快速圖像數(shù)據(jù)采集與顯示控制器的設(shè)計

熊俊俏，周建軍，熊詩琪

(1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成圖像傳感器已進入數(shù)字式時代[1]，輸出數(shù)據(jù)為一定格式的數(shù)據(jù)流，不受外部控制.因此，由于處理器的運行速率有限，直接應(yīng)用數(shù)據(jù)總線采集數(shù)據(jù)已不可能，因此大多采用先進先出存儲器先緩存處理[1-2]，如文獻[2]在設(shè)計中通過現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)雙時鐘先進先出存儲器模塊，仍需要通過內(nèi)部總線進行數(shù)據(jù)存儲，采集速率將受到內(nèi)部總線的限制；文獻[3]采用現(xiàn)場可編程門陣列器件設(shè)計的控制器亦需要通過內(nèi)部總線存儲采集的數(shù)據(jù)，并利用靜態(tài)隨機存儲器緩沖， 因此，數(shù)據(jù)速率也受到內(nèi)部總線速率的限制.如果傳感器數(shù)據(jù)速率增大，數(shù)據(jù)流將要求大容量的先進先出存儲器，使得成本上升.本文提出采用現(xiàn)場可編程門陣列器件設(shè)計專用數(shù)據(jù)采集控制器，在采集數(shù)據(jù)時直接接管靜態(tài)隨機存儲器的數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)采集速率將與內(nèi)部總線無關(guān)，僅與傳感器和靜態(tài)隨機存儲器的工作速率有關(guān)，采集完數(shù)據(jù)后利用軟核處理和顯示采集的圖像,非常適合視頻圖像的實時采集.

1 系統(tǒng)組成與控制器設(shè)計

根據(jù)實際需要，系統(tǒng)由專用數(shù)字?jǐn)z像頭、控制器和顯示器組成，數(shù)字?jǐn)z像頭選用OV6620數(shù)字圖像傳感器[3]，液晶顯示器，控制器為DE2系統(tǒng)，內(nèi)有3.5萬邏輯單元的可編程邏輯器件Altera Cyclone II 2C35、512 kbyte 靜態(tài)隨機存儲器和1Mbyte FLASH存儲器，VGA(Video Graphics Array)顯示接口等，其中，Cyclone II支持NIOSII軟核微處理器，內(nèi)置32位Avalon總線.

考慮NIOSII處理速率的限制，圖像采集控制器由現(xiàn)場可編程門陣列模塊構(gòu)成，接收傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)地址發(fā)生器的地址寫入至靜態(tài)隨機存儲器，控制器模塊只由處理器給定地址發(fā)生器的起始地址，已經(jīng)啟動/終止采集命令，當(dāng)處理器處理數(shù)據(jù)時，通過Avalon總線讀取數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.1 OV6620圖像傳感器與時序

OV6620為專用數(shù)字圖像傳感器[3]，內(nèi)含總像素為101 376，以及雙8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩種工作模式為16bit/YUV和8bit/YUV，對應(yīng)的攝像頭分辨率分別為QCIF(176×144 像素)和CIF(352×288像素).OV6620采用模塊化，與外圍接口只有場同步信號VSYN、行同步信號HREF、像素同步信號PCLK(像素同步信號)和數(shù)據(jù)總線DATA，逐行數(shù)據(jù)讀出，數(shù)據(jù)格式為YCrCb4∶2∶2、GRB4∶2∶2或RGB原始數(shù)據(jù)，通過串行控制總線可編程，可實現(xiàn)圖像增強處理，如色彩飽和度、亮度、對比度、白平衡、曝光時間、增益控制等，常用于視頻會議、視頻電話、視頻監(jiān)控和多媒體等場所.OV6620的工作時序如圖2所示，圖2中VSYN為場同步信號，HREF為行同步信號，像素同步信號PCLK為讀取有效像素值提供同步信號，高電平時輸出有效圖像數(shù)據(jù).

圖1 圖像數(shù)據(jù)采集與顯示結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Image data acquisition and display block diagram

圖2 OV6620工作時序Fig.2 Timing of OV6620

在CIF狀態(tài)下，OV6620的工作時序如圖2所示，VYNSC為幀信號，周期是20 ms, 其中高電平持續(xù)時間很短；HREF是為行脈沖信號，周期為63 μs左右，其中高電平持續(xù)時間為40 μs，低電平持續(xù)時間 23 μs，對照時序圖可以計算OV6620的分辨率為：20 ms/63 μs=317,但實際并沒有這么多，除去消隱和無效信號后只有292行；每一行的像素為40 μs/110 ns=363個, 去掉消隱和無效信號后為356個，因此，OV6620的分辨率為356×292.通過實際測量，PCLK的周期只有150 ns，因此，不能直接采用處理器的中斷或查詢采集圖像數(shù)據(jù).

