摘  要： 給出一種4路視頻合成系統的FPGA設計，介紹了FPGA與AD芯片TVP5154的I2C通信配置、有效視頻數據的抽取方法、SRAM乒乓操作以及FPGA對于視頻的拼接處理方法。
關鍵詞： FPGA； 視頻合成； TVP5154； 乒乓操作

    隨著人們越來越注重安全問題，監控開始向小型化、家庭化發展。為了實現全方位多角度監控，需要采用多路攝像及多個顯示器來顯示實時信息,同時多路存儲的容量需求比較大。為了在容量有限的情況下存儲更多數據， 需要對多路視頻進行相關處理，將多路視頻合成一路視頻信號再進行壓縮存儲和顯示。
1 系統組成及工作原理
    綜合考慮視頻圖像的實時性以及功耗體積等因素，采取以下方案：由4路并行的視頻模數轉換芯片TVP5154將4路視頻信號轉換成數字格式的視頻信號，并用FPGA進行合成處理[1]，再送給ARM模塊進行進一步壓縮、存儲等處理。圖1為系統的FPGA部分的硬件結構圖。

    采用Xilinx公司Spartan 3E系列中的XC3S500E芯片，該芯片具有功耗低、成本低等優點。采用TVP5154模數芯片主要是考慮到它是4路并行的，可節省板級空間，也方便控制,它可以將輸入的4通道NTSC/PAL/SECAM 格式的視頻數據轉換成4通道的8位ITU-R BT.656[2]格式的數字視頻輸出供FPGA進行處理。FPGA包含I2C[3]通信模塊、視頻采集模塊、處理模塊、存儲控制模塊以及ARM通信模塊。
2 模塊設計
2.1 I2C通信模塊
    FPGA通過I2C總線[4]實現對TVP5154的配置，完成4路視頻的AD轉換。將I2CA0和I2CA1接地，把從機地址設為B8h。系統上電后，設備處于一個輸出未定義的未知狀態，直到它接收到RESET 命令。在系統上電或硬件重啟后，遵循以下自檢過程：
    (1)等待1 ms，4個解碼通道的寄存器(7Fh)必須寫入00h 值。
    (2)等待1 ms，讀出4個解碼通道的寄存器（81h）的版本值。
    (3)驗證讀出來的值是否為54h。
    (4)如果讀出的值不為54h，則需要重啟。
    重復此過程,直到4個通道讀寄存器(81h)的值均為54h。
    自檢完成之后，FPGA向TVP5154的 FEh寄存器寫入0Fh，讓4個解碼器同時接收FPGA的寫事務，輸出設置成標準含嵌入式同步信號的ITU-R BT.656格式的數字視頻信號，如圖2所示，包括3路同步信號：場、水平、豎直同步信號，并有一路時鐘信號，頻率為27 MHz。

2.2 視頻采集模塊
    視頻采集模塊主要是將ITU656格式的視頻數據進行緩存和有效數據抽取。首先提取視頻有效數據，送入FIFO(深度為2k，可存儲一行有效數據)進行緩存。接著通過控制讀取FIFO的數據來進行行列1/2抽取。
    Modelsim上截取的采集狀態轉換圖如圖3所示。先對場同步信號FID進行采樣,下降沿啟動狀態機，從NULL狀態進入ST_IDLE狀態，然后開始檢測同步信號(FF0000 XXh)，出現FF狀態機跳轉到ST_FF，再出現00則跳轉到ST_00,如果檢測到還為00則跳轉到ST_START。此時根據XX的值來確定是否為有效數據，如果是非有效數據，則跳回ST_IDLE，再次跳轉;如果是有效數據,則根據XX判斷奇偶場，開始采集計數，根據要求選取采集深度，全采為1 440 B。

    合成的圖像4路按順序分別位于左上、右上、左下、右下。由于視頻為隔行掃描，為實現行1/2抽取,將4路視頻信號分為兩組，其中前兩路采集偶場數據，后兩路采集奇場數據。接著分時讀取組內兩個FIFO實現列1/2抽取,以實現行列1/2抽取。抽取時需要注意的是, ITU656為YUV422格式的,視頻數據按照Cb0，Y0，Cr0，Y1，Cb1，Y2，Cr1,…輸出,每兩個像素點共享紅藍色差信息，加上亮度信息，共4 B，處理時需要將兩個像素點作為一個整體。仿真結果如圖4所示。

