基于FPGA的图像监控装置的设计与实现全

刘辉

【摘 要】针对人们对安防不断增长的需求，提出—种基于FPGA的低功耗实时图像监控装置。使用这个装置用户能够轻松接受到监控现场的实际情况，凸显了图像监控的发展趋势。

【关键词】图像监控；FPGA；趋势

0 引言

信息科学技术的不断发展，传统的语音文字数据信息早已无法满足人们对于信息的追求，无图无真相这—热词也从侧面的反映人们对于图像信息的诉求，可靠的图像监控装置需求在不断地提升。图像监控装置能够广泛用于港口、铁路、地铁、体育场等人群密集的场合以及仓库、基站、隧道等无人值守场合；尤其适合地理环境恶劣不适于长时间驻守、不利于人员安全的地方。

1 图像监控装置的发展趋势

图像监控装置的发展是极其迅猛的，当今的图像监控系统正在往人工智能这一智能化方向发展。图像监控装置的发展趋势将会结合更多的学科来完成智能图像监控系统。未来的图像监控装置系统将能够摆脱人为的干涉与控制。通过使用计算机的与图像监控系统的连接，对采集来的图像信息进行自动的序列分析。能通过对目标序列的检测进行对监控目标进行分割提取、目标的特征自动识别、目标行动的追踪，以及对监控现场的目标的行为进行场景分析与对其行为进行描述，检测其行为是否会产生危害社会的行为，这将类似通过行为进行事件的分析。这将能够使犯罪行为在其实施之前被预示，创建更加和谐安全的社会环境。

2 系统概述

2.1 图像监控装置结构

图像监控装置从宏观上能够分解成三大组成部分：前端处理、图像信息数据处理、后端处理，这三个部分别对应着相应的功能，图像信息数据的采集、数字图像信息在FPGA内的转换、监控区域图像信息在VGA显示器上实时显示。三大组成部分由不同功能的模块再组合而成，不同的模块具有着模块相应的功能：模拟图像信号的采集，并进行模拟图像的解码，输出一组符合ITU-R656标准的数字图像信号；FPGA进行数字图像的解码、数字图像格式转换，最后将转换后的格式通过图像信息编码器进行数模转换输出RGB图像信息在VGA显示器中显示。系统结构框图如图1：

模拟图像信息采集：将图像监控装置监控范围内的模拟图像信息数据转换成图像监控装置所需要的PAL制模拟图像信息数据是能够被视频解码芯片ASS7113H所能进行解码的信号。FPGA通过使用I2C总线对ASS7113H内部存储器配置，令其根据格式输出符合ITU-R656标准的数字图像信息数据流。

数字图像信息数据处理：通过ASS7113H对模拟图像信息数据进行模数转换后，解码出行同步信号、场同步信号以及符合ITU-R656标准的8位的4：2：2YCbCr数字图像信息数据信号。同时还向FPGA提供27MHz的像素时钟。FPGA中，通过提取的行同步信号、场同步信号，ADV7170将对8位4：2：2YCbCr数字图像信息数据进行解码，经过解码后将会得到8位的Y[7：0]、Cb[7：0]、Cr[7：0]信号以及2分频后的像素信号13.5KHz。接着对像素的插值进行解交织处理，能够提升帧速率和进行逐行扫描的效果。插值和解交织后产生的RGB数字信号会存储在FPGA中，在FPGA内部将根据YCbCr信号与RGB信号空间色彩转换的公式，输出能够被ADV7123处理的10位R[9：0]、B[9：0]、G[9：0]信号。ADV7123再将十位的三基色信号与FPGA提供的场同步信号、行同步信号进行数模转换后，通过VGA接口将数字图像信息数据还原成模拟图像信息数据在VGA显示器中显示，达到实时显示的效果。

2.2 图像采集—FPGA硬件平台

当今社会，伴随着EDA技术的高速发展以及FPGA不断的提高，FPGA已经成为图像处理技术应用的常见平台，越来越多的使用FPGA来提升图像处理装置的性能。FPGA图像处理的特点是能够采用流水线方式实现，流水线处理方式可以提升资源的利用率，能够在时间域上同时实现多个图像处理的算法，极大的提升了系统的性能。传统的ASIC流水线与新兴的FPGA方式进行比较，由于FPGA内部硬件结构的特点，决定了基于FPGA的设计方式拥有着速度上的极大优势。

