0 引言

　　傳統(tǒng)的視頻采集系統(tǒng)僅支持PAL和NTSC幾種制式的視頻數(shù)據(jù)，這些模式很難清晰地抓拍到目標(biāo)快速變化的瞬時(shí)圖片，而很多高幀頻的攝像頭只是對(duì)圖像進(jìn)行了簡(jiǎn)單的采集，并未處理和壓縮。為了改善視頻圖像數(shù)據(jù)的信道傳輸和存儲(chǔ)速度，降低對(duì)信道寬度以及存儲(chǔ)空間大小的要求，本文設(shè)計(jì)了一種多接口、高速率傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://m.jysgc.com/tags/圖像壓縮" title="圖像壓縮" target="_blank">圖像壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)不直接存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，而是由FPGA采集數(shù)字化后的視頻圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)DSP將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，然后再將編碼壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI高速傳輸給計(jì)算機(jī)，最后再通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行解壓縮并顯示。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)結(jié)合FPGA處理速度快、DSP運(yùn)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提出了如下方案：通過(guò)FPGA模擬I2C總線時(shí)序，對(duì)模擬視頻采集芯片TVP5150進(jìn)行配置，并接收TVP5150輸出的ITU-R BT.656格式的圖像數(shù)據(jù)；同時(shí)，采用了Camera Link 接口，接收標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)。在FPGA完成對(duì)視頻數(shù)據(jù)的采集并經(jīng)內(nèi)部FIFO緩存后，將數(shù)據(jù)打包并行傳輸給DSP，DSP對(duì)圖像進(jìn)行JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的壓縮，壓縮幀頻不低于60幀/s，壓縮比不小于20:1；壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線傳輸給控制計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行解碼顯示。

　　圖像壓縮系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括圖像采集模塊、FPGA控制模塊、DSP壓縮模塊、PCI接口模塊、電源和時(shí)鐘管理模塊。

　　視頻采集模塊使用了型號(hào)為PNT-698的CCD模擬攝像頭，該攝像頭幀頻為25 Hz，場(chǎng)頻為50 Hz，像素為720×576，輸出為PAL制式圖像信號(hào)，信噪比大于48 dB，并可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制以及自動(dòng)白平衡調(diào)整，輸出接口標(biāo)準(zhǔn)為BNC。

2 硬件平臺(tái)的搭建

　　2.1 視頻接口協(xié)議設(shè)定

　　視頻接口由8路并行數(shù)據(jù)和1路時(shí)鐘信號(hào)組成，時(shí)鐘為像素時(shí)鐘，時(shí)鐘周期T=1/1 728fN，fN為行頻率,單位是Hz，fN=1/625(一幀圖像為625行)，脈沖寬度t=18.5±3 ns，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為td=18.5±3 ns。

　　視頻傳輸協(xié)議是以幀為單位傳輸，一幀圖像的傳輸格式如圖2所示。為了與標(biāo)準(zhǔn)電視圖像掃描方式相兼容，采用隔行掃描，每幀625行，每行1 728 B。其中第1行～第23行和第311行～第336行為場(chǎng)消隱信號(hào)，主要針對(duì)視頻數(shù)據(jù)場(chǎng)結(jié)束后掃描位置的重新定位，偶數(shù)場(chǎng)共288行（23～311），奇數(shù)場(chǎng)共288行（336～624）。

　　圖像解碼芯片TVP5150采用了同步信號(hào)嵌入數(shù)據(jù)內(nèi)部的輸出方式，所以需要對(duì)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，一行共1 728 B，前288 B為行控制信號(hào)，后1 440 B為圖像數(shù)據(jù)。行控制信號(hào)包括行開(kāi)始標(biāo)志SAV（Start of Active Video），長(zhǎng)度為4 B；行結(jié)束標(biāo)志EAV（End of Active Video），長(zhǎng)度為4 B；行消隱信號(hào)280 B。SAV信號(hào)和EAV信號(hào)都由4 B組成，分別為FF、00、00、XY，前3 B為固定數(shù)，最后1 B XY表示該行數(shù)據(jù)在整幀圖像中的位置信息。XY字節(jié)包含奇偶場(chǎng)標(biāo)志、行消隱狀態(tài)信息、場(chǎng)消隱狀態(tài)信息。

