基于FPGA的圖像監控裝置的設計與實現全

劉輝

【摘 要】針對人們對安防不斷增長的需求，提出—種基于FPGA的低功耗實時圖像監控裝置。使用這個裝置用戶能夠輕松接受到監控現場的實際情況，凸顯了圖像監控的發展趨勢。

【關鍵詞】圖像監控；FPGA；趨勢

0 引言

信息科學技術的不斷發展，傳統的語音文字數據信息早已無法滿足人們對于信息的追求，無圖無真相這—熱詞也從側面的反映人們對于圖像信息的訴求，可靠的圖像監控裝置需求在不斷地提升。圖像監控裝置能夠廣泛用于港口、鐵路、地鐵、體育場等人群密集的場合以及倉庫、基站、隧道等無人值守場合；尤其適合地理環境惡劣不適于長時間駐守、不利于人員安全的地方。

1 圖像監控裝置的發展趨勢

圖像監控裝置的發展是極其迅猛的，當今的圖像監控系統正在往人工智能這一智能化方向發展。圖像監控裝置的發展趨勢將會結合更多的學科來完成智能圖像監控系統。未來的圖像監控裝置系統將能夠擺脫人為的干涉與控制。通過使用計算機的與圖像監控系統的連接，對采集來的圖像信息進行自動的序列分析。能通過對目標序列的檢測進行對監控目標進行分割提取、目標的特征自動識別、目標行動的追蹤，以及對監控現場的目標的行為進行場景分析與對其行為進行描述，檢測其行為是否會產生危害社會的行為，這將類似通過行為進行事件的分析。這將能夠使犯罪行為在其實施之前被預示，創建更加和諧安全的社會環境。

2 系統概述

2.1 圖像監控裝置結構

圖像監控裝置從宏觀上能夠分解成三大組成部分：前端處理、圖像信息數據處理、后端處理，這三個部分別對應著相應的功能，圖像信息數據的采集、數字圖像信息在FPGA內的轉換、監控區域圖像信息在VGA顯示器上實時顯示。三大組成部分由不同功能的模塊再組合而成，不同的模塊具有著模塊相應的功能：模擬圖像信號的采集，并進行模擬圖像的解碼，輸出一組符合ITU-R656標準的數字圖像信號；FPGA進行數字圖像的解碼、數字圖像格式轉換，最后將轉換后的格式通過圖像信息編碼器進行數模轉換輸出RGB圖像信息在VGA顯示器中顯示。系統結構框圖如圖1：

模擬圖像信息采集：將圖像監控裝置監控范圍內的模擬圖像信息數據轉換成圖像監控裝置所需要的PAL制模擬圖像信息數據是能夠被視頻解碼芯片ASS7113H所能進行解碼的信號。FPGA通過使用I2C總線對ASS7113H內部存儲器配置，令其根據格式輸出符合ITU-R656標準的數字圖像信息數據流。

數字圖像信息數據處理：通過ASS7113H對模擬圖像信息數據進行模數轉換后，解碼出行同步信號、場同步信號以及符合ITU-R656標準的8位的4：2：2YCbCr數字圖像信息數據信號。同時還向FPGA提供27MHz的像素時鐘。FPGA中，通過提取的行同步信號、場同步信號，ADV7170將對8位4：2：2YCbCr數字圖像信息數據進行解碼，經過解碼后將會得到8位的Y[7：0]、Cb[7：0]、Cr[7：0]信號以及2分頻后的像素信號13.5KHz。接著對像素的插值進行解交織處理，能夠提升幀速率和進行逐行掃描的效果。插值和解交織后產生的RGB數字信號會存儲在FPGA中，在FPGA內部將根據YCbCr信號與RGB信號空間色彩轉換的公式，輸出能夠被ADV7123處理的10位R[9：0]、B[9：0]、G[9：0]信號。ADV7123再將十位的三基色信號與FPGA提供的場同步信號、行同步信號進行數模轉換后，通過VGA接口將數字圖像信息數據還原成模擬圖像信息數據在VGA顯示器中顯示，達到實時顯示的效果。

2.2 圖像采集—FPGA硬件平臺

當今社會，伴隨著EDA技術的高速發展以及FPGA不斷的提高，FPGA已經成為圖像處理技術應用的常見平臺，越來越多的使用FPGA來提升圖像處理裝置的性能。FPGA圖像處理的特點是能夠采用流水線方式實現，流水線處理方式可以提升資源的利用率，能夠在時間域上同時實現多個圖像處理的算法，極大的提升了系統的性能。傳統的ASIC流水線與新興的FPGA方式進行比較，由于FPGA內部硬件結構的特點，決定了基于FPGA的設計方式擁有著速度上的極大優勢。

