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摘要：视频图像采集是数字图像处理、监控系统等应用的必要组成部分。图像采集与处理在工农医等领域得到了广泛应用，目前随着科技的不断发展，各种图像采集设备层出不穷，性能和实用性也得到了市场验证。视频采集系统的实现方法有很多，本文对基于FPGA的视频采集系统设计进行探讨分析。
关键词：FPGA；视频采集；系统设计
1、FPGA的应用优势
（1）逻辑功能强大。FPGA采用SRAM编程技术实现系统的快速运行，增强其逻辑功能；布线资源丰富，只需擦除更改程序，即可满足系统设计所需的不同逻辑功能；可编程I/O资源丰富，可满足复杂数字逻辑设计。（2）设计灵活。FPGA内部的嵌入式RAM支持多种操作模式，异步先入先出（FirstInputFirstOut，FIFO）数据缓冲器可拓展FPGA的设计范围，使设计选择更加灵活；FPGA内部包含的逻辑门数较多，可满足复杂设计要求。（3）操作简便。为保证FPGA系统的可靠性，在使用FPGA芯片之前需进行稳定性测试，在此之后设计者只要利用软硬件环境便可设计系统功能；在实现FPGA系统不同逻辑功能时，设计者可通过多次反复编程予以实现，无需更改硬件电路。
2、基于FPGA的视频采集系统方案整体框架
（1）视频采集部分：将摄像头采集到的模拟视频数据CVBS转换成数字视频格式YUV4：2：2，包括I2C总线配置，TIU656解码。（2）视频处理部分：为适应VGA的不同显示，对视频数据做相应预处理，包括彩色VGA数据处理，灰度VGA数据处理，Sobel边沿检测数据处理，Prewitt边沿检测数据处理。（3）视频存储部分：将视频数据储存在容量为4M×16×4Banks的SDRAM中，主要包括SDRAM控制器设计。（4）VGA显示部分：将实时的视频数据在显示器上显示出来。包括色度空间转换，VGA时序产生，ADV7123视频数据编码。
3、系统的具体工作流程
系统上电后，由配置芯片重新配置FPGA；配置完成后，FPGA对视频解码芯片进行初始化；视频解码芯片进入工作状态，采集4路模拟视频信号；FPGA初步处理4路数字视频信号；处理后，将4路视频数据存储到SDRAM中；在TFTLCD上显示所采集的数字化视频信息；利用IO口，可在外部切换采集通道，对系统进行复位操作。具体工程流程如图1所示。
4、基于I2C协议实现FPGA对ADV7123的配置
I2C总线是一种双向二线制总线，主要用于IC器件之间的连接和数据传输，因为占用空间小、传输速度快和多主控的优点得到了广泛应用。I2C总线由时钟线（SCL）和数据线（SDA）两条线组成，SDA总线用来在主从器件之间进行数据传输，SCL总线用于时钟同步。当启动信号START发出时，总线开始数据传输，停止信号STOP发出，数据传输结束。START和STOP信号都由主控器件产生。数据传输过程中，当时钟总线（SCL）处于高电平期间时，数据总线的状态不能发生转变，否则将表示主控器件发出了START或STOP信号，SDA的状态变化只能出现在SCL的低电平期间。所以，在SCL处于高电平期间，数据总线（SDA）必须保持稳定。在时钟总线（SCL）保持高电平期间，起始和结束信号由数据总线（SDA）的信号变化来产生。如果SDA和SCL都为高电平，则表明数据总线处于空闲状态；在SCL为高电平，同时SDA发生由高到低的变化，则表示主控器件发出START信号，SDA由低到高变化，表示发出STOP信号。I2C总线的具体时序如图2所示。
5、有效视频数据的采集与存储
（1）ITU656解码。ITU656协议中定义了视频开始SAV和活动视频结束EAV两种定时基准信号，SAV和EAV信号有3字节的前导：FF、FF、00；最后1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置及如何区分SAV、EAV。在每个时钟的上升沿读取从解码芯片传来的8位数据。当检测到一行数据的开始标志FF0000XY时，检测到SAV信号或EAV信号，提取H、F、V信号。然后发出开始命令，同时开启行列计数器，开始对接下来的图像数据进行解码，根据每个8位数据自身带的信息，判断该数据为Y，Cr还是Cb，从而得到Y，Cr，Cb各分量的值。
（2）视频的存储。该模块将视频解码芯片输出的场同步信号周期作为切换的时间间隔，SDRAM按照存储单元地址分为4个空间，用于4路视频信号存储，保证各路信号均可正常显示。
6、VGA顯示
视频数据从SDRAM读出以后，首先将4：2：2的视频流转化为4：4：4的数据格式，使每个像素点都包含亮度分量Y和色度分量Cb和Cr。由于VGA所采用的色彩空间是RGB色彩空间，因此通过YCbCrtoRGB模块将YCbCr空间转化成RGB空间送给VGA控制器。同时VGA控制器还产生出VGA的同步信号VGA_HS，VGA_VS，和24位的RGB数据一起送到编码芯片ADV7123，通过VGA显示器显示出来。
7、结束语
本文实现了基于FPGA的视频采集系统设计，该系统结构简单，硬件流程清晰。基于FPGA的视频采集系统电路集成度高、信噪比高、功耗低、成本低、速度快以及接口方便，为前端图像处理器的高度集成化实现提供了可能性。视频采集系统中采用FPGA作为采集控制部分，可以提高系统处理的速度及系统的灵活性和适应性。
参考文献：
[1]视频图像处理平台的研究[D].孟繁星.长春理工大学2016.
