一种改进的视频图像采集处理系统设计.pdf

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1、2 0 0 8年第3 2卷第0 7期(总第3 1 6期)文章编号:1 0 0 2-8 6 9 2(2 0 0 8)0 7-0 0 2 4-0 4一种改进的视频图像采集处理系统设计黄锐(桂林航天工业高等专科学校 计算机系,广西 桂林5 4 1 0 0 4)【摘要】从目前国内外图像采集卡的现状分析出发,设计了一种改进型的视频图像采集处理系统,给出系统的硬件电路设计及软件流程设计,经仿真测试满足系统指标要求。【关键词】视频采集;图像处理;A D S P芯片;系统设计【中图分类号】T N 9 4 8.4 1【文献标识码】AD e s i g no fI mp r o v e dV i d e oI m

2、a g eA c q u i s i t i o na n dP r o c e s s i n gS y s t e m D e s i g nH U A N GR u i(C o m p u t e rD e p a r t m e n t,G u i l i nC o l l e d g eo f A e r o s p a c eT e c h n o l o t y,G u a n g x i G u i l i n5 4 1 0 0 4,C h i n a)【A b s t r a c t】F r o m t h ea n a l y s i sf o rc u r r e n t

3、s t a t u so fi m a g ea c q u i s i t i o nc a r da th o m ea n da b r o a d,a ni m p r o v e dv i d e oi m a g ea c q u i s i-t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m i sd e s i g n e d.M e a n w h i l e,t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ef l o w sa r ea l li n t r o d u c e

4、d.T h es i m u l a t i n gr e-s u l t ss h o wt h a t t h i ss y s t e m c a nw e l l m e e t t h ei n d e xr e q u i r e m e n t s.【K e yw o r d s】v i d e oa c q u i s i t i o n;i m a g ep r o c e s s i n g;A D S Pc h i p;s y s t e m d e s i g n 实用设计 1引言对于用于视频图像采集的D S P来说,由于前端的A/D采集速度较低,一般为了减少D S P

5、的开销,在视频采集A/D和D S P之间接入先进先出(F I F O)存储器作为缓冲。传统的方法是用简单的逻辑电路实现很少一部分接口控制,大多数是通过软件来实现,虽然软件设计较灵活,但是对软件设计者提出很高的要求;通常使用线存的F I F O,存储量比较少,会花费很大的C P U开销。基于这些原因,本文设计了基于A D S P芯片实现一个图像采集处理系统。与其他D S P嵌入式系统相比,本系统具有处理速度快、接口简单、成本低、能实时显示等特点,适用于视觉导航、视频实时处理等要求高速处理图像的场合,以及有实时演示要求的场合 1。2国内外图像采集卡现状2.1图像采集卡市场目前,模拟采集卡依然占据主

6、要市场份额。但在应用方面,国外机器视觉应用逐渐向高端数字化方向发展。国内市场,特别是中高端市场还在培育之中。在图像采集系统的研发上,C o r e c o和M a t r o x公司居于较强的技术优势 2-4。C o r e c o公司提供了几款功能强大的图像处理卡,O E M可以开发基于F P G A的嵌入式视觉解决方案,以满足极端高速的应用需求,如半导体检测、医学成像和连转物检测等。M a t r o x公司的处理器板整合了高带宽采集和实时可升级处理的视频处理技术。在处理器板上带有I n t e lP o w e r P C微处理器,对视频图像的处理、控制能力大大增强。表1为当前国内外主流

7、机器视觉公司的产品。2.2图像采集卡的实现方式从C o r e c o和M a t r o x公司的图像采集卡情况来看,实现图像采集算法的方法主要有以下几种类型(如图1所示):1)A S I C:相对于集成电路而言,A S I C是拥有R A M*原信息产业部基金项目(0 6 0 8 9 7 8 2 3)表1当前国内外主流机器视觉公司的产品公司分类主要性能参数M a t r o xM e t e o r 采集卡采集速率1 3 0M H z,缓存8/1 6M b i t/s,像素抖动4 5n s,4M b y t e S G R A M缓冲C o r e c oX 6 4X c e l e r

