基于FPGA+DSP的高清视频图像系统的硬件构建

张大禹

摘要：本文围绕基于FPGA+DSP的高清视频图像系统的硬件系统展开分析，从不同的层面展开对其架构和功能的探讨。

关键字：FPGA;DSP;视频;图像系统

在实际的应用环境中，高效的视频编解码技术有着广泛的应用，尤其是当前无人机对于各类工作的广泛深入，更加使得民用测绘以及军用侦测等领域，都对视频图像处理技术提出了更为迫切的要求。无论何种应用场景，都要求能够将无人机在高空中拍摄的地面图像发送回地面，并且进一步展开处理。相对于民用系统而言，军用的要求明显更为严格。从高空中获取到的图像数据，其数据帧内的目标像素都比较小并且目标数量大，这就要求尽可能大的提升图像分辨率，以获取到关于地面的更多情况。但是与此同时，随着分辨率增加的是需要传输的数据总量，这无疑与当前相对而言比较有限的无线带宽资源形成矛盾。在这样的背景之下，不仅仅需要发展出更为有效的无线数据传输方式，高效的视频编解码技术更是成为核心重点，直接关系到解析图像本身的效果。对于需要多路视频传输，并且整体数据率固定的情况下，可以考虑降低单路视频分辨率或者提升单路压缩比来展开工作。想要实现这种工作方式，系统应当能够实现对于分辨率和压缩比的动态调整和切换，在提升灵活性的同时面向实际需求展开服务。除此以外，无人机与地面的通信过程中，还需要接收地面传送向无人机的指令并且加以落实，这些数据同样要求比较高的实时性特征。如果将这些数据与视频数据放在两个独立信道，则传输工作的整体效率就会有所降低。因此如何构建一个包括传统遥测数据和视频数据的广义遥测系统成为必需。

一、基于FPGA+DSP的高清视频图像系统框架建设

在FPGA+DSP两项技术的共同支持之下，整个高清视频图像系统架构可以参见图1。具体而言，就是大体划分为两个部分，即机载设备端的系统和地面设备端的系统，二者之间通过无线通信网络进行数据的传输和交换。

从图1中可以看到，对于机载设备端而言，经由影像传感器获取到的视频模拟信号数据，将交由AD进行处理，并且转化成为数字信号传递给FPGA，在经过FPGA的预处理之后，生成原始数字视频数据送达DSP进行视频编码。完成编码之后，将压缩码流回传给FPGA，并且与下行遥测数据组帧后进入调制部分。同时上行遥控指令也在FPGA环节中对图像分辨率以及视频码率等参数细节展开控制。

而在地面站端，经过一系列处理的机载系统，在通过通信网络将数据传输至地面站端的时候，调制数据首先进入FPGA，实现视频数据与遥测数据的分离，并且展开分别处理。其中视频数据经过PCI9054，通过CPCI接口传输给上位机，由上位机来实现对于视频压缩码流的实时解码播放以及存储回放。

二、视频系统的硬件职能分析

对于这样的一个视频系统，其硬件构建过程中需要重点注意三个方面：

1.机载端视频采集

对于模拟信号的采集工作而言，为了确保信号质量，通常采用分量输出格式加以实现，例如亮度信号Y以及色差信号Cr、Cb等，并且场同步和行同步信号可采取叠加在分量信号上的内输出。一个比较典型的系统结构中，可以选用720p格式，25帧/s，并且可以考虑选用TI公司的ADC芯片来实现模数转换。参见图2。

2.机载端DSP+FPGA处理器

对于机载端而言，其职能主要在于实现数字视频信号的获取，以及视频压缩编码和遥控遥测接口功能。在这个体系中，DSP本身即具有良好的数字信号处理能力，而FPGA则具备大规模逻辑设计能力，因此以这两个技术作为根基展开结构建设，能够基本满足机载端的需求。其大体结构参见图2。

从功能上看，这一部分需要重点承担起三个方面的职能，即数字视频的获取、DSP与FPGA之间的通信以及遥控与遥测。对于数字视频的获取而言，FPGA通过ADC输出的同步信号来确定视频数据的起始点，对原始视频数据进行接收并且存储FIFO中。并且考虑到传输自身的特征，则可以考虑外挂SRAM作为缓冲。进一步，DSP与FPGA之间通过EMIFA接口实现连接，同样在FPGA内开辟FIFO或者寄存器实现数据缓冲。DSP則通过EMIFA对其中缓冲数据进行读取，从而实现数据传输。最后，对于遥控与遥测领域的功能而言，系统应当能够接受地面站的对应指令，通过改变采样方式，对视频分辨率进行切换。除此以外，依据对应指令对编码算法中的参数进行调整和改变，进而实现对于视频数据码率等方面的控制，同样也在该领域的职责范围以内。

3.地面端CPCI总线接口

CPCI是一种通用的工业接口标准，采用PCI总线技术加以实现，并且进一步对机械结构加以改善，重点在于提升可靠性，并且支持热插拔使用。该系统的地面端采用FPGA+PCI接口芯片的架构实现，其中前者主要用于实现视频与遥测数据分离以及接口时序等功能，而后者则由对应的接口芯片承担，用于降低FPGA协议部分的逻辑设计量。

三、结论

对于高清视频图像系统而言，虽然软件方面的优化不容忽视，但是硬件支持更是至关重要。只有在深入考察硬件不同技术和协议特征的基础之上，才能不断实现优化，成为整个体系深入发展的根基。

参考文献：

[1]焦文喆，翟正军，任览昆.基于FPGA的图像数据采集卡及其驱动设计[ J].国外电子测量技术，2010，29（3）