基于ＦＰＧＡ的视频滤波处理系统

肖　骏

[摘要]介绍一个以XC2S200为核心的视频信号滤波处理系统，该系统为水下图像目标识别和监控提供了一种解决方案，它采用共轭算法对图像进行统一、高效的全局变换，滤波增强效率更高，并且采用Xilinx公司的FPGA芯片XC2S200位处理核心，使得该系统结构紧凑，配置灵活，便于携带。该系统可实时使水下昏暗、模糊的视频图像获得较好的噪声滤波效果，并输出给液晶显示器显示。可应用于水下场景监测或监控，具有很好的市场应用前景。

[关键词]FPGA 视频信号 噪声滤波

中图分类号：TN8文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510013－01

视频图像处理的应用越来越广泛，各种图像处理算法日趋成熟，相关的硬件技术更是不断推陈出新。现代大规模集成电路VLSI技术的迅猛发展为视频图像处理技术提供了硬件基础。其中，现场可编程门阵列FPGA用于嵌入式视频图像处理有其独特优势。本文针对FPGA在视频图像处理上的应用，提出了一种基于滤波处理的视频系统设计方案，并选用Xilinx公司的Spartan II系列FPGA芯片XC2S200为核心，设计实现了系统硬件电路。该硬件平台与相关

的算法软件相结合，可实现微光图像增强、视频信号降噪等图像处理。

一、Xilinx XC2S200[1]

XC2S200属于Xilinx公司Spartan II系列的FPGA芯片。Spartan-2系列产品采用了先进的0.18、90制造工艺，器件速度达到200 MHz或更高，为用户提供了设计上的灵活性。这些低功耗2.5伏器件的I/O可在3.3伏下工作，并可完全耐受5伏输入信号。由于采用了成熟的FPGA结构，支持流行的接口标准，具有适量的逻辑资源和片内RAM，用户I/O可编程，并提供灵活的时钟处理，可以运行8位的PicoBlaze软核。器件提供了无限的可编程能力，甚至还可支持现场升级。

XC2S200的结构如图1所示。

二、基于XC2S200的视频滤波处理系统

（一）系统的原理图

因为国内一般的视频信号都是PAL视频制式，它属于基带视频，是一种简单的模拟信号，而FPGA必须处理数字格式信号，因此我们必须利用一块模/数（A/D）转换芯片来将PAL格式的模拟信号转变为标准的数字视频格式ITU-R BT.656。另一方面，为了将经过FPGA处理过的视频信号在显示屏上显示出来，我们还必须利用一块数/模（D/A）转换芯片将数字视频信号再转换为PAL制式的模拟信号。同时，由于我们要处理的一帧图象就有485K，仅仅利用FPGA的Block RAM Bits（56K）是远远不够的，再考虑到编写代码的简易性，适合使用单向缓存，综合考虑，我们采用Philip公司的SAA7111作为A/D转换芯片，Philip公司的SAA7128作为D/A转换芯片，利用两片Cypress公司的SRAM芯片CY7C1049BV33（512K）作为缓存。此外，还要考虑FPGA的代码配置问题，这样，我们再选一片XILINX公司的PROM芯片XC18V02作为系统配置芯片。

系统原理图如图2。

（二）系统的工作流程

系统复位完成FPGA程序加载后，先由FPGA的I2C总线[4]模块对SAA7111和SAA7128初始化，初始化结束后二者分别等待采集图像和接收图像的命令。初始化成功后，SAA7111实时处理模拟视频信号，输出亮度和色度信号，同时输出点时钟信号，行、场同步信号，行、场参考信号，奇偶场标志信号等。本系统使用灰度图像，没有使用色度信号，所以数据线为8位。系统采集图像的命令由FPGA（实际是由程序确定的）发出，该命令启动FPGA内的采集同步模块。采集同步模块发出采集标志信号，读取一帧图像，通过写数据模块产生写地址和写信号将数据存储到SRAM1中。采集结束时，采集标志信号撤销，采集同步模块复位，等待下一次采集命令。采集标志信号撤销时，FPGA开始读取SRAM1中的图像信息，这是通过读数据模块产生读地址和读信号来实现的。FPGA将1帧图像数据进行相应的处理（如噪声去除，边缘提取等）后，存储到SRAM2中，并发信号给SAA7128，通知其接收数据。FPGA将场同步信号、垂直消隐信号和水平同步信号进行复合，再发送给SAA7128，以供其输出显示。

三、系统程序的开发

常用的设计输入方式不外乎原理图、硬件描述语言、波形和状态机这四种方式，实际中用的最多的还是硬件描述语言设计输入方法。本系统中大部分的软件结构模块就是通过硬件描述语言设计输入方法来实现的。

由于本系统的中央处理芯片采用的是Xilinx公司的FPGA，而Xilinx公司的PLD开发工具ISE提供VHDL/Verilog的子集。因此可根据个人喜好自由选用VHDL硬件描述语言或Verilog HDL硬件描述语言来进行软件代码开发。各模块程序编写好后可以利用ModelSim SE6.0进行仿真，然后利用ISE自带的综合工具XST或Synopsys公司的Synplify综合工具进行综合。调试通过后，将程序下载入PROM即可。

四、结束语

经反复软、硬件调试后，系统达到了预期目标，实现了较好的滤波图像增强效果。由实验得知，在硬件系统调试成功后，系统性能的优劣主要由图像滤波增强算法来决定，比较、修正算法，可以获得处理程度不同的视频滤波增强效果。因此，开发出和具体应用更合适的算法是下一步的重点工作。

参考文献：

[1]Xilinx,Inc. Spartan-II 2.5V FPGA Family:Complete Data Sheet[EB/OL].http://www.fpga.com.cn/application/a68.htm.

[2]胡振华，VHDL与FPGA设计[M].北京：清华大学出版社，2002.