8、a-C LP X 4D u a l图像采集卡支持2个B a s e C a m e r a L i n k输入。最高时钟频率8 5 M H z,图像采集速率2 5 6M b i t/s,图像传输到主机达5 2 8M b y t e/s。大恒D H-C G 4 1 0图像采集卡A/D转换精度1 0b i t,直流噪声 2灰级,单幅图像捕捉时间:单场 4 0m sE U R E S Y SG r a b L i n k系列图像采集卡P C I总线:3 2b i t,3 3M H z/6 4b i t,6 6M H z采集:2 4b i t或4 8b i t/6 6M H z缓存:8/1 6M b

9、y t eE p i xP I X C I6C L 2图像采集卡图像数据传输高达4 0 0M b i t/s,P C I总线6 4位/6 6M H z,脉冲传输5 2 8M b i t/s器件与应用2 4电视技术V I D E OE N GI N E E R I N GN o.0 7 V o l.3 2 2 0 0 8(S u mN o.3 1 6)等模块的专用芯片。这种芯片可以实现某些具体的、特定的功能,同时具有集成电路价格低的特点,应用广泛。但A S I C的设计成本较高,F P G A设计灵活,开发周期短,有取代A S I C的可能。2)D S P:专注于数据处理,随着高性能D S P的

10、出现,图像处理应用过程中也越来越多地应用到D S P,在速度和性能要求高的场合,还可以实现并行D S P结构。3)P o w e r P C:在P o w e r P C架构基础上,M o t o r o l a、苹果、I B M等公司为了提升数据处理能力,开发了一系列相关的P o w e r P C处理器,典型的有M o t o r o l aG 4P o w e r P C,在C o r e c o公司的图像处理卡上得到了充分的应用。4)I n t e r C P U:I n t e r C P U具有很强的控制和数据处理功能。在图像采集板卡的基础上集成I n t e r C P U,可以

11、实现功能强大的图像处理功能。这种图像处理卡主要是针对复杂的图像算法,缓解主控系统的负担。这种板卡一般带有一个独立的操作系统,成本较高,目前很少有公司生产。2.3当前主流厂商的嵌入式设备情况嵌入式采集卡和P C图像采集卡的实现方法相似,在相机接口、数据采集控制、数据传输控制等实现原理一样。各公司生产的嵌入式板卡,扩充了板卡在图像嵌入式应用市场的份额,也为本公司的嵌入式设备提供支持。表2是当前各公司嵌入式图像处理设备的实现情况。3系统硬件设计本系统可以完成图像的采集、处理和显示,从而实现目标识别与跟踪的智能信号处理。系统对摄像机数字,模拟两路视频数据进行采集,处理后通过P C I总线在P C机上显

12、示出来。整个系统主要由视频信号采集模块、D S P图像处理模块、P C I接口模块组成 5-6(如图2所示)。3.1视频信号采集模块模拟视频信号经过钳位校正、放大后,将信号送入到A/D转换器,再经F P G A锁存后将视频信号发 送 给D S P 1;经视频同步分离电路,由L M 1 8 8 1分离出模拟视频的行、场同步信号,用于控制视频数据采集到D S P 1,以便进行图像处理。模拟视频经运放输入,将中心电平调到3.3V,加到A/D输入端。A/D转换后的数据进入F P G A锁存。运放均采用A D I公司的A D 8 0 4 7 A R,A/D转换器采用A D I公司的A D 9 0 5 0

