、硬件調試后，系統達到了預期目標，實現了較好的濾波圖像增強效果。由實驗得知，在硬件系統調試成功后，系統性能的優劣主要由圖像濾波增強算法來決定，比較、修正算法，可以獲得處理程度不同的視頻濾波增強效果。因此，開發出和具體應用更合適的算法是下一步的重點工作。

參考文獻：

[1]Xilinx,Inc. Spartan-II 2.5V FPGA Family:Complete Data Sheet[EB/OL].http://www.fpga.com.cn/application/a68.htm.

[2]胡振華，VHDL與FPGA設計[M].北京：清華大學出版社，2002.