　　視頻圖像數(shù)據(jù)為YCbCr 4:2:2格式，Y表示一個(gè)像素的亮度，Cb、Cr表示一個(gè)像素的色差信號(hào)，一個(gè)像素2 B，每行共720個(gè)像素，共1 440 B。視頻數(shù)據(jù)格式為CbYCrYCbYCrY……CrY，因此可以理解為每個(gè)像素均有各自的亮度信號(hào)Y，但是共用一組色差信號(hào)Cb和Cr。在解包數(shù)據(jù)時(shí)，需要將它們分開(kāi)，若需要顯示，可以將YUV格式轉(zhuǎn)換為RGB格式。

　　2.2 FPGA與DSP接口設(shè)計(jì)

　　FPGA完成圖像數(shù)據(jù)的接收后，經(jīng)過(guò)格式變換及濾波將圖像數(shù)據(jù)傳輸給DSP進(jìn)行壓縮。壓縮打包完成后，又需要將數(shù)據(jù)回傳給FPGA，通過(guò)FPGA控制PCI接口時(shí)序，將數(shù)據(jù)最終上傳給計(jì)算機(jī)。為了滿足圖像數(shù)據(jù)高速、雙向、實(shí)時(shí)的傳輸，在DSP與FPGA之間設(shè)計(jì)了兩個(gè)高速的FIFO緩沖。

　　本系統(tǒng)中選用Spartan3系列的XC3S1400AN作為核心處理器[1]，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存資源豐富，內(nèi)部Flash 16 Mbit， Distributed RAM(分布式RAM)176 Kbit，Block RAM(塊RAM)576 Kbit。為了節(jié)約成本，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的傳輸速率及可靠性，在FPGA內(nèi)部IP核中創(chuàng)建了內(nèi)部FIFO，數(shù)據(jù)寬度為32 bit，存儲(chǔ)容量為3 M×32 bit。采用了獨(dú)立的讀時(shí)鐘(RD_CLK)和寫時(shí)鐘(WR_CLK)，數(shù)據(jù)達(dá)到半滿，半滿標(biāo)志位置1(half_flag=′1′)；達(dá)到滿，滿標(biāo)志置1(full_flag=′1′)。

　　FPGA和DSP的接口如圖4所示，視頻數(shù)據(jù)采集、處理完成之后，F(xiàn)PGA通過(guò)FIFO的滿標(biāo)志查看FIFO是否已滿，如果未滿，則將32 bit圖像數(shù)據(jù)在寫時(shí)鐘的邏輯控制下寫入到FIFO；將半滿信號(hào)連接到DSP的中斷引腳，半滿信號(hào)置高，會(huì)觸發(fā)DSP的DMA進(jìn)程，將FIFO中的圖像數(shù)據(jù)讀走[2]。同理，DSP通過(guò)EMIF外設(shè)接口將FPGA作為其外部存儲(chǔ)空間，壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA寫到FPGA內(nèi)部的另一個(gè)FIFO，半滿信號(hào)觸發(fā)FPGA內(nèi)部讀數(shù)進(jìn)程，將數(shù)據(jù)讀走，通過(guò)PCI總線上傳到控制計(jì)算機(jī)。

　　2.3 DSP壓縮模塊設(shè)計(jì)

　　JPEG2000壓縮算法硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比較高，其核心算法離散小波變換和EBCOT算法計(jì)算量特別大[3]，同時(shí)要考慮到實(shí)時(shí)性要求，所以對(duì)CPU的處理速度以及緩存空間等要求很高。因此在本次設(shè)計(jì)中，選擇了TI公司C6000系列DSP中的TMS320DM642作為硬件平臺(tái)。該DSP計(jì)算速度超過(guò)每秒64億次，適合大數(shù)據(jù)吞吐量高速運(yùn)算，比如在圖像處理領(lǐng)域。同時(shí)，DM642擁有豐富的外設(shè)接口，包括可實(shí)現(xiàn)與SDRAM、Flash等外部存儲(chǔ)芯片無(wú)縫數(shù)據(jù)連接的EMIF接口等，非常適合音視頻解碼、數(shù)字監(jiān)控以及數(shù)字視頻服務(wù)等應(yīng)用[4]。