13、,A D 9 0 5 0为1 0位A/D转换器,取其高8位进入F P G A。采样时钟1 2M H z,与数字视频信号相同,由F P G A对4 8M H z时钟四分频产生。3.2 D S P处理器模块D S P处理器阵列模块主要由4片高速高性能的D S P处理芯片A D S P-T S 2 0 1 S组成多D S P处理器系统。D S P 1是用来整理所收集到的视频信号,并进行相应的预处理后,将数据分发送到后面的D S P,进行进一步的处理。D S P 1并行口接F P G A输出的视频数据和F l a s h,完成D S P加载。D S P 1的I R Q 0,I R Q 1分别为视频输入

14、的帧中断和行中断。F l a s h选用A M D公司的A M 2 9 L V 0 1 7 D,可通过D S P 1对F l a s h编程,要保证在F l a s h读写时,F P G A的数据输出总线D 0 D 1 3为高阻,反之,在数据通道运行时,也应使F l a s h输出为高阻,故用B M S来选片F l a s h。表2当前各公司嵌入式图像处理设备的实现情况公司嵌入式图像处理系统说明M a t r o xH T Ma t r o x4 S i g h t M T嵌入式I n t e l主板+P C/1 0 4 P l u s采集卡+M i c r o s o f t Wi n d

15、o w s X P E m b e d d e d+M a t r o x I m a g i n g L i b r a r yN IN I C V C-1 4 5 X视频系统嵌入式主板+I E E E 1 3 9 4相机接门+L a b v i e wE u r e s y sN e l S i g h t I I T H(智能视觉检测系统)嵌入式主板+I E E E 1 3 9 4/C a m e r a L i n k/模拟相机接口+S h e r l o c k(软件环境)C o g n e x嵌入式C P C I总线视频系统嵌入式主板+C o m p a c t P C L采集卡+

16、Wi n d o w s X P+C o g n e x V i s i o nL i b r a r y大恒图像人民币水印在线检测系统嵌入式工控机+P C/1 0 4-P l u s图像采集卡+L i n u x系统图2图像采集处理系统图F L A G 0D S P 3链路口链路口I R Q 0链路口I R Q 1F L A G 1链路口链路口I R Q 0F L A G 0D S P 2链路口F L A G 1I R Q 1D S P图像处理模块F l a s hA D D RD A T A链路口链路口F L A G 0F L A G 1链路口D S P 1I R Q 0P C I接口模块

17、模拟视频数字视频视频信号采集模块A D D RD A T AI R Q 1链路口D S P 4I R Q 0链路口链路口F P G AA D 9 0 5 0L M 1 8 8 1模拟视频信号钳位校正电路双口R A M 3 7 0 L V 2 7P I C 9 0 5 4P C机Pa r t s&a p p l i c a t i o n s2 52 0 0 8年第3 2卷第0 7期(总第3 1 6期)D S P 2和D S P 3分别用链路口与D S P 1连接,接收由D S P 1传送来的数据,D S P 2和D S P 3也分别用链路口连接D S P 4,通过链路口将处理的数据传送给D S

18、 P 4,进行下一步处理和数据整理。另外,D S P 2和D S P 3也直接采用链路口连接,实现D S P 2和D S P 3之间的通道,方便将D S P 2和D S P 3配置成流水线或并行处理模式。D S P 4接收D S P 2和D S P 3发送来的数据,进行进一步处理后,将最后处理的数据通过数据总线发送到双端口R A M,通过P C I接口芯片P C I 9 0 5 4,将数据发送给P C机。该双端口R A M采用3片I D T 7 0 L V 2 7(3 2 K 1 6b i t),组成9 6 K 1 6b i t方式,保证一次写完一帧(分辨力为3 2 0 2 4 0),当D S

19、 P 4写满一帧图像数据后,向P C机产生中断,请求P C机将数据读走,当P C机读取完一帧图像数据后,应提供相应的应答,允许D S P 4刷新双口R A M。3.3 P C I接口模块P C I接口采用P L X公司的P C I 9 0 5 4接口芯片,3 2位,3 3M H z数 据 总 线。3片 双 口R A M(I D T 7 0 L V 2 7)R A M 1 3作为D S P 4数据输出缓存。由P C I 9 0 5 4读入到P C机。在双口R A M内,相当于右半边接口,P C I 9 0 5 4其电路连接如图3所示。P C I 9 0 5 4对应着P C I槽的信号,按P C

