基于可重构技术的视频采集系统电子版本.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。基于可重构技术的视频采集系统-基于可重构技术视频采集系统的研究文/李万才公安部第三研究所摘要:基于可重构技术的嵌入式系统兼具了硬件的高效率和软件的灵活性，是介于通用处理器和ASIC之间的全新计算解决方案。嵌入式实时视频处理技术是目前结合视频采集、模式识别、传感器、微电子等多学科门类的一门前沿技术。本文提出了一种基于可重构技术的实现方法，开发设计出一种基于可重构嵌入式的高清晰CCD的视频采集和处理系统，该系统在视频采集以及视频处理上具有速度快且稳定性高的优点。关键字:可重构电荷藕合器件图像传感器视频采集视

2、频处理长期以来，人们对电子系统中计算密集型的工作往往会采用一些硬件的方法来实现，这种方式的主要特征是由特定的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)芯片来完成系统主要的计算工作。ASIC是用硬件结构直接体现算法，所以速度较快，但也有其无法克服的缺点。设计和开发ASIC往往意味着较高的的设计成本和较长的开发周期。另外，ASIC一般都是为特定应用设计的,缺乏通用性。因而近来，随着微电子技术、计算机技术的发展，尤其是大规模高性能的可编程器件的出现，可重构计算技术(reconfigurablecomputingtechnology)逐渐成为国际上计算系统研究

3、中的一个新热点。它的出现使过去传统意义上的硬件和软件界限变得模糊，使硬件系统具有像软件系统一样的灵活特性。图像处理是一种典型的计算密集型工作，基于可重构技术的图像采集处理系统是将图像传感器、数字处理器、通讯模块和其他设备集成到一个单一的系统内，使之能够完全替代传统的基于PC的计算机视觉系统，独立地完成预先设定的图像处理和分析任务。由于采用一体化设计，可降低系统的复杂度，并提高可靠性和性能。同时系统尺寸大大缩小，拓宽了视觉技术的应用领域。根据采用的成像器件不同，前端的传感器可分为CCD(ChargeCoupledDevice)和COMS(ComplementaryMetal-oxideSemi-

4、conductor)两种。两者都是利用矽感光二极体（photodiode）进行光与电的转换，CCD在ISO感光度、解析度、噪点控制方面要远优于COMS器件，故其成像质量好。因此，基于可重构技术，开发设计出一种百万级像素CCD的前端采集和视频处理系统，并对视频进行了相关的性能测试，提出了改进优化措施。一、 基于可重构技术的图像采集系统一般嵌入式系统可以采用的处理器类型有:通用处理器、定制的集成电路芯片(ASIC)、数字信号处理器(DSP)及现场可编程逻辑阵列(FPGA)。通用处理器一般应用于图像处理任务简单的领域，或者和定制的图像处理芯片结合起来应用。ASIC是针对具体应用定制的集成电路，可以集

5、成一个或多个处理器内核，以及专用的图像处理模块(如镜头校正、平滑滤波、压缩编码等)，实现较高程度的并行处理，处理效率最高。但是ASIC的开发周期较长，开发成本高，不适合中小批量的视觉系统领域。其中DSP由于信号处理能力较强，编程相对容易，价格较低，在嵌人式视觉系统中得到较广泛应用。但随着FPGA的价格下降，FPGA开始越来越多地应用在图像处理领域。作为可编程、可现场配置的数字电路阵列，FPGA可以在内部实现多个图像处理专用功能块，可以包含一个或多个微处理器，为实现底层图像处理任务的并行处理提供一个较好的硬件平台。基于此技术的嵌入式系统兼具了硬件的效率和软件的灵活性，是介于通用处理器和ASIC之

6、间的全新计算解决方案。以设计一个数据采集系统为例，传统方法采用DSP处理器进行传感器信号的处理，然后完成对数据进行保存显示和与PC的通信。这些过程通常是由独立的功能芯片来完成。但是若采用FPGA系统来设计，则可完全将采集接口、信号处理、数据后处理、通信功能、显示功能以及其他逻辑功能集成在一片FPGA芯片中，而且与传统的设计方法相比更简单，从而大大节约开发成本和开发周期。表一列出了完成相应算法时，ASIC、可重构计算机和一些通用微处理机的性能比较。基于可重构技术的图像采集系统主要分为图像采集、图像处理以及图像存储显示三块功能。图像采集由图像传感器及相关的采集电路组成。在数字图像系统常用的传感器当

7、中，百万级像素的CCD以其优质的成像性能成为高端图像系统的首选。表一三种实现的性能比较算法实现通用计算机可重构计算机AISC速度慢较快快并行性指令级并行大部分并行任何并行成本小小大可升级性易一般难二、 基于可重构技术的图像采集系统的实现1系统硬件的实现硬件结构框图如图1所示：其中传感器CCD采用Sony公司的ICX205AK，该款彩色CCD光学尺寸为1/2英寸，有效像素为1392mm(H)1040mm(V)。该款传感器具有很高的信噪比和动态范围，支持每秒15帧的图像采样；CCD的图像采样主要由AD9849来实现，AnalogDevice公司的该款芯片集成了信号采集的控制电路和相关参数调节功能。