　　對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示，源圖像先經(jīng)過(guò)正向預(yù)處理后進(jìn)行離散小波變換（DWT），然后對(duì)變換的小波系數(shù)進(jìn)行量化處理和熵編碼，最后將熵編碼后獲得的圖像數(shù)據(jù)打包成壓縮數(shù)據(jù)包輸出。解碼則按照壓縮碼流中提供的各個(gè)參數(shù)將編碼過(guò)程進(jìn)行逆向操作，最終將源圖像重構(gòu)還原出來(lái)。

　　2.4 乒乓緩存設(shè)計(jì)

　　圖像傳感器單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是連續(xù)的，且數(shù)據(jù)量比較大，而DSP的編碼速率是變化的。為了防止在編碼過(guò)程中造成數(shù)據(jù)的丟失，需要在采集與編碼電路之間設(shè)計(jì)一組幀緩存電路。

　　常用的緩存電路主要有FIFO、雙端口RAM和乒乓緩存結(jié)構(gòu)[5]。由于FIFO的存儲(chǔ)容量太小，不適合圖像視頻數(shù)據(jù)的大吞吐量緩存。雙端口RAM配備必須進(jìn)行訪問(wèn)仲裁控制，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。乒乓緩存結(jié)構(gòu)克服了它們所有的缺點(diǎn)，輸入的視頻數(shù)據(jù)流以幀為單位交替地寫入兩個(gè)不同的SDRAM存儲(chǔ)單元，在寫入其中一塊SDRAM的同時(shí)，將另一塊SDRAM中的數(shù)據(jù)讀出，并送到數(shù)據(jù)編碼單元進(jìn)行運(yùn)算。這樣數(shù)據(jù)的輸入/輸出都是不間斷的，非常適合流水線式操作，完成數(shù)據(jù)的無(wú)縫緩存和處理。

　　本設(shè)計(jì)中乒乓緩存結(jié)構(gòu)如圖6所示，DSP接收到FPGA傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)后，以幀為單位交替寫入兩塊SDRAM存儲(chǔ)器。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)被交替讀出，輸出給數(shù)據(jù)壓縮單元進(jìn)行編碼。數(shù)據(jù)流被嚴(yán)格有效地控制，不會(huì)出現(xiàn)丟數(shù)據(jù)或者誤碼，而且效率很高。選用MT48LC2M-

　　32B2作為外部高度SDRAM緩存器，讀寫速率可以達(dá)到6 ns，數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，容量為64 Mbit，而高頻數(shù)字?jǐn)z像頭輸入的一幀圖像的大小為600×480×3=864 Kbit，完全可以滿足要求。

3 邏輯功能的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 TVP5150解碼邏輯

　　TVP5150解碼芯片輸出的數(shù)據(jù)流中除了包含有效的視頻圖像數(shù)據(jù)之外，還包含行、場(chǎng)同步信號(hào)以及一些消隱數(shù)據(jù)。所以在視頻解碼時(shí)，需要根據(jù)同步信號(hào)以及ITU-R BT.656的標(biāo)準(zhǔn)格式將有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)。

　　提取有效數(shù)據(jù)的流程圖如圖7所示，在時(shí)鐘的上升沿對(duì)TVP5150輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，若連續(xù)出現(xiàn)“FF”、“00”、“00” 3個(gè)固定字節(jié)，則表明出現(xiàn)了定時(shí)基準(zhǔn)；如果第4 B出現(xiàn)“80”，表示一場(chǎng)數(shù)據(jù)的開(kāi)始，而且為偶場(chǎng)，接著讀取1 440 B圖像數(shù)據(jù)。同理，若第4 B出現(xiàn)“C7”，表示奇數(shù)場(chǎng)數(shù)據(jù)的開(kāi)始，接著同樣讀取1 440 B有效圖像數(shù)據(jù)；否則，繼續(xù)等待定時(shí)基準(zhǔn)的出現(xiàn)。