20、I槽名称对应连接,加载E2P R O M选用9 3 C S 6 6。图3 P C I 9 0 5 4与双口R A M,F P G A连接L I N TU S E R 1U S E R 0D 0-D 3A 1 6-1 7C S R 0-2R DWRF P G AU S E R 0U S E R 1L I N TL D 0-L D 3L A 1 6-1 7R E A D YL M/RA D SL H O L DWA I TB L A S TP C I 9 0 5 4L A 1-1 5L B E 1L D 0-1 5E E D I/D 0E S KE E C SP C I插槽对应信号C SS KD

21、1D 09 3 C S 6 6C E RO E RD R/WR RA O R-1 4 RI O O R-1 5 RR A M 1C E RO E RD R/WR RA O R-1 4 RI O O R-1 5 RR A M 3C E RO E RD R/WR RA O R-1 4 RI O O R-1 5 RR A M 234261 51 6将L D 0 L D 3引入到F P G A内,可以单次I/O写方式,输出4位状态,作主机控制。开、关机与数字视频/模拟视频选择以A 1 6 A 1 7的译码之一作地址选择。F P G A读入后,译码成控制信号输出。4软件系统设计软件系统流程如图4所示。D

22、 S P在复位完成之后首先进行系统的初始化,配置锁相环、E M I F和G P I O,并硬件复位O V 7 6 2 0,通过G P I O模拟S C C B总线配置其内部功能寄存器,之后对L C D模块清屏。当E D M A没有被使能时,O V 7 6 2 0的同步信号仍能被E D M A事件寄存器捕获并保持,所以把E D M A的初始化放在O V 7 6 2 0和L C D模块的初始化之后,并在使能之前清事件标志。在中断被使能之后,O V 7 6 2 0的帧同步信号会触发系统中断,开始进行数据的循环采集,并在每帧数据采集完成之后置位相应标志,通知主程序进行处理。主程序在接到通知后对O V

23、7 6 2 0的原始数据进行插值和平滑,生成待处理的R G B 2 4位色图像数据。图像处理和运算的结果被送到L C D模块进行动态显示,L C D的显示任务主要由中断服务程序完成,而此时主程序已开始等待和处理下一帧图像。5仿真及实验结果5.1采样控制器的功能仿真采样控制器同步状态控制如图5所示。I d e l为默认空闲状态(开始或复位状态);S t a t e 1为开始接收数据状态;S t a t e 2为数据确认成功状态;S t a t e 3为图4 D S P视频采集系统软件流程中断服务程序通知1帧图像已准备好中断服务程序帧同步中断系统初始化P L L,E M I F,G P I O初始

24、化L C D模块配置E D M A、中断插值与平滑图像处理启动显示程序图像采集L C D显示采完1帧图像?开始YN器件与应用2 6电视技术V I D E OE N GI N E E R I N GN o.0 7 V o l.3 2 2 0 0 8(S u mN o.3 1 6)视频图像数据的接收状态,表明数据采集及传送即将开始;S t a t e 4为奇场图像采集状态。奇数场开始采集,同时输出场同步及奇场信号来控制计数器计数;S t a t e 5为偶场图像采集状态。5.2 S D R A M控制存储模块仿真实现S D R A M支持实突发式的读取,设置的读取设为整页式突发读取,具体的工作过程

25、为:c m d发出0 0 1 b的控制信号,进行带自动预充电的S D R A M读操作,c m d _ a c k发出高电平应答信号,同时C s _ n低电平表示片选有效。控制信号R a s _ n,C a s _ n,We _ n的值输出为0 1 0 b,表示进行带自动预充电的S D R A M操作,紧接着进行读操作。数据在读取的时候,从C A S读取指令发出到第一笔数据输出,存在读取潜伏期(C L)。故数据的读出有一定的时钟延迟,在本文中C L=2,即延时2个时钟周期,之后数据从D q口从S D R A M读出。图6是采用序列数读入时的m o d e l s i m的仿真图。数据的整页式突