    圖4為偶場數據處理，奇場相同。偶場有效數據在FF000080h之后，設17個有效數據，前16個數據第1路為00h~0fh，第2路為10h~1fh，第17個數據任意，采集深度為16，最后一個數據被丟棄。當FIFO1數據存入4個(或更大)之后產生FIFO讀信號flag_e開始讀取兩個FIFO的數據(為實現兩路視頻數據的同步)。flag_e作為有效數據的同步信號，由于讀操作延遲一個周期，因此調整一個時鐘周期得到flag。dout1是從FIFO1中讀取的數據，dout2是從FIFO2中讀取的數據。檢測到flag_t上升沿count清零開始計數,并用count[2]作為2選1 MUX的控制端，dout1和dout2為輸入，dout_e為輸出。奇場的數據處理是同樣的過程，得到輸出dout_o。由于奇偶場是分開的，dout分時輸出dout_e和dout_o。
2.3 視頻存儲控制模塊
    選取的SRAM容量為2 MB×8，共有21根地址線，地址線分為行地址和列地址[5]。ITU656標準的視頻一幀有效數據分辨率為576×720，共576行，選擇地址線高10位adr[20..11](0~1 024)為行地址，每行720個像素點，每個像素點為2 B，每行共1440 B，選擇地址線低11位adr[10..0](0~2 048)為列地址。
    行地址row[9..0]操作通過檢測同步信號flag下降沿，數據有效時同步信號為高電平，當一行有效數據存儲完成之后flag變低，行地址加1。
    有效數據采集模塊輸出數據為兩路信號交替出現，需交替產生存儲地址，如下：0、1、2、3、720、721、722、723、4、5、6、7…。如果分辨率有其他要求，可根據所需來確定第2路地址的起始位置。
    仿真中以16個數據為例,波形如圖5所示。初始賦值adr_ 2為720(第2路的起始地址，根據需要設置，16個數據設為8)，其余兩個地址adr_v和adr_1賦值為0。Flag出現高時adr_v開始計數，由于兩路數據間隔4個周期，所以設置adr_v為3位，檢測最高位選擇對1、2兩個地址中一個進行+1運算，然后以adr _v[2]作為2選1 MUX控制端，列地址column作為輸出，得到所需的列地址序列。在flag下降沿之后行地址row加1，得到所需的寫地址。

    乒乓緩沖的切換邏輯只需檢測行地址，當行地址達到576即第576行(對應行地址為575)數據已經存入SRAM，拉高ready信號，然后將row清零。切換兩個SRAM的操作方向，將SRAM1總線接至后面的合成模塊，而SRAM2則接至地址產生邏輯的輸出等待寫入。
2.4 視頻處理模塊
    視頻處理模塊主要實現4路視頻的合成處理。根據ITU656格式，調用一個IP生成一個ROM，存入視頻幀的第一行數據，EAV和SAV為8 B，EAV后280 B為消隱數據，SAV后1 440 B為消隱數據,共1 728 B。其中EAV為FF0000B6h，SAV為FF0000ABh。
    根據存儲模塊的切換邏輯送出來的READY信號，檢測到上升沿之后開始狀態跳轉，從IDLE狀態跳轉到EVEN_BLANK1狀態，設置一個模為22的計數器，包含一個模為1 728的計數器作為地址來讀取ROM中的數據。讀完ROM的數據,外計數器+1輸出一行數據，共輸出22行數據。然后跳轉到EVEN_VALID狀態，此時先讀取ROM中前288 B，并改寫EAV和SAV的最后1 B，分別改為9Dh和80h。接著開始讀取SRAM中的數據，按照行列地址進行讀取，行基地址為0，按列地址遞增讀取，讀至1 440列地址歸零，結束一行讀取，共重復288次輸出有效數據行。由于是隔行掃描，每次行地址加2，最后一次讀取的為第574行。接著狀態跳轉到EVEN_BLANK2，輸出兩行偶場消隱行，讀取ROM的數據即可。再跳轉到ODD_BLANK1，輸出23行奇場消隱行。讀取ROM的數據并改變EAV和SAV的最后1 B為F1h和ECh。然后跳至ODD_VALID輸出奇場有效數據，同EVEN _VALID,改寫EAV和SAV最后1 B為DAh和C7h，行基地址為1，每次加2，最后一次讀取的為第575行。奇場有效行輸出完成后，進入ODD_BLANK2，輸出兩行奇場消隱行。最后跳回EVEN _BLANK1輸出下一幀數據。
    EVEN_BLANK1輸出22行，EVEN_ VALID輸出288行，EVEN_BLANK2輸出2行，ODD_BLANK1輸出23行，ODD_VALI D輸出288行，ODD_B LANK2輸出2行，一幀共625行標準的ITU656格式的視頻數據，并根據格式在特定位改寫同步信號。
2.5 ARM通信模塊
    ARM通信模塊主要將合成所得的視頻數據送往ARM模塊，進行進一步的處理，包括壓縮、存儲等。接口主要有8 bit數據data[7:0]，3 bit同步信號F、H、V，一路時鐘信號clk，以及握手信號。
    本設計采用自頂向下的分析方法，根據系統的需求劃分功能模塊，給出一種視頻合成方法的FPGA設計，并詳細介紹各模塊的具體功能和實現。通過給定已知數據進行仿真驗證,證明了系統可以較好地實現合成操作。
參考文獻
[1] 蔡青青,龔立群,黃益新.基于FPGA的視頻監控系統[J].微型機與應用, 2012, 31(4):37-39.
[2] Recommendation BT.656-5[EB/OL]. [2007-12]. http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/bt/R-REC-BT.656-5-200712-I!!PDF-E.pdf.
[3] 吳厚航. 深入淺出玩轉FPGA(第1版)[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2010.
[4] 潘利明, 王惠平,劉春風.基于FPGA視頻采集中的I2C總線設計與實現[J].現代電子技術，2010(8):80-82.
[5] 陳文輝, 覃永新. 基于FPGA的多路視頻合成系統的設計[J]. 制造業自動化, 2010,32(8):62-65.