　　3.2 DSP編碼邏輯

　　DSP對(duì)圖像數(shù)據(jù)的編碼流程如圖8所示，上電復(fù)位后，DSP程序從Flash起始處加載并啟動(dòng)，通過(guò)二次引導(dǎo)，最終將應(yīng)用程序全部搬移到DSP內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到入口函數(shù)c_int00（），完成初始化配置，并等待FPGA的外部中斷觸發(fā)信號(hào)。FPGA采集到數(shù)據(jù)后，緩存到接口FIFO中，并以中斷的方式觸發(fā)DSP的DMA進(jìn)程，DSP以DMA的方式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM中，若一幀圖像傳輸完畢，則觸發(fā)軟中斷，進(jìn)入JPEG2000編碼子程序。編碼完成后，再次觸發(fā)DMA進(jìn)程，將數(shù)據(jù)回傳給FPGA?！?.3 PCI傳輸接口邏輯

　　PCI接口主要用來(lái)下發(fā)上位機(jī)控制命令和系統(tǒng)參數(shù)，上傳編碼后的圖像數(shù)據(jù)。采用PCI9054芯片來(lái)連接本地總線和PCI總線，PCI總線協(xié)議由PCI9054芯片內(nèi)部處理，只需對(duì)其進(jìn)行配置，并完成硬件接口驅(qū)動(dòng)程序即可，PCI9054工作在C模式，內(nèi)部采用了DMA數(shù)據(jù)傳輸方式[6]。

　　PCI接口內(nèi)部邏輯流程圖如圖9所示，先判斷總線啟動(dòng)信號(hào)ADS，若該引腳電平由高變低，則啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，然后判斷讀寫信號(hào)電平LWR，若LWR為1，表示PCI寫過(guò)程，否則為讀過(guò)程。PCI讀過(guò)程又分為讀狀態(tài)和讀數(shù)據(jù)，通過(guò)地址總線LA來(lái)判斷，讀過(guò)程中，若LA=04H，則為讀寄存器狀態(tài)；若LA=A0H，則為讀批量圖像數(shù)據(jù)。而寫過(guò)程中，若LA=01H，則為系統(tǒng)復(fù)位，立即執(zhí)行，不寫入寄存器；若LA=02H，則為命令下發(fā)，需要將命令字寫入相應(yīng)寄存器；若LA=03H，則為命令刷新，立即執(zhí)行，不寫入寄存器。

　　為了使得數(shù)據(jù)不丟失，在PCI接口設(shè)計(jì)過(guò)程中調(diào)用FPGA的IP核添加了FIFO數(shù)據(jù)緩存器，位寬為32 bit，與PCI總線位寬相匹配，深度為4 KB。由于PCI數(shù)據(jù)總線是雙向傳輸，所以在FPGA內(nèi)部增添了數(shù)據(jù)方向控制模塊，保證了數(shù)據(jù)有序地下發(fā)和上傳。

4 結(jié)果分析

　　為了比較壓縮前后圖像的質(zhì)量，首先將未壓縮的圖片通過(guò)PCI接口傳輸給上位機(jī)并顯示，如圖10(a)所示，圖像大小為407 KB，格式為BMP。然后保持源圖片不變，將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給DSP編碼，編碼后傳輸給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)解碼后得到的圖片如圖10(b)所示，其大小為59.5 KB，壓縮比約為10：1；圖10(c)大小為15.2 KB，壓縮比約為26：1。同時(shí)，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)PCI卡傳輸給上位機(jī)時(shí)最高速率達(dá)到了38 MB/s。

　　通過(guò)對(duì)比可知，壓縮比越高，峰值信噪比越低，主觀視覺(jué)的質(zhì)量也會(huì)有所下降，局部細(xì)節(jié)有些模糊?？傮w來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)的新型圖像壓縮編碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)的功能。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 邸麗霞.基于FPGA的高速圖像數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2013，37(13)：49-52.

　　[2] 李娟.基于FPGA的圖像預(yù)處理及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院，2011.

　　[3] 張曉娣，劉貴忠，曾召華，等.JPEG2000圖像壓縮編碼系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].電視技術(shù)，2001(8)：13-17.

　　[4] 鄭紅，劉振強(qiáng)，李振.嵌入式DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例剖析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

　　[5] 周如輝.實(shí)時(shí)視頻處理系統(tǒng)中乒乓緩存控制器的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2006(4)：66-68.

　　[6] 原學(xué)山.基于PCI總線的圖像采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2006.