26、发写过程与读操作类似,c m d控制信号0 1 0 b控制进行带自动预充电的S D R A M写操作,c m d _ a c k应答,C s _ n低电平表示芯片选中工作。控制信号R a s _ n,C a s _ n,We _ n的值输出为0 1 1 b,对行地址和列地址进行激活,然后发出1 0 0 b写控制信号。由于信号的写入不需要时钟延迟,故此时数据从D A T A I N口输入,经过寄存后从D q存入S D R A M芯片里面,从而完成采集数据的存储。图7是采用序列数写入时的m o d e l s i m的仿真图。5.3实验结果本图像采集系统可进行高品质彩色、黑白图像实时采集,支持复合

27、信号及Y U V分量信号输入。采集到的数据通过P C I口与P C机实现数据交换,由于P C I口实现交换数据高达1 2 0M b i t/s,可方便地读取板卡上内存处的数据,实验结果如表3。与目前公司的同类产品比较,系统的信噪比、像素抖动和采集速率等指标都有很大提高,同时系统设计了可供用户自行编程的加密模块,以便用户对软件系统加密。6小结从对国外图像采集系统的调查情况看,目前的图像采集呈现多元发展的趋势。本系统集成图像采集功能,形成了嵌入式视觉采集、处理模块,整合了视觉处理的功能,进一步提高了系统的效率。此图像采集系统完全适用于静态图像以及帧数不是很多的动态图像,经过逻辑分析仪中的采集分析得

28、知,该图像采集系统具有很好的效果。参考文献 1 夏宇闻.V e r i l o g数字系统设计教程 M .北京:北京航空航天大学出版社,2 0 0 3.2 H A R I T A O G L UI,H A R WO O DD,D A V I SLS.W4:r e a l-t i m es u r v e i l l a n c eo fp e o p l ea n dt h e i ra c t i v i t i e s J .I E E E T r a n s.P a t t e r nA n a l y s i sa n dM a c h i n eI n t e l l i g e n

29、 c e,2 0 0 3,2 2(8):8 0 9-8 3 0.3 WR E NC,A Z A R B A Y E J A N IA,D A R R E L LT,e ta l.P f i n d e r:r e a l-t i m et r a c k i n go ft h eh u m a nb o d y J .I E E ET r a n s.P a t t e r nA n a l y s i sa n dM a c h i n eI n t e l l i g e n c e,2 0 0 7,1 9(7):7 8 0-7 8 5.4 B A R R O N J,F L E E T

30、D,B E A U C H I E M I N S.P e r f o r m a n c eo fo p t i c a lf l o w t e c h n i q u e s J .I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fC o m p u t e rV i s i o n,2 0 0 4,1 2(1):4 2-7 7.5 孔祥刚,诸静,阳涛.S A A 7 1 1 3 H在视频采集接口设计中的应用 J .电子技术,2 0 0 3,3 0(1 2):2 6-2 8.6 魏华,李荐民.C P L D在图像采集中的应用 J .计算机测量与控制,2 0

31、 0 2(1 1):7 6 5-7 7 0.!责任编辑:任健男收稿日期:2 0 0 8-0 5-0 9图6数据的突发式读取时序图图7数据的突发式写入时序图表3实验结果信噪比像素抖动/n sA/D转换精度/b i t直流噪声单幅图像捕捉时间/m s图像采集速率/(M b i t/s)-0.4 2.41 2 2灰级单场 4 0单帧 6 05 1 2图5控制器同步状态机8 h 0 08 h f f8 h f f8 h 0 08 h 0 08 h c 7S t a t e 2S t a t e 3S t a t e 1S t a t e 5S t a t e 4I d e 1Pa r t s&a p p l i c a t i o n s2 7