1.2 數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計

根據(jù)OV6620的工作時序，幀信號決定了數(shù)據(jù)流的起始點，行脈沖決定了每一行數(shù)據(jù)的起始位置和長度，像素同步信號提供了數(shù)據(jù)讀時鐘，但需要考慮的是：數(shù)據(jù)讀時鐘持續(xù)有效，而實際有效數(shù)據(jù)個數(shù)由幀脈沖和行脈沖決定.因此，數(shù)據(jù)采集控制器的寫信號為PCLK，地址發(fā)生器實際為地址累加器，初始地址通過NIOSII預(yù)置，PCLK為地址發(fā)生器的時鐘.具體的程序流程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示.

考慮到錯誤冗余，在每一行的數(shù)據(jù)存儲地址空間為360，比實際的352大，每一幀的空間為360×295，因此，每一幀的首地址由處理器預(yù)置，每一個像素的存儲地址為

A=Q0+Q1·360+Q2

式中，Q0為每一幀的起始地址，由處理器預(yù)置，Q1為行脈沖計數(shù)器值，Q2為地址累加器的值，每個PCLK時鐘自動加一.

該控制器模塊采用Verilog描述，經(jīng)過編譯下載執(zhí)行，可獲得穩(wěn)定的采樣數(shù)據(jù).這里需要注意的是，由于數(shù)據(jù)采集開始的指令與幀脈沖信號不一致，因此每幀數(shù)據(jù)的采集時間應(yīng)超過2幀的時間，才能保證完整的一幀數(shù)據(jù)存儲在指定的空間，這是由于只有第一幀的振脈沖下降沿才能確定存儲起始地址的緣故，本系統(tǒng)取40 ms完成一幀數(shù)據(jù)采集.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要完成控制器的初始地址預(yù)置、圖像數(shù)據(jù)處理與顯示.由于采集的數(shù)據(jù)為YUV格式，需要轉(zhuǎn)化為RGB格式才能由VGA顯示.

圖3 控制器時序與內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Controller processes and internal structure

YUV與RGB的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

Y= 0.59G+ 0.31R+ 0.11B

U=R-Y

V=B-Y

首先系統(tǒng)初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲空間首地址，為開始圖像采集作準(zhǔn)備，進入主循環(huán)，啟動采集控制器工作.根據(jù)需要完成采集圖像幀數(shù)目，開始進行圖像處理和顯示[4].程序流程如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)軟件流程Fig.4 System software program flow

顯示模塊是將采集的圖片對比，VGA顯示為640×480，將采集的圖片裁剪置入640×480矩陣中，改變圖片在矩陣中的坐標(biāo)存放，并一起在VGA屏上顯示.

根據(jù)實際需要，對圖像傳感器采集的彩色圖像做灰度處理，并采用閾值分割法，對目標(biāo)和背景占據(jù)不同灰度級范圍的圖像，壓縮數(shù)據(jù)量,并設(shè)定閥值將采集的圖像作二值化處理，獲得邊界輪廓.

3 結(jié)果分析與結(jié)論

將設(shè)計的控制器與內(nèi)核NIOSII一并編譯下載，并裝配程序執(zhí)行.根據(jù)需要，系統(tǒng)連續(xù)采集多幀圖像，并顯示在VGA顯示屏上，如圖5所示.

利用現(xiàn)場可編程門陣列芯片的高速特性實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集與存儲，并采用片上系統(tǒng)NIOSII進行數(shù)據(jù)處理和顯示，全部設(shè)計在一片Altera Cyclone II 2C35上完成，節(jié)省了硬件開銷，提高了數(shù)據(jù)采集的速度，不占用處理器的資源，其在線可編程功能提高設(shè)計應(yīng)用的靈活性.所設(shè)計的采集控制器為硬件模塊，也適用于其它高速數(shù)據(jù)采集場合.高速圖像采集與顯示的實現(xiàn)，為下一步圖像識別和控制提供了基礎(chǔ)，在此特別感謝Altera公司提供的DE2平臺和技術(shù)指導(dǎo).

圖5 實物與采集的圖片顯示Fig.5 The Actual Object and its Display

參考文獻：

[1] 許崢，李明，李成金，等. 基于SOPC 的實時圖像處理系統(tǒng)設(shè)計[J].光電技術(shù)應(yīng)用, 2011,26(4):4-7.

[2] 尚媛園,楊新華,徐達維.基于SOPC技術(shù)的高速圖像采集控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2011,24(6):864-869.

[3] OV6620 SINGLE-CHIP CMOS CIF COLOR DIGITAL CAMERA[EB/OL].http//www.cs.cmu.edu /～cmucam/Downloads/ov6620DSLF.PDF.2000-03-13/2011-07-10.

[4] 廖永清,丁旭昌,付建國.基于FPGA的VGA圖像動態(tài)顯示控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2011,35(17):52-54.