杭 娟，張堯琴，王玉凡

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

人的感覺器官中接受信息最多的是眼睛。為了存儲視覺信息，模擬視頻信號必須通過模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的“0”或“1”，這個轉(zhuǎn)變過程就是所謂的視頻捕捉。

在數(shù)字圖像處理中，一般采用單片機控制芯片的I2C總線，而對數(shù)據(jù)的采集處理，則可以用專用的數(shù)字處理芯片DSP或FPGA進行［1］。隨著FPGA器件集成度的增長，完全有能力將ADV7183A的控制電路集成到FPGA內(nèi)部完成［2］。這樣實現(xiàn)了設(shè)計的小型化、低功耗，并利用FPGA現(xiàn)場可編程特征充分發(fā)揮了ADV7183A 的功能［3］。

傳統(tǒng)上是利用I2C總線控制HS，VS和FIELD，并根據(jù)這3個信號的有效電平采集有效視頻，然而在不用I2C總線配置寄存器的情況下也可提取出有效視頻，因為在默認配置下 ADV7183A輸出的是8位BT656的YCrCb型4∶2∶2視頻數(shù)據(jù)，可以根據(jù)BT656的標準提取有效視頻，這樣減少了編程工作，降低了FPGA與ADV7183A的連線，從而為FPGA控制其他芯片節(jié)約了引腳，提供了設(shè)計的靈活性［4］。

1 設(shè)計方案

文中嵌入式數(shù)字圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在此視頻采集系統(tǒng)中，采用 Altera公司的Cyclone 3系列FPGA:EP3C80F484C6，AD公司的視頻解碼芯片ADV7183A，TI公司的TMS320C6416。模擬視頻信號PAL制輸入到ADV7183A中，由FPGA產(chǎn)生的I2C總線配置 ADV7183A內(nèi)部的寄存器，控制ADV7183A輸出的像素時鐘頻率，行場復位起始位置、寬度以及數(shù)據(jù)寬度等。ADV7183A輸出的數(shù)字視頻信號經(jīng)過FPGA的預(yù)處理傳送到DSP，由DSP顯示圖像來驗證隔點采樣是否合理。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 ADV7183A的設(shè)置

AD公司生產(chǎn)的ADV7183A是一款通用性強的視頻解碼芯片。芯片應(yīng)用的關(guān)鍵就是要設(shè)置ADV7183A內(nèi)部的一些寄存器，使ADV7183A能正常工作。而ADV7183A采用了I2C總線接口標準，所以對該芯片的控制主要是通過I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸。

對于本系統(tǒng)而言，取默認配置，無需再對I2C總線進行配置，當ADV7183A正常工作后輸出8位BT656的YCrCb型4:2:2視頻數(shù)據(jù)［5］，只需320×256的灰度圖像，即取Y，而不要C，因此必須進行隔點采樣。

(2)對于輸出的8位ITU－BT656，行數(shù)據(jù)由水平消隱，有效視頻開始定時信號，有效行數(shù)據(jù)以及有效視頻結(jié)束定時信號組成。幀數(shù)據(jù)由場消隱，第一場數(shù)據(jù)，場消隱和第二場數(shù)據(jù)組成。場消隱和場數(shù)據(jù)分別由若干行數(shù)據(jù)組成，消隱數(shù)據(jù)為0X8010，即在水平消隱和場消隱時一律用16進制的0X8010作為流數(shù)據(jù)［6］。

有效視頻開始(SAV)和有效視頻結(jié)束(EAV)為兩個定時基準信號，每個定時基準信號由FF 00 00 XY組成，前3個是固定前綴，第4個包含場標識，場消隱和行消隱狀態(tài)的信息，其定義為:F為場同步信號，0表示第一場，1表示第二場;V為垂直同步信號，0表示其他情況，1表示場消隱;H為水平同步信號，0表示有效視頻開始，1表示有效視頻的結(jié)束，P0－P3稱為保護比特，它們的狀態(tài)取決于F，V，H的狀態(tài)［7］，如表 1所示。

表1 保護比特狀態(tài)

(3)在此系統(tǒng)中沒有用HS，VS和F信號，即原理圖中沒有接這3個信號，而是根據(jù)ITU－BT656來截取需要的有效視頻數(shù)據(jù)，依上文所述的有效視頻開始(SAV)和有效視頻結(jié)束(EAV)兩個定時基準信號來截取圖像。

截取有效圖像:每幀分為奇場和偶場，兩場的圖像是一樣的，因此文中選擇只截取奇場。由表1可知FF 00 00 AB表示奇場場消隱的開始，F(xiàn)F 00 00 B6表示奇場場消隱的結(jié)束，F(xiàn)F 00 00 80表示奇場有效視頻的開始，F(xiàn)F 00 00 9D表示奇場有效視頻的結(jié)束，由于有效圖像總是先結(jié)束即EAV，然后開始SAV，因此首先檢測FF 00 00 AB，緊接著檢測第一個FF 00 00 9D，檢測到此認為奇場場消隱已經(jīng)結(jié)束，再檢測FF 00 00 80表示奇場有效視頻的開始，再檢測FF 00 00 9D表示奇場有效視頻的結(jié)束，即需要的是FF 00 00 80和FF 00 00 9D之間的數(shù)據(jù)，它們之間的數(shù)據(jù)為奇場的有效視頻數(shù)據(jù)［7］。

