基于FPGA的圖像監(jiān)控裝置的設(shè)計與實現(xiàn)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(jiān)控裝置。使用這個裝置用戶能夠輕松接受到監(jiān)控現(xiàn)場的實際情況，凸顯了圖像監(jiān)控的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】圖像監(jiān)控；FPGA；趨勢

0 引言

信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的語音文字數(shù)據(jù)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(cè)面的反映人們對于圖像信息的訴求，可靠的圖像監(jiān)控裝置需求在不斷地提升。圖像監(jiān)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(huán)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(jiān)控裝置的發(fā)展趨勢

圖像監(jiān)控裝置的發(fā)展是極其迅猛的，當今的圖像監(jiān)控系統(tǒng)正在往人工智能這一智能化方向發(fā)展。圖像監(jiān)控裝置的發(fā)展趨勢將會結(jié)合更多的學(xué)科來完成智能圖像監(jiān)控系統(tǒng)。未來的圖像監(jiān)控裝置系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)控現(xiàn)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(chǎn)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(yù)示，創(chuàng)建更加和諧安全的社會環(huán)境。

2 系統(tǒng)概述

2.1 圖像監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)

圖像監(jiān)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(shù)據(jù)處理、后端處理，這三個部分別對應(yīng)著相應(yīng)的功能，圖像信息數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字圖像信息在FPGA內(nèi)的轉(zhuǎn)換、監(jiān)控區(qū)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(yīng)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(shù)字圖像信號；FPGA進行數(shù)字圖像的解碼、數(shù)字圖像格式轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的格式通過圖像信息編碼器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出RGB圖像信息在VGA顯示器中顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

模擬圖像信息采集：將圖像監(jiān)控裝置監(jiān)控范圍內(nèi)的模擬圖像信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像監(jiān)控裝置所需要的PAL制模擬圖像信息數(shù)據(jù)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(nèi)部存儲器配置，令其根據(jù)格式輸出符合ITU-R656標準的數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)流。

數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)處理：通過ASS7113H對模擬圖像信息數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)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(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)進行解碼，經(jīng)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(chǎn)生的RGB數(shù)字信號會存儲在FPGA中，在FPGA內(nèi)部將根據(jù)YCbCr信號與RGB信號空間色彩轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換后，通過VGA接口將數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)還原成模擬圖像信息數(shù)據(jù)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(shù)的高速發(fā)展以及FPGA不斷的提高，F(xiàn)PGA已經(jīng)成為圖像處理技術(shù)應(yīng)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(xiàn)，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(xiàn)多個圖像處理的算法，極大的提升了系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的ASIC流水線與新興的FPGA方式進行比較，由于FPGA內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的特點，決定了基于FPGA的設(shè)計方式擁有著速度上的極大優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)各模塊電路

3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

SAA7113H是由亮度信號、模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)經(jīng)過芯片的解碼后由VP00～VP07通道輸出8位數(shù)字圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)化成符合ITU-R656標準的數(shù)字視頻信息數(shù)據(jù)；并將采集進來的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲到的SDRAM中。

3.2 SDRAM電路

課題中FPGA片內(nèi)自帶的RAM無法滿足裝置所需要的大量數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)的存儲要求。就一幀640*480分辨率的數(shù)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(chǎn)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(jiān)控裝置運行過程中產(chǎn)生的視頻信號和圖像信息數(shù)據(jù)，以保證圖像監(jiān)控裝置的穩(wěn)定運行。

3.3 圖像數(shù)模轉(zhuǎn)換

裝置要將數(shù)字圖像信號轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，在這8位的數(shù)據(jù)流中，其數(shù)據(jù)流格式為：Cb-Y-Cr-Y-Cb-Y-Cr，但是完整的數(shù)據(jù)流格式應(yīng)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(shù)字圖像數(shù)據(jù)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(shè)備，標準的VGA接口必須提供下列幾組基礎(chǔ)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(shù)模轉(zhuǎn)換器，它最大的采樣速度是330MHz，能夠與大多數(shù)的高精度顯示系統(tǒng)具有兼容性，數(shù)字圖像信息經(jīng)過ADV7123可以產(chǎn)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(jié)論

本課題以基于FPGA的圖像監(jiān)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(xiàn)基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)：圖像信息數(shù)據(jù)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(xù)的設(shè)計和工作中，可以在FPGA芯片內(nèi)部嵌入目標跟蹤、目標檢測、目標特征提取等功能，實現(xiàn)視頻監(jiān)控的智能化，更加具有針對性的應(yīng)用在特定領(lǐng)域，如銀行、軍事區(qū)域、重要公共場所等。將圖像監(jiān)控裝置和傳輸網(wǎng)絡(luò)整合在一起，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、遠程監(jiān)控，能夠更好地提升工作效率。數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)，依舊有許多未知的領(lǐng)域等待著去探索和發(fā)掘，很多工作需要繼續(xù)延伸。

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