[2]图像去模糊技术及相关图像增强系统[D].黄明杨.北京邮电大学2017.
（作者单位：桂林长海发展有限责任公司）
关键词：FPGA；视频采集；系统设计
1、FPGA的应用优势
（1）逻辑功能强大。FPGA采用SRAM编程技术实现系统的快速运行，增强其逻辑功能；布线资源丰富，只需擦除更改程序，即可满足系统设计所需的不同逻辑功能；可编程I/O资源丰富，可满足复杂数字逻辑设计。（2）设计灵活。FPGA内部的嵌入式RAM支持多种操作模式，异步先入先出（FirstInputFirstOut，FIFO）数据缓冲器可拓展FPGA的设计范围，使设计选择更加灵活；FPGA内部包含的逻辑门数较多，可满足复杂设计要求。（3）操作简便。为保证FPGA系统的可靠性，在使用FPGA芯片之前需进行稳定性测试，在此之后设计者只要利用软硬件环境便可设计系统功能；在实现FPGA系统不同逻辑功能时，设计者可通过多次反复编程予以实现，无需更改硬件电路。
2、基于FPGA的视频采集系统方案整体框架
（1）视频采集部分：将摄像头采集到的模拟视频数据CVBS转换成数字视频格式YUV4：2：2，包括I2C总线配置，TIU656解码。（2）视频处理部分：为适应VGA的不同显示，对视频数据做相应预处理，包括彩色VGA数据处理，灰度VGA数据处理，Sobel边沿检测数据处理，Prewitt边沿检测数据处理。（3）视频存储部分：将视频数据储存在容量为4M×16×4Banks的SDRAM中，主要包括SDRAM控制器设计。（4）VGA显示部分：将实时的视频数据在显示器上显示出来。包括色度空间转换，VGA时序产生，ADV7123视频数据编码。
3、系统的具体工作流程
系统上电后，由配置芯片重新配置FPGA；配置完成后，FPGA对视频解码芯片进行初始化；视频解码芯片进入工作状态，采集4路模拟视频信号；FPGA初步处理4路数字视频信号；处理后，将4路视频数据存储到SDRAM中；在TFTLCD上显示所采集的数字化视频信息；利用IO口，可在外部切换采集通道，对系统进行复位操作。具体工程流程如图1所示。
4、基于I2C协议实现FPGA对ADV7123的配置
I2C总线是一种双向二线制总线，主要用于IC器件之间的连接和数据传输，因为占用空间小、传输速度快和多主控的优点得到了广泛应用。I2C总线由时钟线（SCL）和数据线（SDA）两条线组成，SDA总线用来在主从器件之间进行数据传输，SCL总线用于时钟同步。当启动信号START发出时，总线开始数据传输，停止信号STOP发出，数据传输结束。START和STOP信号都由主控器件产生。数据传输过程中，当时钟总线（SCL）处于高电平期间时，数据总线的状态不能发生转变，否则将表示主控器件发出了START或STOP信号，SDA的状态变化只能出现在SCL的低电平期间。所以，在SCL处于高电平期间，数据总线（SDA）必须保持稳定。在时钟总线（SCL）保持高电平期间，起始和结束信号由数据总线（SDA）的信号变化来产生。如果SDA和SCL都为高电平，则表明数据总线处于空闲状态；在SCL为高电平，同时SDA发生由高到低的变化，则表示主控器件发出START信号，SDA由低到高变化，表示发出STOP信号。I2C总线的具体时序如图2所示。
5、有效视频数据的采集与存储
（1）ITU656解码。ITU656协议中定义了视频开始SAV和活动视频结束EAV两种定时基准信号，SAV和EAV信号有3字节的前导：FF、FF、00；最后1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置及如何区分SAV、EAV。在每个时钟的上升沿读取从解码芯片传来的8位数据。当检测到一行数据的开始标志FF0000XY时，检测到SAV信号或EAV信号，提取H、F、V信号。然后发出开始命令，同时开启行列计数器，开始对接下来的图像数据进行解码，根据每个8位数据自身带的信息，判断该数据为Y，Cr还是Cb，从而得到Y，Cr，Cb各分量的值。
（2）视频的存储。该模块将视频解码芯片输出的场同步信号周期作为切换的时间间隔，SDRAM按照存储单元地址分为4个空间，用于4路视频信号存储，保证各路信号均可正常显示。
6、VGA顯示
视频数据从SDRAM读出以后，首先将4：2：2的视频流转化为4：4：4的数据格式，使每个像素点都包含亮度分量Y和色度分量Cb和Cr。由于VGA所采用的色彩空间是RGB色彩空间，因此通过YCbCrtoRGB模块将YCbCr空间转化成RGB空间送给VGA控制器。同时VGA控制器还产生出VGA的同步信号VGA_HS，VGA_VS，和24位的RGB数据一起送到编码芯片ADV7123，通过VGA显示器显示出来。
7、结束语
本文实现了基于FPGA的视频采集系统设计，该系统结构简单，硬件流程清晰。基于FPGA的视频采集系统电路集成度高、信噪比高、功耗低、成本低、速度快以及接口方便，为前端图像处理器的高度集成化实现提供了可能性。视频采集系统中采用FPGA作为采集控制部分，可以提高系统处理的速度及系统的灵活性和适应性。
参考文献：
[1]视频图像处理平台的研究[D].孟繁星.长春理工大学2016.
[2]图像去模糊技术及相关图像增强系统[D].黄明杨.北京邮电大学2017.
（作者单位：桂林长海发展有限责任公司）