8、具体有以下特点：（1）相关双取样电路（CDS，CorrelatedDoubleSampling），CCD传感器的每个像素的输出波形只在一部分时间内是图像信号，其余时间内是复位电平和干扰。为了取出图像信号并消除干扰，要采用取样保持电路。每个像素信号被取样后，由一电容把信号保持下来，直到取样下一个像素信号。（2）图像增益调节(PGA,PixelGainAmplifier),前端采集的图像可实现-2db到+10db的增益调节功能。（3）高精度AD转换功能，将采样的信号转化成12位的Bayer数据。（4）时序驱动(TG,TimeGenerating),驱动脉冲电路产生CCD传感器所需的垂直CCD移位寄

9、存器多相时钟驱动信号和水平CCD读出寄存器多相时钟驱动信号。主控制器采用Xilinx公司的Spartan-3E系列FPGA,该系列FPGA是Xilinx公司推出的一系列基于查找表的FPGA芯片,内部主要包含有可编程逻辑块(ConfigurationLogicBlock，CLB)、输入输出模块(I/OBlock，IOB)、SelectMAP配置模块、1818bit乘法器模块(Multiplier)、时钟管理模块(DigitalClockManager，DCM)等。CLB是FPGA的核心，同样也是基于查找表(LookUpTable，LUT)可完成组合逻辑和同步逻辑电路功能。Spartan-3E系列

10、的器件密度范围为10万到160万系统门，本系统使用的XC3S500E为50万门。它含有集成于芯片的模块存储器，支持多种I/O标准。两片存储器采用的是ISSI公司的SRAM，用来暂存传感器获得的图像信息。LCD(LiquidCrystalDisplay)屏幕选用LG公司的6.4寸TFTLCD，分辨率为640*480。图1系统硬件框图2系统软件的实现整个FPGA设计过程主要包括设计输入、功能仿真、设计逻辑综合、布局布线、时序仿真、配置下载等过程。其中设计输入主要有HDL硬件描述语言、状态图和原理图输入三种方式，在实际设计中多采用HDL的设计输入方式。我们采用VHDL对算法进行硬件设计，对于功能与时

11、序仿真通常采用Mentor公司的ModelSim、NC-SIM等。本系统选用ModelSim作为仿真工具，对于设计的逻辑以及综合布局布线采用Xilinx提供的ISE。系统的工作流程如下：FPGA上电配置完成后，对前端AD9849进行初始化设置，采集CCD图像。采集到的图像需要进行一些滤波和白平衡处理，此处理完的数据为Bayer格式，FPGA内部需要对其进行图像格式的转换，此处将其转换成RGB格式。转换完后对数据进行存储显示，这里两片SRAM组成了一个乒乓结构，其中一个SRAM存储完了一帧图像后送LCD屏幕显示，同时另一片SRAM接着存储下一副图像数据。系统的软件流程图如图2所示，FPGA作为整

12、个系统的主控制器，根据以上功能划分三大功能块：采集模块、处理模块、存储显示模块。模块程序均由VHDL代码编写，在Xilinx的FPGA开发工具ISE(IntegratedSoftwareEnvironment)上综合实现。(1)采集模块：通过标准的I2C总线对AD9849寄存器进行设置，主要包括CDS的初始化，PGA和ADC的参数设置。产生相关的行列时序，从AD9849采集进12位的Bayer数据。(2)处理模块：将12位Bayer数据作白平衡处理，并将处理完的数据转换为RGB格式的图像。(3)存储显示模块：设计一个SRAM控制接口，并具有开关切换功能，实现存储的乒乓操作。设计一个LCD显示控

13、制接口，对在SRAM缓存的图像实时进行显示。白平衡YUVRGB缓存显示缓存传输采集Bayer数据初始化AD9849图2系统软件流程图3系统测试结果与分析在完成整个系统的设计后，我们对图像质量进行了测试。采集处理后图像分辨率为1280*1024，帧率为15帧。图像的清晰度达到高清晰标，它作为图像处理系统的前端，能够为后端的复杂的识别处理提供高质量的图像。三、 结语本文提出并实现了一种基于可重构技术的高清晰视频采集及其处理的方法。实践证明，这种技术兼具了硬件的效率和软件的灵活性，开发周期短，系统可靠性高。但由于本系统在FPGA里面实现的图像处理算法较简单,视频图像的色彩度不理想，有部分颜色失真。在下一步的研究中，未来将会在FPGA中实现一些更复杂的算法，以获取更高质量的图像。-