隔點采樣:由8位ITU－BT656的格式可知［8］，每幀的有效視頻數(shù)據(jù)為1 440×576，因此可知每行有1 440個數(shù)據(jù)，包括Y和C，720個Y和720個C，C包括Cr和Cb。第一場即奇場為288行。隔點采樣方案，(1)行截取為:截取第一場的中間256行，即丟掉前后的各16行，由于截取有效視頻的時候包含了4個標志位，即每行的數(shù)據(jù)為1 444，那么16行就是1 444×16個數(shù)據(jù)，即在有效視頻開始后對于前面的1 444×16個數(shù)據(jù)進行丟棄，而從第1 444×16個數(shù)據(jù)開始才是想要得到的數(shù)據(jù)。(2)列截取為:由于每行的Y為720個，而只需320個，因此隔點采樣，兩個時鐘取一個數(shù)據(jù)，這樣的話是360個Y，同行截取一樣，取中間的320個Y，即丟掉前后各40個Y，由于每行還有C，因此每行開始丟掉40×2個數(shù)據(jù)，從第40×2個開始，每兩個時鐘取一個數(shù)據(jù)進行隔點取數(shù)據(jù)。直到達到想要的320×256個數(shù)據(jù)，此時隔點采樣結(jié)束。

3 與DSP的傳輸

圖2 DSP與FPGA傳輸模塊

(1)將采樣得到的81 920個數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM里面，再由DSP讀取，如圖2所示。

系統(tǒng)采用美國德州儀器公司推出的TMS320C6416［9］。TMS320C6713 是德州儀器公司推出的一款浮點型高性能 DSP，開發(fā)工具為 CCS，它與FPGA的傳輸主要通過中斷控制引腳 GP5/EXT－INT5，片選信號TACE2，AECLKOUT時鐘引腳，64位數(shù)據(jù)線，20位地址線，還有GPTO口。

設(shè)計方案中FPGA與DSP的傳輸選擇異步雙口RAM。

RAM設(shè)計:寫時鐘為LLCC1:27 MHz，寫使能為320×256有效數(shù)據(jù)期間，讀時鐘是DSP的時鐘，讀使能是寫完一幀圖像后開始讀，并由DSP的片選信號讀取，通過中斷來連接FPGA和DSP，寫完81 920個數(shù)據(jù)后給 DSP的中斷控制引腳 GP5/EXT－INT5發(fā)中斷［10］，中斷可以是上升沿也可以為下降沿，此方案中選擇了下降沿，DSP在中斷控制引腳上檢測到下降沿后，DSP認為收到中斷，開始讀數(shù)據(jù)，片選信號TACE2有效，從收到中斷到TACE2有效，此期間會有一個延遲，但不影響讀數(shù)據(jù)。

DSP設(shè)計:數(shù)據(jù)線使用低8位，即AED0－AED7，地址線不連接，與FPGA的通信設(shè)置為異步，設(shè)置讀取的數(shù)據(jù)為81 920，DSP在片選信號TACE2有效期間為DSP讀數(shù)據(jù)，由于TACE2為低電平有效，而雙口RAM的讀使能是高電平有效，因此需要將片選信號取反后才能作為讀使能，DSP以100 MHz進行讀數(shù)，當讀完后DSP的片選信號自動拉高。讀取數(shù)據(jù)結(jié)束，STP如圖3所示［11］。

圖3 STP時序圖

(2)CCS可以根據(jù)圖像數(shù)據(jù)顯示圖像，因此把傳輸過來的數(shù)據(jù)進行顯示，驗證采樣的正確與否。DSP讀完后顯示灰度圖像，相機拍出的原始圖像和隔點采樣后DSP顯示的圖像如圖4和圖5所示。

圖4 原始圖像

圖5 隔點采樣后的圖像

由圖中可以看出，采樣的數(shù)據(jù)可以很好地顯示攝像機所拍圖像，表明采樣方法是正確的。

4 結(jié)束語

本視頻采集系統(tǒng)利用FPGA對視頻解碼芯片進行設(shè)置，具有小型化、低功耗、靈活性等特點，采用ADV7183A作為視頻解碼芯片。同時，作為視頻輸入前端，將彩色攝像頭的模擬視頻源轉(zhuǎn)換成8 bit的ITU－BT656的YCrCb型4∶2∶2視頻數(shù)據(jù)，并進行隔點采樣得到320×256的圖像，實現(xiàn)了FPGA與DSP的接口設(shè)計，將隔點采樣得到的數(shù)據(jù)傳輸給DSP，由DSP顯示圖像達到了設(shè)計要求，能夠為后來的去噪聲和背景抑制等濾波處理提供良好的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

［1］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列 DSP的CPU與外設(shè)［M］.卞紅雨，紀祥春，喬鋼，等，譯.北京:清華大學出版社，2007.

［2］王旭智，馬艷茹，楊勝齊，等.基于ADV7183B的視頻解碼系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009(12):1－2.

［3］吳繼華，范麗珍，薛寧，等.Altera FPGA/CPLD設(shè)計［M］.北京:人民郵電大學出版社，2010.

［4］李立.基于FPGA的視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.湖北武漢:華中科技大學，2006.

［5］Intersil Americas Inc.BT.656 video interface for ICS［M］.USA:Altera，2002.

［6］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列 DSP編程工具與指南［M］.徐盛，胡劍凌，譯.北京:清華大學出版社，2007.

［7］姜立東.VHDL語言程序設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京:北京郵電大學出版社，2004.

［8］Analog Device.Multiformat SDTV video decoder ADV7183A［M］.USA:Analog Device，2004.

［9］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)使用教程［M］.北京:科學出版社，2006.

［10］Altera.Cyclone III device data sheet［M］.USA:Altera，2010.

［11］Altera.Cyclone III device family pin connecting guidelines［M］.USA:Altera，2009.