3 系統各模塊電路

3.1 模數轉換電路

SAA7113H是由亮度信號、模數轉化電路、色度信號、輸出信號格式、同步信號、總線控制以及時鐘生成等組成。模擬圖像信息通過AI11、AI12、AI21、AI22管腳將模擬圖像信號輸入通道送入SAA7113H芯片，模擬圖像信息數據經過芯片的解碼后由VP00～VP07通道輸出8位數字圖像數據信息。FPGA通過I2C總線對通道與圖像格式進行配置。攝像頭輸出的模擬圖像視頻數據將通過這個模塊進行采集，并采用SAA7113芯片將PAL制模擬視頻轉化成符合ITU-R656標準的數字視頻信息數據；并將采集進來的數字圖像數據存儲到的SDRAM中。

3.2 SDRAM電路

課題中FPGA片內自帶的RAM無法滿足裝置所需要的大量數字圖像信息數據的存儲要求。就一幀640*480分辨率的數字圖像信息來說，就需要占用375KB的存儲空間。在課題的研究中，使用的SDRAM采用了三星公司生產的K4S641632-F。該芯片是一個具有1M*4BANK*16Bit的64MBit的存儲空間來存儲圖像監控裝置運行過程中產生的視頻信號和圖像信息數據，以保證圖像監控裝置的穩定運行。

3.3 圖像數模轉換

裝置要將數字圖像信號轉換成PAL制模擬信號從顯示器中顯示。本課題選用ADV7170芯片，ADV7170是一款通用性極強的視頻解碼芯片。該芯片在課題中的作用是將由ASS7113H傳輸過來的4：2：2YCbCr信號進行插值以及解交織，生成FPGA能夠處理的4：4：4YCbCr信號。模擬圖像信息進過ASS7113H后輸出的4：2：2YCbCr格式的串行數據，在這8位的數據流中，其數據流格式為：Cb-Y-Cr-Y-Cb-Y-Cr，但是完整的數據流格式應為：Cb-Y-Cr-Cb-Y-Cr-Cb-Y-Cr，在其相鄰的像素點中缺少了2為的色度信號Cb以及Cr。但是因為其相鄰像素點的像素值相差不多，數字圖像數據流的插值過程只需要把相鄰的像素點中的色度信號將其補上，便可得到完整的4：4：4YCbCr信號。

3.4 顯示模塊

VGA接口顯示器是極為重要的計算機顯示設備，標準的VGA接口必須提供下列幾組基礎的信號：行同步信號、場同步信號還有三原色三路模擬信號。在本課題中選用了美國AD公司的ADV7123來做為視頻數模轉換器，它最大的采樣速度是330MHz，能夠與大多數的高精度顯示系統具有兼容性，數字圖像信息經過ADV7123可以產生三路模擬輸出，再配合著行同步信號、場同步信號的完成模擬圖象的顯示。

4 結論

本課題以基于FPGA的圖像監控裝置做為研究對象，分析了裝置的主要功能，接著在裝置功能的實現基礎上設計了系統的硬件架構：圖像信息數據采集模塊、圖像解碼、圖像信號處理模塊、圖像編碼和圖像顯示模塊。在后續的設計和工作中，可以在FPGA芯片內部嵌入目標跟蹤、目標檢測、目標特征提取等功能，實現視頻監控的智能化，更加具有針對性的應用在特定領域，如銀行、軍事區域、重要公共場所等。將圖像監控裝置和傳輸網絡整合在一起，實現網絡化監控、遠程監控，能夠更好地提升工作效率。數字圖像監控系統，依舊有許多未知的領域等待著去探索和發掘，很多工作需要繼續延伸。

【參考文獻】

[1]吳曉蘇.單片機原理與接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]潘松，黃繼業. EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]謝自美.電子線路設計[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

[4]徐愛鈞.單片機高級語言 C51 應用程序設計[M].北京：電子工業出版社，2002.

[5]EDA技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2010，4.

[6]王玉凡，杭娟，張堯琴.基于ADV7170的紅外數字圖像顯示系統設計[J].電子科技，2012.

[7]劉春國.基于FPGA的數字視頻監控的研究與設計[D].保存地：江蘇大學，2012.

[8]Donald A. Neamen. Electronic circuit analysis and design[M].Tsinghua University Press and Springer Verlag，2002.

[責任編輯：湯靜]