基于FPGA的图像采集与VGA显示系统

焦作师范高等专科学校 安 洋

基于FPGA的图像采集与VGA显示系统

焦作师范高等专科学校 安 洋

基于FPGA的图像采集与VGA显示系统建立在Altera Corporation DE2多媒体开发平台的基础上，由控制主模块、图像信息采集模块、图像信息处理模块、图像信息存储模块及图像信息显示模块几大部分构成，借助SOPC系统的作用，可以控制、编程FPGA。本文主要阐述了系统不同功能模块的设计，以期优化系统的设计方案，提高系统的数据采集、显示等功能，充分发挥SOPC技术的优势。

FPGA图像处理；采集处理；VGA显示系统

引言

NiosⅡ软核处理器的可编程逻辑芯片FPGA为系统内控制器,外部设备包括视频传输标准(VGA)显示接口、视频数字/模拟转换器、数字存储器和典型CMOS固体图像传感器。通过对该系统的功能模块分析,可以深入了解系统实现技术,达到高效采集、处理和显示实时图像的目的。

1 基于FPGA的图像采集与VGA显示系统控制主模块

在对系统进行设计的过程中,主要设计平台就是DE2开发平台,运行操作控制方式为拨码开关和按键,分别为十六个和四个。其中,曝光时间数值的设定由开关来控制,而画面定格、曝光时间、系统复位和启动等操作则由按键来控制［1］。控制主模块是基于FPGA的图像采集与VGA显示系统的核心所在,其软件设计涵盖以下三部分内容,首先要建立NiosⅡ工程,借助SOPC Buider开发工具对外部设备、嵌入式niosⅡ软核处理器进行选择,完成FPGA引脚及工程信息配置工作,构成BDF文件;其次,需要对CMOS传感器的控制器IP核进行设计,在Avalon总线下,使系统外部设备都能够同NiosⅡ软核中央处理器连接,编制相应的传感器控制程序来规范系统的运行标准,最终形成IP核,并利用VeriloG HDL描述语言对传感器控制程序进行编写;最后,在DE2开发平台中制定C语言程序设计报告,达到系统键盘控制要求。

2 基于FPGA的图像采集与VGA显示系统图像信息采集模块

基于I2C总线的图像传感器、信息提取子模块共同构成了系统的图像信息采集模块。在I2C图像传感器配置子模块中,主寄I2C总线是寄存器发挥读取数据信息、编写数据信息作用的前提［2］。基于FPGA的图像采集与VGA显示系统的主、丛机分别为FPGA、MT9M011,而寄存器也是由I2C总线进行配置设计,系统在对图像信息进行采集的过程中,数字式CMOS摄像头、寄存器和配置数据信息均由FPGA发送。应用SOPC Buider工具进行开发时,主要的配置依据就是I2C总线,必须要对I2C主机程序进行编写,才能形成相应的IP核,保证系统FPGA主机的I/O端口都具备I2C作用。

图1 图像信息采集模块子程序提取流程图

而在系统I2C图像信息提取子模块中,数字式CMOS摄像头MT9M011运行时钟可以由FPGA提供,FPGA会接收由CMOS传感器发送的数据信号,在对这个过程中的数据流进行分析时,应借助帧频信号、行频信号和相机的时钟来完成提取工作。系统时钟板应用上升沿的方式,作为采集应用程序的关键触发信号,在运行系统程序的过程中,帧频信号电平逐渐增大时,即可对一帧图像进行采集操作［3］。I2C图像信息提取子模块内像素列数、点数表示为Y_cont和X_cont,系统子程序提取过程详见图1。

图2 系统VGA显示程序流程图

3 基于FPGA的图像采集与VGA显示系统图像信息处理模块

在FPGA器件中需要将采集到的10位数字像素图像数据信息进行加工处理,转变为30位视频RGB数据,进行该项操作的主要目的就是使VGA图像显示更加方便,从而有效的解决CMOS数字图像传感器向FPGA传输图像格式和VGA图像显示格式不统一的问题。系统图像信息处理模块应用程序主要涉及到mDATAd_1、mDATA_0、mDATA_1和mDATAd_0四大变量,这些变量组合形成一个模版,该模版的关键部分为mDATA_0变量,涵盖像素点的R、G、B数量分别为1、2、1,能够以此为依据来确定模版核心变量R、B数值,G数值要以二者的平均值为准［4］。系统在对图像RGB颜色色块信息进行确定时,可以通过对像素点行列的奇、偶标准分析来实现,该判断方式具有明显的优势,能够对像素进行整合,应用一个像素来分析图像信息,也是实现图像信息格式高效转换的关键途径。

4 基于FPGA的图像采集与VGA显示系统图像信息存储及显示模块

为了有效的提高存储器的像素数据存储效率,提高存数速率,可以对SDRAM存储器的数据端口进行虚拟处理,将读、写端口分别扩展到两个。系统图像存储器共包括四个bank,读、写端口需要利用两个bank来进行协调和配合,而剩下两个bank则分别发挥存储R、G图像色块信息的作用。

系统图像信息显示模块在运行过程中,首先需要对存储器中图像的RGB信息进行读取,之后交由频数字/模拟转换器进行转换处理,将数据信息以模拟信号的形式体现出来,并通过VGA显示实时图像［5］。系统VGA图像显示程序的编制的参考依据为基本时序,在程序流程设计过程中oVGA_H_SYNC、V_Cont、H_Cont分别代表显示器的行同步信号、行及行像素点计数存储器。而由同步动态随机存储器读取的图像RGB颜色值表示为iRed、iGreen和 iBlue,显示器场同步信号表示为oVGA_V_SYNC,ADV模拟/数字视频转换器的图像RGB信息分别用oVGA_R、oVGA_G和oVGA_B表示,详细流程如图2所示。

5 结语

在Quartus II开发环境下,应用Altera DE2多媒体开发平台进行系统的开发设计,构建的基于FPGA的图像采集与VGA显示系统具有极高的可行性和实用性,系统可以将稳定、清晰的图像显示出来,具有多种功能,完全达到设计标准。在系统考法设计过程中充分应用了SOPC技术,开发效率和水平大大改善,使系统不仅拥有通用功能,还兼具良好的可移植、快速采集性能,为工程实践应用提供了可靠的理论基础。

[1]王德胜,康令州．基于FPGA的实时图像采集与预处理[J]． 电视技术,2011(03)．

[2]祝长锋,肖铁军．基于FPGA的视频图像采集系统的设计[J]． 计算机工程与设计,2008(17)．

[3]吕康．基于FPGA的VGA图形控制器设计[J]．科技风,2011(14)．

[4]汪方协,陈德为．I～2C总线及其在电器、仪器控制方面的应用现状[J]．自动化技术与应用,2005(07)．

[5]袁堂青,张玉璘．基于FPGA的VGA汉字显示系统设计与实现[J]．济南大学学报(自然科学版),2011(01)．

安洋（1983—），女，焦作师范高等专科学校助教，研究方向：嵌入式。