3 系统各模块电路

3.1 模数转换电路

SAA7113H是由亮度信号、模数转化电路、色度信号、输出信号格式、同步信号、总线控制以及时钟生成等组成。模拟图像信息通过AI11、AI12、AI21、AI22管脚将模拟图像信号输入通道送入SAA7113H芯片，模拟图像信息数据经过芯片的解码后由VP00～VP07通道输出8位数字图像数据信息。FPGA通过I2C总线对通道与图像格式进行配置。摄像头输出的模拟图像视频数据将通过这个模块进行采集，并采用SAA7113芯片将PAL制模拟视频转化成符合ITU-R656标准的数字视频信息数据；并将采集进来的数字图像数据存储到的SDRAM中。

3.2 SDRAM电路

课题中FPGA片内自带的RAM无法满足装置所需要的大量数字图像信息数据的存储要求。就一帧640*480分辨率的数字图像信息来说，就需要占用375KB的存储空间。在课题的研究中，使用的SDRAM采用了三星公司生产的K4S641632-F。该芯片是一个具有1M*4BANK*16Bit的64MBit的存储空间来存储图像监控装置运行过程中产生的视频信号和图像信息数据，以保证图像监控装置的稳定运行。

3.3 图像数模转换

装置要将数字图像信号转换成PAL制模拟信号从显示器中显示。本课题选用ADV7170芯片，ADV7170是一款通用性极强的视频解码芯片。该芯片在课题中的作用是将由ASS7113H传输过来的4：2：2YCbCr信号进行插值以及解交织，生成FPGA能够处理的4：4：4YCbCr信号。模拟图像信息进过ASS7113H后输出的4：2：2YCbCr格式的串行数据，在这8位的数据流中，其数据流格式为：Cb-Y-Cr-Y-Cb-Y-Cr，但是完整的数据流格式应为：Cb-Y-Cr-Cb-Y-Cr-Cb-Y-Cr，在其相邻的像素点中缺少了2为的色度信号Cb以及Cr。但是因为其相邻像素点的像素值相差不多，数字图像数据流的插值过程只需要把相邻的像素点中的色度信号将其补上，便可得到完整的4：4：4YCbCr信号。

3.4 显示模块

VGA接口显示器是极为重要的计算机显示设备，标准的VGA接口必须提供下列几组基础的信号：行同步信号、场同步信号还有三原色三路模拟信号。在本课题中选用了美国AD公司的ADV7123来做为视频数模转换器，它最大的采样速度是330MHz，能够与大多数的高精度显示系统具有兼容性，数字图像信息经过ADV7123可以产生三路模拟输出，再配合着行同步信号、场同步信号的完成模拟图象的显示。

4 结论

本课题以基于FPGA的图像监控装置做为研究对象，分析了装置的主要功能，接着在装置功能的实现基础上设计了系统的硬件架构：图像信息数据采集模块、图像解码、图像信号处理模块、图像编码和图像显示模块。在后续的设计和工作中，可以在FPGA芯片内部嵌入目标跟踪、目标检测、目标特征提取等功能，实现视频监控的智能化，更加具有针对性的应用在特定领域，如银行、军事区域、重要公共场所等。将图像监控装置和传输网络整合在一起，实现网络化监控、远程监控，能够更好地提升工作效率。数字图像监控系统，依旧有许多未知的领域等待着去探索和发掘，很多工作需要继续延伸。

【参考文献】

[1]吴晓苏.单片机原理与接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]潘松，黄继业. EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]谢自美.电子线路设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[4]徐爱钧.单片机高级语言 C51 应用程序设计[M].北京：电子工业出版社，2002.

[5]EDA技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2010，4.

[6]王玉凡，杭娟，张尧琴.基于ADV7170的红外数字图像显示系统设计[J].电子科技，2012.

[7]刘春国.基于FPGA的数字视频监控的研究与设计[D].保存地：江苏大学，2012.

[8]Donald A. Neamen. Electronic circuit analysis and design[M].Tsinghua University Press and Springer Verlag，2002.

[责任编辑：汤静]